超临界火电机组炉水循环监测系统研究与应用

朱宝峰

（中电建甘肃能源崇信发电有限公司，甘肃 平凉 744200）

0 前言

我国提出了“碳达峰”和“碳中和”目标，以光伏和风电为主的新能源装机逐年增加，2020 年新增并网风电、太阳能发电装机容量分别为7167 万kW 和4820 万kW，在全国发电装机总容量22 亿kW 中，煤电装机容量为10.8 亿kW，首次降至50%以下。面对清洁能源完全消纳和电网安全运行要求，火电机组将承担起调峰调频的辅助作用，因此火电机组利用小时数将会逐年下降，将长时间处于低负荷运行状态，并以旋转备用的方式保证足够的灵活性，以随时满足电网负荷变化需求。超临界参数机组在深度调峰及快速变负荷运行方式下，锅炉水循环流量较少，管壁温度梯度大，管壁温度超过钢材最高使用温度，出现炉管过热甚至爆管的情况。因此为保障锅炉低负荷安全运行，需要对锅炉水循环及各受热面温度进行实时在线监测，根据炉管温度变化趋势及时预警，指导运行人员进行燃烧和给水调整，降低锅炉水冷壁及受热面管排发生失效爆破或泄露的可能性，提高锅炉在深度调峰状态下的运行可靠性。

1 锅炉水循环在线监测系统方案研究及设计

1.1 某超临界机组锅炉运行监测现状分析

在超（超）临界机组锅炉水冷壁、高温受热面出口的炉外管圈上，均设有管壁温度测点，通过设置在管子不同位置的热电偶测量管壁温度，来分析锅炉在设计和制造过程中存在的缺陷，判断管屏的热偏差和超温，评估锅炉的运行状况[1]。某锅炉原设计的壁温测量监视系统分别在螺旋水冷壁出口管接头、垂直水冷壁出口管接头、屏式过热器出口管排、末级过热器出口管排及末级再热器出口管排处共计4518 根管子上安装了232 个壁温测点，壁温测点覆盖率仅为管子数量的5.14%。以上壁温测点大部分通过IDAS[2]前端测量装置接入DCS 实现监视，剩余部分后增补测点接入就地温度巡检仪，可在锅炉76m 平台处进行查看。由于锅炉在50%以上负荷运行时，锅炉水循环动力充足，给水流量较高，受热面管排发生超温情况较少，加之原有壁温监视测点较少，很难准确反映受热面管排超温过热情况，存在监视盲区。而锅炉在深度调峰（40%～30%）负荷的工况下运行时，给水流量在530t/h 左右，接近锅炉MFT 给水流量低保护动作极限值，锅炉水冷壁及受热面极易出现水动力不足[3]引起的超温现象，水冷壁的设计必须避免超临界压力下的类膜态沸腾及亚临界压力下的膜态沸腾，还要保证流体在蒸干点处金属管壁得到足够的冷却。因此该文旨在有效解决锅炉深调运行时对以上受热面区域存在监视盲区的问题，同时融合原有壁温测量系统，形成统一的监视报警系统，扩大锅炉水冷壁及各受热面的监视范围，及时对超温区域进行调整，降低水冷壁及锅炉受热面发生爆破及泄漏的概率。

