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鍋爐發電機組的節能技術探討:DCS在發電機組鍋爐熱工自動化改造中的運用

（廣州恒運企業集團股份有限公司）

摘 要： 隨著現代社會技術水平的不斷進步，發電機組鍋爐熱工自動化水平也多有提高。其中分散控制系統在發動機組鍋爐熱工自動化改造中有著十分重要的意義。本文從分散控制系統的基本特性以及基本組成出發，簡述了它在發電機組鍋爐熱工自動化改造的改造內容和應用現狀，強調了 分散控制系統 系統的優勢特性，總結了發電機組鍋爐熱工自動化改造的發展方向。

關鍵詞： 分散控制系統（DCS） ；發電機組；熱工自動化改造

傳統熱控系統線路復雜，維護監控成本高，不符合日益增長的生產需求，自動化水平的落后嚴重制約了機組的生產性能和安全性能。近年來，將分散控制系統用于發電機組鍋爐熱工改造，大大提高了自動化水平。其中，東方集團的300MW機組具有代表意義，汽輪機、鍋爐、發電機是主要組成，在試運轉中不斷完善調試后，該機組商業運行狀態良好，熱耗平均數值為：8484 kj/kw?h。部分參數具體數據見表。

一、分散控制系統的基本組成

分散控制系統也稱DCS，由監視控制級和過程控制級組成。首先，操作員站是指運行人員監視操作控制平臺，它可以提供并完成相關信息數據采集和生產過程的干預。可以通過實時通信網等設備的運用完成對整個系統動態監控，如實時設備狀態和操作記錄，還能做到相關數據、報表的簡單處理、以及應急事故的報警和分析等其他多種功能。歷史數據站是數據儲存檢索的主要完成載體，它可以計算效能，監控設備，但和操作員站不同的是，它不能發出控制指令。打印站可以完成數據等資料的實體輸出。以上三者共同組成監控站。過程控制站的核心是數據處理和驅動執行，是接受指令反饋信息的重要關節。數據采集站主要參與預處理和過程量的采集。工程師站是邏輯組態等功能的專用工具。分散控制系統在網絡、軟件、以及多個模板、多個邏輯的全方位支持下，可以實現多種控制模式，如二進制控制等等，分散控制系統有著極強的延展性和多樣性，因地制宜的選取合適的控制模式，對于提高整個系統的安全性和穩定性有著十分重要的意義。

多控制站可以有針對性的完成不同任務，如輸入、記錄、輸出、驅動、擴展等，多個控制器并行組成完整的控制系統，最終實現實時數據監測和驅動等綜合功能。

二、發電機組鍋爐熱工自動化改造內容

將分散控制系統應用于發動機組鍋爐熱工自動化改造內容主要包括MCS、DAS等多系統的自動化改造，具體的系統配置依據實際情況各有不同。改造具體流程如下：首先，依據實際生產的需求，將各控制站進行任務分工。具體任務如保護、風力調節、風煙順控、燃燒器管理、協調、制粉、減溫、旁路、軸封、泵系統以及數據采集功能。依據具體功能的不同配備各種有針對性的模板。針對待改造的傳統發電機組的現狀和不足，強調提高改造發電機組鍋爐熱工的生產效率、安全性能以及可靠性能。因此，分散控制系統采取雙冗余結構提高系統的安全可靠性，同時，將被控制對象的重要程度進行分級，重要級采取超級分散配置，進一步保障了數據安全。分散控制系統通過使用硬接線減輕網絡負荷，一方面保障了系統的開放性和兼容性，另一方面提高了網絡通訊的穩定性和容錯率。分散控制系統還可以通過設置多操作員站，減少個別控制站的增減對整個系統的影響，這也大大提高了系統的開放性和穩定性。

機組協調自動化控制是發電機組鍋爐熱工自動化改造的單元核心，代表著自動化水平程度，是實現電網調度等整體控制的必然基礎。提高發動機組鍋爐熱工自動化程度，就要提高機組協調控制，具體要求從鍋爐、發電機的單元機組等被控對象的基本特征出發。控制器接受壓力相關數值計算指令控制汽機和鍋爐機組。鍋爐機組等各組間及組內多個子系統間協調一致，最終穩定的提供機組所需能量，從而在提高機組安全性和穩定運行能力的同時，提高系統的經濟效益。

機組協調控制系統的主要現狀難點在于多變量帶來的不確定性。輸入數據不是單一變量，鍋爐調節量是由多子系統組成，水、風、燃料等多數據共同影響的。因此子系統的多方協調和平衡是實現機組輸入輸出強耦合的必要基礎。這就要求我們從實際出發，調節機組運行中的具體問題，通過參數自適應等多邏輯組態的手段，進一步控制計算，最終實現適于生產的系統的優化改造。比如：減少鍋爐和汽機的互相影響，可以采用解耦算法，增強抗噪能力。子系統中，要注意水汽滯后性的控制、矯正氧量提高經濟性能、注意避免一次風壓不當引起燃燒不穩等現象。值得一提的是，將前饋和反饋結合可以更好的增強被控內容的穩定性。參數自適應保護等多種邏輯組態的選擇大大的豐富了系統的多樣性，可以根據被控對象和邏輯關系的不同選擇適當的模塊組態，適用于不同的實際生產問題。

最終，通過機組現場運行和多次實踐證明，分散控制系統改造的發電機組運行過程平穩順利，符合預期既定效率目標，安全性等多系統評價指標反饋良好，改造后明顯優于傳統控制方法機組，較好的解決了基建遺留問題，帶來了可觀的經濟效益和安全保障。我們得到結論，分散控制系統大大提高了我國發電機組鍋爐熱工自動化水平。為保證發電機組鍋爐熱工自動化的可持續發展，就必須深化擴大分散控制系統在發電機組鍋爐熱工自動化改造的應用，進一步提高系統生產效率，提高系統穩定性和安全性，提高兼容性和應變能力。

三、分散控制系統在發動機組鍋爐熱工自動化改造的優勢

分散控制系統在發動機組鍋爐熱工自動化改造中有著不可替代的運用優勢。首先，分散控制系統具有實時性，可以在控制對象要求的時間限度內完成數據的采集處理分析以及指令的傳送和完成。現場處理和直接控制也憑借分散控制系統得以完成，其次，分散控制系統具有更高的穩定性，一方面，分級的控制和多節點接入以及多站點的并行模式可以盡量降低個別節點缺失的損失，同時降低維護管理成本，另一方面，多拓撲結構的網絡模式也可以保證數據傳輸的穩定性。再者，分散控制系統的兼容性強，在線網絡的重構能力保障了信息的可擴充性，提高了整個系統的承載能力和容錯能力。開放性的系統設計以及模塊和邏輯組態的多樣性豐富了控制系統的功能，可以實現多種先進控制和自定義的特殊算法。最重要的是，分散控制系統提高了效率。多站點分擔任務，通過專業分工，提高了任務完成能力。值得一提的是，分散控制系統整體上降低了系統的維護成本和故障率，由于多模塊的組成形態，有別于傳統鏈式結構，故障一旦發生，可以縮小故障范圍，保證系統通暢的同時，完成系統維護。

四、總結和展望

自動化信息化建設是工廠管理的必由之路，隨著算法、設備的不斷進步，機組運行效率和安全性不斷提高滿足生產要求。分散控制系統分散控制系統綜合計算機技術等多學科知識，通過通信網絡連接各組件，最終實現各組件分散控制和靈活管理，甚至影響企業決策，是發電機組鍋爐熱工自動化改造的重要基礎。實踐證明：分散控制系統的應用，有效的提高了經濟效益和生產能力。

鍋爐發電機組的節能技術探討:火力發電機組鍋爐控制技術的新進展

【摘 要】近年來，國家經濟和科技不斷發展，國內外的火力發電機組控制技術也得到了顯著提高。研究表明現階段火力發電組鍋爐控制技術存在著慣性大、不確定性等因素，使得傳統的控制方法不能夠完整的對建立的數學模型進行精確的控制和解析。本文從非線性角度介紹了一些不依賴于鍋爐模型的新的控制技術，能夠很好的控制鍋爐，有利于從整體上提高鍋爐機組的性能，具有很大的研究意義。

【關鍵詞】火力發電 鍋爐 控制技術

隨著信息技術的不斷提高，在火力發電系統中引入了計算機技術，從而為火力系統的控制提供了更加復雜的控制策略。隨著發電機組的數學模型趨于精確化，由于鍋爐系統零部件具有非線性、不確定性、慣性大等問題，使得傳統的控制技術難以實現對其進行精確的控制。自20世界90年代以來，各國廣泛的開發新技術，研究新的控制方法。特別是模糊控制、自適應控制、神經控制、預測控制等技術的研究最為廣泛，逐漸成為了各國研究火力發電機組鍋爐控制技術的熱點。

1傳統控制技術的局限性

現階段火力發電機組的鍋爐控制技術是由PI算法的多個單輸入和單輸出的反饋回路構成，在預定的負荷工作點整定控制器的參數并將其固定。由于現在的電網負荷需求的波峰和波谷差很大，難以避免的使用容量較大的機組參與調峰。為了能夠高效的參與負荷的調度，火力火電機組的控制必須在調度周期內適應負荷變動和隨機波動。隨著工作點的不斷變化，在負荷調度中，傳統的控制技術中的零件的非線性降低了發電機組的運行性能。鍋爐機組是一個復雜的非線性系統，各個通道之間都存在著耦合和慣性滯后，這些原因導致了控制困難。另外，發電機組正在朝著大容量、高參數等方向發展，鍋爐運行的安全性對火力發電機組的過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度的控制性能提出了更高的要求。因此，傳統的火力發電機組鍋爐控制技術不能夠滿足鍋爐的運行安全性指標，也不能夠解決零件非線性等不利因素造成的影響，為此人們研究了各種各樣的新的控制策略來解決控制中出現的問題[1]。