1.2 水循环监测重点区域研究

在选择锅炉水循环监测的重点区域，首先应广泛覆盖锅炉低负荷运行时易超温的受热面，及时反映出该部位管排温度的上升情况，进而及时调整燃烧策略；其次应加强对历年来金检缺陷较多的受热面监视，从而有针对性地分析缺陷成因。因此须从以下几个方面进行研究：1）通过锅炉低负荷摸底试验及长期运行工况统计分析，在锅炉低负荷运行时，垂直水冷壁易出现超温运行情况。特别是在磨煤机组合方式发生变化时尤为明显[4]。经过燃烧调整试验及实际运行情况发现，D 制粉系统运行时，左墙垂直水冷壁极易超温。2）机组在198MW 负荷运行时，锅炉保持干态运行。随着负荷的下降，锅炉蒸发量下降，屏式过热器出现短时超温现象。屏式过热器处于炉膛烟气温度最高的区域，管壁内外温差大，并且内外管圈长度不同导致蒸汽流量不同，管与管之间的壁温偏差较大。同时受炉膛辐射热的表面积较高温过热器多，因此，屏过极易出现超温。屏过最外圈管子沿炉膛宽度方向应每屏至少布置1 个测点，监测该屏管的壁温变化趋势。3）结合历年锅炉检修时对受热面管排的金属检验、管壁减薄等数据分析得出：垂直水冷壁上集箱存在大量接管座缺陷，位置在炉左集箱靠近炉后端部。高温再热器、屏式过热器、末级过热器均有不同程度的金检缺陷， 历次检修均有一定数量的管排更换。如表1 所示。从统计数据可以看出，末再区域在2016 年换管数量较多，主要原因为吹损造成而非过热，排除该原因后可以看出屏过受热面管排出现泄漏风险较末过、末再两个区域更高，历次检修均有一定数量的管子更换。水冷壁的统计中包含了螺旋段和垂直段，低负荷水动力不足的问题在水冷壁区域反映更为明显。

表1 2015—2018 年受热面换管统计

根据以上研究结论，水冷壁及高温受热面现有的壁温测量点对低负荷运行时的管排状态反映有限，同时可以确认问题较为集中的区域为左垂直水冷壁区域和屏式过热器区域。为达到减少监视盲区的目的，螺旋/垂直水冷壁区域、屏式过热器区域、末级过热器区域及高温再热器区域的壁温覆盖范围均应在原有的基础上增加，对重点区域如左垂直水冷壁和屏式过热器区域应进一步增加壁温覆盖密度。对屏式过热器每屏最外圈管子必须增加壁温测点，左、右墙垂直水冷壁首、尾两个管子必须增加壁温测点。

1.3 炉水循环监测系统设计目标

1.3.1 将水冷壁及各受热面壁温监测覆盖范围扩大15%以上

根据现有管壁温度数量及锅炉管排、管子数量，合理新增壁温数量，将壁温监测覆盖率提高到15%以上，见表2。

表2 锅炉受热面壁温监测覆盖率统计

该壁温增设方案新增壁温795 支，较现有的232 支壁温来说，提升监视测点3.4 倍以上，其中覆盖率增幅较大的为末再区域、屏过区域以及垂直水冷壁区域，符合之前的设计方案。本次新增的壁温测点使得壁温监视覆盖率从原来的5.14%提高到22.74%，占比增幅为17.6%，达到设计效果目标。

1.3.2 新、旧壁温监测系统合并，完成综合监视、报警及诊断

新增壁温测点通过IDAS 前置器、IDAS 通信模块、DCS通信卡件等设备，以总线通信方式接入DCS 系统。该方案与原有壁温测点通信方式一致。由于本次新增壁温测点较多，为使CRT 画面直观反映出壁温布置，本次壁温测点布置将原有文字描述式画面修改为表单式布置图，将集箱内所有管子罗列成表单，将原有的壁温测点与新增壁温测点同时列入表单对应位置，同时在表单上方标注烟气流向指示，可以使运行人员清晰地判断壁温测点及管排走向，缩短了对燃烧调整的反应时间。与此同时，该画面组态方式的优化也减少了画面布局量，原有壁温测点共布局显示画面2 张，从本次增加壁温数量来看，至少应增加组态画面6 张方可满足，但采用本次优化后的组态画面，仅增设2 张画面即清晰展现了新、老壁温所有测点，并实现统一报警、综合监视，减少运行人员翻看画面时间，提高监盘效率。