2研究新技術的意義

火力發電機組傳統的控制方法具有單一性，輸入和輸出都不能滿足當前鍋爐控制的新要求，通過研究新技術能夠更好的服務于鍋爐控制行業，此外由于控制技術是一種綜合性技術，研發出新的鍋爐技術，能夠帶動其它相關行業的發展，從而從根本上能夠促進社會經濟的發展，提高社會生產力水平。

3 鍋爐的新技術

3.1 自適應性控制

自適應性顧名思義是指實時跟蹤系統的運行狀態并且不斷的變更各個控制器的參數，能夠解決動態特性變化的過程控制問題。當機組在電網負荷在大范圍變動條件下運行時，自適應性為多輸入和多輸出的非線性火力發電機組。這樣能夠為發電機組提供高效的控制策略。

通過自適應性控制解決煤炭的性質、管束老化等問題對鍋爐蒸汽溫度動態特性的影響問題，運行結果表明自適應性控制比傳統的單輸入 、單輸出控制要有明顯的高效性。另外，美國弗吉尼亞工學院的研究人員設計的自適應性控制器，能夠控制鍋爐的汽包水位，研究仿真結果表明，控制性能明顯的高于傳統的PI單輸入和單輸出控制。通過這些研究實例也可以得出自適應性控制能夠較好的解決非線性問題，效果比傳統的控制技術優越[2]。

3.2神經控制

神經控制是通過建立神經網絡進行控制的技術。由于神經網絡具有非線性映射能力和函數逼近能力，因此這種控制能夠對鍋爐中的非線性建模和控制提供良好的控制工具。希臘國立工業大學等人提出的汽包鍋爐控制方案，能夠通過誤差反向傳播算法對鍋爐動態特性進行逆向研究，建立逆向的神經動態控制器，，通過對汽包鍋爐壓力控制進行仿真表明，這種控制器的響應時間要明顯比傳統的控制技術短。德國工業大學的相關研究人員采用將復雜系統分解的方法，采用多智能體系統來控制鍋爐的燃燒過程。研究實例表明，通過利用神經網絡的自組織和自學習的能力，能夠發現機組運行數據中的動態信息，補償對象的非線性，克服不確定性的影響，能夠將系統進行線性耦合[3]。

3.3 預測控制

在熱工程控制中，普遍存在著系統的慣性較大，滯后性較大，以及非線性等因素導致難以建立精確的數學模型，這樣傳統的控制技術難以解決非精確模型的控制，導致控制出現偏差。而預測控制對模型的精度沒有很高的要求，魯棒特性較好，能夠很好的解決這些問題，因此預測控制在熱工程技術中有著廣泛的應用。通過預測控制技術能夠實現對200MW汽包鍋爐過熱蒸汽壓力的自調整控制，研究的仿真結果表明：在大范圍運行條件下，預測控制能夠明顯的提高控制性能。英國的貝爾法斯特大學的研究人員基于廣義的預測控制設計變量大的預測控制器，對運行范圍內負荷速率變動較大時主蒸汽壓力和溫度進行仿真，結果表明：此類控制器的性能明顯優于傳統單輸入和單輸出控制器性能。

3.4 模糊控制

所謂模糊控制是指將工作人員的操作經驗和操作過程應用語言變量總結為若干條件語句，建立模糊關系，并且建立模糊的邏輯推理，從而能夠實現對復雜控制對象的控制。應用模糊控制技術來控制電站鍋爐，不僅在仿真研究上取得了一定成果，在工程實踐中也取得了長足的進展。相關的仿真研究有美國俄亥俄大學的研究人員設計應用在流水量控制的模糊控制器。澳大利亞新南威爾士大學的科學家，通過對不同負荷運行條件設計的局部線性控制規律進行線性組合，構造控制系統實現全局控制，實現對汽包水位的調節[4]。

4結語

隨著改革開放的不斷深入，我國的火力發電機組鍋爐控制技術也得到了顯著提高，使得我國鍋爐行業的應用從整體上得到了應用。但鍋爐零件也不免存在著一些滯后性大、非線性、慣性大、不確定性等不利因素，導致傳統的控制技術難以實現精確模型的良好控制。本文介紹了一些不依賴于鍋爐模型的新的控制技術：自適應控制、神經控制、預測控制、模糊控制，使得鍋爐控制朝向智能化方向發展。通過對鍋爐控制技術的非線性研究，能夠為提高火力發電機組鍋爐控制系統的穩定性、安全性、高效性提供一種新的研究思路。