1.3.3 DCS 机柜CPU 网络通信负荷率低于40%

新增795 支壁温测点接入就近布置的42 台IDAS-2102E前置器，该前置器为双冗余网络布置，本次通信组网为保证原有14 台前置器网络的稳定性，将新增壁温接入新的通信网段，每个网段配属21 台前置器，实现网络负荷均分，原有网段命名为0 网段（下设14 台前置器），新增网段分别为1 网段和2 网段，均为双冗余网络布置。1 网段通信模块安装于DCS 系统10（20）CBB04 柜，2 网段通信模块安装于DCS 系统10（20）CBB06 柜，其中采用就近原则设计1 段网络包括螺旋水冷壁、后垂直水冷壁、左垂直水冷壁、前垂直水冷壁、右垂直水冷壁、屏式过热器；2 段网络包括末级过热器、末级再热器。通过将新增测点设计为两段网络，将DCS 系统原空闲率（4 号CP、6 号CP）由80%下降到70%左右，DCS 单台CP 负荷率为30%，满足小于40%负荷的设计要求。

1.3.4 对每根炉管超温进行监测与统计

将所有壁温测点在DCS 系统中按所在区域、安装位置及管排号设置独立监视画面，在画面中标注烟气流动方向，让运行人员直观地判断出管排在烟气流场中位置以及是否处在向火面，有效缩短判断时间，及时做出正确调整策略。同时对每根管子的超温情况进行统计。当管子壁温超过报警值时，利用DCS 运算逻辑块进行计时和计次，壁温低于报警值后停止计时，次数计算为1 次。计时和计次均采用累加制，根据管排维修更换情况进行复位清零。次月1 日可生成上月超温情况报表，显示本月累计超温时间、次数，超温平均幅度等信息，以供金属监督人员进行分析，准确掌握管排劣化信息，为管排寿命预测提供重要判断依据。

2 锅炉水循环在线监测系统实施与应用

2.1 炉水循环在线监测系统硬件组成

为实现在线监测要求，该系统涉及的硬件设备有壁温测量元件（铠装热电偶）、IDAS 前端测量及通信装置（或DCS远程I/O 站）、电源系统及各类电缆、DCS 通信卡件、DPU以及工程师站、历史站等。

2.2 炉水循环在线监测系统应用方案

炉水循环在线监测系统应包括温度测量元件、壁温测量IDAS 前置装置、IDAS 前置系统通信装置、DCS 分散控制系统、操作员站及工程师站（历史站）等部分。受热面管壁温度通过铠装热电偶测量后转换为电压信号进入IDAS 前置装置，每台前置装置可采集20 个壁温信号，所有就地IDAS 前置装置以总线通信方式将实时测量结果通过IDAS 通信装置转换后接入DCS 系统，通过DCS 系统组态后呈现在操作员站的人机界面中，实现所有管排温度的实时显示、超温报警等功能。各部分具体设计方案如下：1）壁温元件选用双支K 分度I 级热电偶，测量温度为-40℃～1000℃，金属热电偶丝直径为φ5mm，热电偶热敏元件包含两对K 分度热电偶专用导线，采用复合套管整体式铠装，由双层0Cr25Ni20 不锈钢保护管、高纯氧化镁绝缘材料、热电偶导体材料组合，冷端补偿导线耐温200℃以上，引线尾部为针型线鼻子，导线“+”端用红色标记，“-”端用黑色或蓝色标记。热电偶在安装前须经过检定合格，并在首尾悬挂KKS 标识。热电偶元件采用不锈钢双螺钉固定在热电偶集热块上。2）热电偶集热块与炉管同材质，弯曲面保持一致。集热块焊接必须采取氩弧焊焊接，焊接材料必须与受热面管材一致，集热块焊接前必须进行光谱复检，对受热面管、集热块及焊材进行确认并记录；焊接位置中心线距离管子弯曲起点或联箱外壁边缘至少70mm，距对接焊口间距离不应小于150mm。3）IDAS 测量装置系统应采用电源、网络双冗余的模式设计，任一电源中断、网络断开都应无扰切换，不影响任何数据的传输。应具备在现场前置器上实时组态、信息查询、报警查看等功能，在IDAS 通信模块上也可实现远程监控、编程、组态、网络切换等功能。IDAS 智能前端可布置在锅炉大包两侧，壁温元件长度以铠装层超出炉墙2m 以上，引线长度直接到达IDAS 测量装置或远程I/O 柜为宜，总长度根据炉管距离采集装置距离远近进行设计，减少壁温元件成本。在使用该锅炉时，根据与测量前端的距离，采用5m、20m、15m、10m 等4 个不同长度热电偶。4）IDAS 智能前端以总线通信的方式接入IDAS 通信模块。每台通信模块可挂载100 台测量前端。为防止通信负荷率过高，应进行分散布置。通信模块与DCS 通信卡进行数据连接交换时，也应考虑同样问题，以防止DCS 的DPU 负荷率过高。也可设计一套独立的DCS系统接入所有壁温测点并进行监视，可将通信负荷率的对主机DCS 运行指标的影响降到最低。5）DCS 系统设置有电源系统、DPU、通信卡件、交换机、工程师站（历史站）、操作员站等设备完成对所有壁温测量信号的接入，并在操作员站对每个壁温测点进行实时监视、超温预警、超温统计，根据壁温趋势变化及时调整运行方式，最大限度地防止炉管超温或降低超温时间和次数。