作者簡介：江清凌（1995.2-），女，華北水利水電大學，本科，研究方向熱能與動力工程。

鍋爐發電機組的節能技術探討:CS3000集散控制系統在鍋爐汽輪機發電機組中的應用

摘 要 本文簡要介紹了鍋爐汽機發電工藝，并通過舉例介紹CS3000集散控制系統在鍋爐汽輪機發電機組中的應用情況。自2011年7月此機組投運以來，DCS系統穩定，控制效果良好，各項技術指標均正常，收到了很好的經濟效益和社會效益。

關鍵詞 集散控制；順空表；邏輯圖

0引言

日本橫河公司的CENTUM CS3000是基于Windows XP操作系統的集散控制系統，具有開放的操作環境。控制站采用了雙CPU冗余、容錯方式能夠在任何故障及隨機錯誤產生的情況下進行糾錯，不僅提高了運算數據的可靠性而且實現了連續不間斷地控制。本文結合某鋼鐵廠發電機組實際情況舉例介紹了CS3000集散控制系統幾個主要控制功能及應用情況。

1鍋爐汽機發電工藝

發電機組工藝流程是通過鍋爐汽包加熱水產生的水蒸汽進入蒸汽輪機膨脹做功產生動能帶動發電機轉動從而轉化成電能。本套機組由1臺鍋爐，1臺雙抽凝汽式汽輪發電機組，及除氧和循環水站等配套輔助設備組成。

2 CS3000集散控制系統組成

在此系統中采用一臺工程師站（EWS）、三臺操作站（HIS）。鍋爐和汽機（包括除氧、循環水站）采用兩個控制站（FCS）分別控制，這樣一旦汽機出現故障造成停機，鍋爐本身不受影響仍然可以向外網輸送蒸汽，避免因停汽機造成停爐的損失。通過Vnet/IP網絡與控制站（FCS），四臺計算機可以分別與鍋爐控制系統和汽機控制系統相互通訊。即便有一臺計算機故障，其他計算機也可以操控所有畫面。網絡圖見下圖：

3 CS3000集散控制系統在機組中的應用

在CS3000集散控制系統中，設計人員可以通過順控表和邏輯圖組態完成非常復雜的邏輯功能，可以實現反饋控制、順序控制、算數運算等多種控制功能。

3.1反饋控制功能

鍋爐中的水位調節，主蒸汽壓力和溫度調節，引送風機調節；汽機中的凝汽器、高低加、除氧器液位調節，減溫減壓器壓力、溫度調節等等均需要反饋控制功能實現，這里由邏輯圖實現。

以汽機除氧器液位調節為例。除氧器液位調節以除氧器水位作被調量，通過控制除氧器水位調節閥開度，以維持水位在正常值。見圖：

3.2順序控制功能

鍋爐中的引送風機電機控制，緊急放水閥門，加藥泵等；汽機和公共部分中的凝結泵，射水泵，給水泵，各個油泵及閥門調節等等均為順序控制可由順控表來完成。以鍋爐系統中排污閥門為例，見下圖。

3.3鍋爐爐膛安全保護系統（FSSS）

鍋爐由FSSS完成自動點火并實現爐膛安全保護功能。當運行工況不符合要求或有不穩定趨勢時，依照規定的運行工序保護動作跳閘，以避免鍋爐不正常運行。鍋爐運行時，任何一種危險工況出現，系統發出MFT信號，并指示出MFT首次跳閘的原因。來自FSSS或手動MFT的鍋爐跳閘指令將切斷所有燃料的輸入。

為方便操作人員，CRT屏幕上提供鍋爐跳閘首出報警原因指示。由FSSS檢測出的MFT首出原因在跳閘后立即在屏幕上顯示。

4結論

以上介紹了CS3000集散控制系統在某鋼鐵廠鍋爐汽機發電機組中的一些應用。自2011年7月此機組投運以來，DCS系統穩定，控制效果良好，各項技術指標均正常，收到了很好的經濟效益和社會效益。這是一個很好的CS3000集散控制系統的應用實例。

鍋爐發電機組的節能技術探討:600MW火力發電機組鍋爐水平煙道爐底管出口集箱管座泄漏原因與對策

【摘 要】分析了河北省西柏坡發有限責任公司600MW火力發電機組1950T/h超臨界鍋爐水平煙道爐底管出口集箱管座泄漏的原因，認為底管出口集箱管座泄漏與鍋爐膨脹受阻有關。根據分析結果，制定相應對策，采取增加設備柔性、消除膨脹受阻等措施，在2013年大修中進行了現場改造。經實際運行未發生過泄漏，值得在火力發電行業同類機組中大力推廣。

【關鍵詞】爐底管座；泄漏；對策

一、前言

600MW火力發電機組已是電力生產的主力機組，鍋爐大多為超臨界參數，因結構設計不合理造成鍋爐泄漏而引發的機組停運事故時有發生，已是影響發電廠安全生產的主要隱患之一，從而嚴重影響電廠的安全性和經濟性。為此就河北省西柏坡發電廠鍋爐水平煙道爐底管出口集箱管座泄漏的問題，進行了原因分析并制定了可靠相應對策和改造方案。經實際運行考驗，改造方案十分成功。

二、設備概述

河北省西柏坡發電廠1950T/h超臨界鍋爐為北京巴布科克？威爾科克斯（B&WB）有限公司生產的B&WB-1950/25.41-M型超臨界直流鍋爐。單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的P型鍋爐，鍋爐配有帶循環泵的內置式啟動系統。

帶循環泵的內置式啟動系統布置在爐后側，爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方有中間級過熱器和末級過熱器。在水平煙道處布置了高溫再熱器。尾部豎井由隔墻分隔成前后兩個煙道，前部布置低溫再熱器。后部布置一級過熱器和省煤器，在分煙道底部設置了煙氣調節擋板。煙氣調節擋板后布置兩臺回轉式空氣預熱器。

鍋爐本體汽水流程，來自高加的給水首先進入省煤器進口集箱，然后經過省煤器管組和懸吊管進入省煤器出口集箱。省煤器出口集箱經一根外部爐膛下降管被引入位于爐膛下部的水冷壁下集箱，然后沿爐膛向經下部螺旋水冷壁進入位于爐膛中部的中間過渡混合集箱。從中間過渡混合集箱出來的工質再進入爐膛上部垂直水冷壁，之后，工質由水冷壁出口集箱經連接管進入出口混合集箱，經充分混合后進入爐膛頂棚管，再由爐膛頂棚管出口集箱進入位于鍋爐后部的汽水分離器。

三、存在問題及分析

#1鍋爐高溫再熱器自1993年12月投產至1997年12月4年時間里，共發生泄露27次，更換管子67根。1995年至1997年期間利用水壓試驗發現泄露43處。1995年大修時更換21根嚴重熱變形管子，上部承重管卡有1/3脫落。針對不同泄露情況進行以下詳細分析。

（一）管材復雜造成膨脹偏差。為了降低鍋爐的制造成本，鍋爐廠家依據熱力計算，按再熱器沿程介質溫度的不同采用了五種不同材質的管子（Φ60×4.5，15CrMo，12Cr1MoV，12Cr2MoWVB，TP304，T22），但未充分考慮到因不同管材線性熱膨脹系數不同，各管子受熱膨脹量不同，脹差在管卡子及管材對接焊口處產生非常大的應力，從而嚴重影響了管子壽命。

（二）管卡結構及工藝存在缺陷。再熱器管排中管子間的導向定位板結構不合理，如圖2所示，其膨脹間隙統一設計為15mm，由于余度不大，而且裝配工藝不良，無法保證間隙均勻，膨脹嚴重受阻。在導向定位板與管子的焊趾部將管子拉裂而造成泄漏停爐。另外，定位導向板直接焊在管壁上，其焊接質量也很差，未熔合、咬坑、過燒缺陷嚴重。大修檢查中發現，#1爐再熱器 2301多個導向定位板30%～40%已脫落。

（三）高再管道的受力分析。高再出口段由于材質不同、壁溫不同，其膨脹量也必然不同，尤其是TP304H為奧氏體鋼，其壁溫又最高，與其他管子的膨脹量相差很大。以高再向火第1根和第8根為例，經計算，運行工況下第8根較第1根膨脹量大25.4mm。這樣由于膨脹量大的管子和膨脹量小的管子相互制約，使膨脹量大的管子承受壓應力而彎曲，膨脹量小的管子則承受拉應力。同時，由于管子之間的管卡設計不合理，只有15mm的單向位移量，加上制造、安裝誤差，相臨管子之間常因膨脹量不同而導致管卡卡死，在管卡與管子的焊接部位產生應力集中。這兩種應力的存在導致了管卡裂紋的產生。

例如，高溫再熱器出口管組第1根與第8根為同一管圈（見圖1）。第1根管材質為鋼研102，計算壁溫為590℃，線膨脹系數為13.7×10-6mm/℃；第8根管子上部有7883mm長的TP304H，計算壁溫為605℃，線膨脹系數為18.8×10-6mm/℃。如果以承重管卡子為死點，只計算不同材質但相同長度段（4914mm）的兩種管子膨脹差如下：