2.3 提高该系统应用可靠性的措施

锅炉壁温安装于锅炉大包内，部分冷端布置于锅炉大包顶棚上方，且由于锅炉紧身封闭测量装置环境温度较高，灰尘较大，同时大包内的烟气会对壁温冷端产生高温腐蚀，对壁温装置的测量可靠性造成较大威胁。为提高壁温测量系统的可靠性，应采取以下防范措施：1）对铠装壁温元件的预制长度准确测算，所有壁温元件的长度满足从IDAS 前置器至安装位置的距离，中间不使用任何补偿电缆，减少故障点；2）从大包敷设出的壁温支撑槽盒采用浇注料封堵接口处，炉墙外的壁温槽盒经过2 个90°直角弯后再敷设至IDAS 前置器处，尽可能释放大包内部高温热能；3）采用HT C-2 耐高温无机胶的K 分度铠装热电偶测量元件冷端进行包覆和灌封，即使高温烟气溢出也可保证在冷端200℃以上持续可靠地测量。4）热电偶元件引线末端采用预制针型线鼻子，并取消前置器接线端子处的短接线，减少了因接线不良造成的温度元件跳变等问题。5）大包内部壁温元件承载槽盒由原先的普通镀锌电缆槽盒更换为不锈钢耐高温槽盒，耐高温能力大于600℃，壁温槽盒因高温脆化破损。6）壁温元件安装时在首尾端悬挂相同的KKS 编码标识牌，防止热电偶安装、接线时产生错乱。安装接线完毕后，应使用热风枪对每个壁温测点进行传动试验，以确保壁温测点与管排编号一一对应。7）所有壁温测点应加入DCS 系统历史库，并将历史曲线变化死区设置在0.5℃以下，历史库容量应能保证所有壁温数据保存1 年以上。

3 结论

经过2 年的时间，将该系统应用于某超临界机组1、2号锅炉中，实现了原壁温测点与新增壁温测点共同组成的炉水循环在线监测系统。与应用该系统前相比，对锅炉水冷壁及高温受热面的监视区域增加了17.6%，并首次覆盖了后水冷壁区域；可对锅炉水冷壁、屏式过热器、末级过热器及末级再热器出口集箱管排实现连续监测、实时报警，具有设备状态判断及历史追忆功能，壁温监视采取分区域列表画面显示，准确反映炉管位置；可实时监测管壁温度，任一测点超温均可实现声光报警，准确定位；可对所有管壁超温次数、时间进行累加统计，并自动计算超温幅度等统计数据，自动生成并导出月度报表。该系统的应用不但提高了锅炉在低负荷运行工况下的水动力安全性及在线监视范围，满足了火电机组参与深度调峰辅助服务市场的必要条件，同时也提高了金属监督对锅炉受热面管排劣化趋势分析的准确率，对管壁超温加强管理，进一步降低了炉管超温发生的概率，减少时长，也对今后锅炉受热面检修项目安排及炉管寿命预测提供了重要的决策依据。