TP304H L1=（605-20）×18.8×10-6×4914=54.00mm

鋼研102 L2=（590-20）×13.7×10-6×4914=38.4mm

脹差 L=L1-L2=54-38.4=15.6mm

在運行狀態，不考慮任何熱偏差、也不考慮超溫的可能性，同一管圈在不足5m長的管子上就產生15.6mm的膨脹差，作用在管圈上的附加應力就可想而知了。在運行和水壓試驗中發現的全部泄漏，均是在管排導向定位板焊趾和鋼研102管子對接焊口的焊趾處，呈橫向斷裂。經金相分析，高再管子的開裂是管子在運行過程中金屬晶界因發生了微量元素P的偏聚及網狀碳化物的析出而顯著弱化，材質嚴重脆化后，在應力作用下發生的脆性開裂。

（四）失效爐管化學成分分析。將失效爐管的化學成分進行了分析，結果見表1，失效爐管的化學成分符合國標GB5310-1995的規定。

（五）室溫及高溫拉伸性能。在第34排第7根和第40排第10根第1道管卡處取樣進行室溫和高溫拉伸，試驗結果如表2所示；可以看出，第40排第10根的室溫和高溫強度顯著偏高，同時塑性指標δ5低于GB5310-85的要求。

（六） 膨脹應力對管子性能的影響。鋼102是經長期實踐證明具有優良綜合機械性能、工藝性能、焊接性能和較高熱強性的材料，已廣泛使用于過熱器和再熱器，沒有發現過材質的迅速脆化問題，該爐高再管子的脆化與該爐的結構有關。

從上面高再管子的受力分析可以知道，由于高再管子間膨脹量不同，以及管卡的設計不合理，在運行工況下，高再管子將承受很大的熱應力；不管是拉應力還是壓應力，它們產生的應變將明顯加速材料的析出過程。#1爐高再管子晶界碳化物的析出和微量元素P的偏聚，正是較大膨脹應力導致材料析出加速的結果。再者，由于管排外圈的重量是靠管子之間的承重管卡子依次傳遞到中間與聯箱連接的垂直管上，其管卡與管子的連接與導向定位板的連接相同，在膨脹應力及管子和介質的自重的作用下將其沿焊口撕裂，造成管子泄漏。

（七）鋼研102異種鋼焊口裂紋造成的泄漏。采用五種鋼材制造的再熱器，造成大量異種鋼對接焊口，而異種鋼焊接工藝復雜，技術條件要求高，并且存在許多難以解決的問題。比如，異種鋼焊口的焊接，是采用氬氣保護焊，在現場檢修或搶修中，很難達到其焊接工藝規范要求。因此，異種鋼焊接質量就不能得到可靠的保證。

另外，國內對鋼研102本身的焊接工藝標準都不統一，機械工業部的標準要求進行焊后熱處理，電力工業部的標準對≤φ60 × 6mm的管子，不要求熱處理，而從現場情況來看，不論執行那一個標準，都出現了鋼研102焊口裂縫。

分析其原因，鋼研102與其它鋼種的焊接存在以下幾個問題：

① 異種鋼的焊接應力是溫度分布不均的熱應力和相變引起的組織應力；加上異種鋼焊接時，導熱系數的不同，膨脹系數的不同使焊口產生非常大的應力集中，再迭加上管排異種鋼膨脹差產生的附加應力，超過塑性較差的鋼研102母材或焊縫金屬極限強度時而發生開裂。② 由于鋼研102含奧氏體化合金元素很少，使焊縫的奧氏體形成元素不足，產生低塑性的馬氏體脆性層，而且焊縫熱影響區在焊接熱循環作用下形成淬硬組織。如果再考慮到近縫區經受1300℃以上高溫后晶粒顯著長大，晶界面積相對減小，晶界強度降低，塑性大為下降，就使熱影響區呈現非常敏感的裂紋傾向。③鋼研102在焊后熱處理或是高溫運行條件下，產生較嚴重的脫碳和晶粒變粗。④在焊后熱處理或是高溫運行條件下，異種鋼焊口處發生碳擴散遷移現象，晶界上各種碳化物逐步聚集，相互作用，形成大顆粒的復合碳化物，使鋼研102一側產生較重的脫碳和晶粒變粗。而現論認為對低合金鋼來說，金屬含碳量低到一定范圍，就有一凝固裂縫敏感性急劇增大的區間。這一臨界含碳量大致為0.05%。

四、高溫再熱器的改造

針對以上原因分析，經過調研和專家論證確定了以下改造方案。

（一）利用T91取代鋼研102。更換高溫再熱器管材。利用T91取代鋼研102和12Cr1MoV管材。T91鋼是美國橡樹嶺實驗室和燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的9CrMoNbVGANG 鋼，主要用于電站鍋爐過熱器、再熱器管。其主要特點是高溫持久性能、蠕變性能優異，沖擊韌性好，用于金屬壁溫≤625℃的高過和金屬壁溫≤650℃的高溫再熱器管及超臨界鍋爐高溫集箱和主蒸汽管道，具有良好的冷加工性能和傳熱性能。

這樣解決了大量的異種鋼焊接及不同材質管子存在漲差的問題。

（二）改造管卡構造。將原承重管卡改造為套管式，增加管卡與管子焊接面積，提高了其承重強度。將管排原定位導向定位板改造為對夾手銬式管卡，增大了管子膨脹的自由度，避免了管卡撕裂管壁的弊端。

（三）改造后情況。自1997年大修中對高溫再熱器改造至發稿歷時5年的時間里，設備運行穩定，從未發生過受熱面泄露，管排整齊無變形，管卡完好無脫落，使再熱器頻繁泄露問題得到徹底解決。

五、結論

在管子材料設計較為復雜的高溫再熱器改造中，使用91鋼替代原設計管材以解決管子異種鋼焊口過多和管子漲差引起的變形應力而發生的管子失效是成功的；采用套管式承重管卡和對夾式管卡，替代焊接式承重管卡及導向定位管卡徹底解決了管卡脫落撕裂管子的弊端。在同類型機組和同類型設計的高溫再熱器上采用上述方案是可行的、可靠的、有較高的應用價值。

鍋爐發電機組的節能技術探討:循環流化床鍋爐BT對汽輪發電機組運行的探討

摘 要：循環流化床鍋爐（CFB）因本體自身或輔機系統出現故障，導致鍋爐BT（Boiler Trip），即停爐不停機，對整臺機組的運行產生較大的影響，該文主要針對這個運行過程對汽輪機及發電機系統安全、壽命影響進行描述、分析，對越來越多的循環流化床機組有一定的借鑒和指導。

關鍵詞：循環流化床鍋爐 停爐不停機 汽輪機及發電機安全、壽命

鍋爐BT（Boiler Trip）即停爐不停機，是指循環流化床鍋爐因本體自身或輔機系統出現故障，鍋爐風煙系統風機停運，爐膛內暫處于燜火工況，用燜火狀態下的余熱為蒸汽系統供汽，在這種情況下，汽輪發電機仍繼續帶低負荷并網運行，為了維持更長時間，負荷可保持在2MW―3MW運行。在較短時間內將缺陷處理后，恢復鍋爐風煙系統風機運行，逐步將機組負荷帶到要求的數值，恢復正常運行方式。

1 循環流化床鍋爐BT后，對汽輪發電機組系統運行的影響

1.1 對汽輪機系統運行的安全因素

高、中壓脹差變化情況

在BT持續過程中，機組中壓脹差正值降低，負值方向增大，主要原因是中壓缸進汽量很小，對于中壓轉子、中壓缸來說均是冷卻狀態，這種情況下，中壓缸缸體龐大，縮回速度較慢，轉子受到的冷卻

影響要遠大于汽缸，從而出現中壓脹差正值降低、負值方向增大現象；在BT工況下，高壓缸不再進汽，高壓轉子高速旋轉產生的熱量不能被排汽帶出，高壓缸排汽溫度升高很快，通常該溫度很快可由320℃升至380 ℃，當高壓缸通風閥開起后，缸內蒸汽密度降低，排汽溫度逐步下降，高壓脹差也逐步降低。

1.2 汽輪機系統壽命的影響

汽輪機轉子的脆化現象是由于雜質元素（特別是P和Sn）的晶界偏析而引起的，當晶界偏析達到極限值時，整個部件可能發生斷裂事故。高、中壓轉子，以蠕變和熱疲勞損傷作為劣化的主要原因，重點要對這些損傷進行評價。

高、中壓缸及高、中壓轉子應力變化情況

在鍋爐BT后，隨著持續時間的增長，高、中壓缸的缸體溫度下降的幅度越大，且下降得速度均較大，遠大于正常停機后的自然冷卻缸體下降速度，這樣對汽缸的金屬壽命影響很大。

機組在鍋爐BT后2 h時，高壓轉子外表面受到的拉應力上至

最高75.8 MPa，幾乎同時中壓轉子外表面受到的拉應力也上至最高115.9 MPa，這樣高拉應力對轉子的破壞性特別嚴重。在此之后，隨著主汽、再熱汽溫度下降速度的變緩，應力變化也逐步降低。

在鍋爐系統缺陷處理后，啟動風煙系統風機恢復機組負荷過程中，汽輪機高壓轉子最大應力達138 Mpa（壓應力）（此時高壓上缸缸體金屬溫度達418 ℃、高壓下缸缸體金屬溫度達443 ℃），中壓轉子最大應力達142 Mpa（壓應力）（此時中壓上缸缸體金屬溫度達450 ℃、中壓下缸缸體金屬溫度達453 ℃），隨著機組負荷逐步穩定后，應力趨于降低并穩定，這樣整體轉子應力變化完成一個循環，每這樣循環一次，對汽輪機轉子壽命都有一定的損耗。

1.3 對發電機系統的影響

機組由高負荷或正常負荷工況下快速降低至2―3MW時，發電機本體發熱量急劇降低，其本體線圈溫度降低，其內部氫氣濕度升高，特殊情況下可能產生結露，快速大量的冷縮使得線棒滑移量增大，頻繁這樣的工況，可能導致線棒磨破漏水，損壞發電機內部設備。

發電機由高負荷降到極低負荷，運行一段時間后，再將負荷升起至正常負荷的過程，就是發電機內部發熱部件熱應力循環的一個過程，負荷率變化越大導致的交變應力量越大，這樣頻繁的變化，會導致發電機內部部分零部件松動或摩擦損壞。

1.4 BT工況下危險因素分析

低負荷工況下運行存在的危險隱患：

（1）汽包水位不易控制，易引起水位波動，主汽、再熱汽處于低溫運行狀態，且此時為了盡量保持主汽、再熱汽壓力下降速度慢，各疏水門均不開起，為此汽輪機存在水沖擊的隱患很大。

（2）主汽溫度、再熱汽溫度下滑較低，過熱度偏低，易產生汽中帶水現象，對汽輪機組有一定威脅，特別是長時間運行后，主汽、再熱汽溫度都已很低，都已遠低于對應汽缸金屬溫度，為此汽溫對每個汽缸金屬都是一種強制的冷卻，有一定的破壞性。

（3）在BT極端低負荷2MW―3MW工況下運行，給水系統中的一臺汽泵必須退出給水系統，此時為了減緩主汽、再熱汽壓力下降速度，高旁、低旁均在關閉位置，由于主汽流量少、給水流量也相應較少，運行汽泵的再循環門必須伴隨著開起，長時間這樣運行，此再循環閥的磨損相當嚴重。

（4）單臺汽泵運行，電泵在運行狀態作為熱備用方式，消耗廠用電量。

（5）高過減溫水門、再熱汽減溫水門必須嚴密，否則影響到主汽、再熱汽的降低，嚴重時可能導致汽中帶水、水沖擊。

（6）這種工況下，只有中壓缸進汽而高壓缸不進汽，要特別注意高壓缸至排汽裝置通風閥開起及高壓缸內部金屬溫度變化情況，防止因缸內鼓風損失大導致金屬溫度高、動靜部分發生摩擦損壞設備。

（7）鍋爐BT后機組從大負荷突降或重新啟動時，對鍋爐本體、汽機本體的運行都是很大的沖擊，鍋爐系統的膨脹節、焊口都是熱脹冷縮、風壓波動可能造成薄弱環節處破裂泄漏。

（8）在鍋爐BT操作及恢復過程中，反復進行切缸、反切缸、廠用電切換等重大操作，引起人員誤操作的概率較大。

2 為了防止設備損壞、延長汽輪發電機組壽命，特制定以下防范措施

循環流化床鍋爐因設備或系統故障原因，可達到短時間的停爐不停機工況、減少發電機與電網解列引起的非停次數，但這些工況對機、電、爐系統及壽命都有不同程度的損傷，為此要盡量避免或減少這些工況的發生。

（1）提高鍋爐系統中設備的健康水平，盡量減少BT的發生。

（2）在鍋爐發生BT進行調整操作過程中，如果10 min內，主汽、再熱汽溫度下降超過50 ℃，必須立即打閘停機，防止汽輪機進水，導致汽輪機大軸彎曲事故的發生。

（3）汽輪機降負荷運行，保證主汽、再熱汽汽溫與相應的汽缸內壁金屬溫度偏差不得高于50 ℃，如果超過該值，必須立即打閘停機，防止汽輪機系統損壞。

（4）按照汽輪機運行說明書要求，過熱汽和再熱蒸汽溫度降低速率不得超過1℃/min，且過熱度最低必須維持在80 ℃以上，汽輪機降負荷采用“中缸控制”運行方式，再熱汽溫度必須高于430 ℃。

（5）在鍋爐系統缺陷消除、各種風機啟動恢復過程中，各擋板開起速度要緩慢，各種風壓變化要適度，防止風壓大起大落導致風煙系統非金屬膨脹節超壓破裂。

（6）在汽輪發電機升負荷過程中，嚴格控制升負荷率，防止加負荷速率過大導致發電機內線棒或其他部件碰摩損壞。