提升锅炉运行管理水平，高效应对特种设备事故

1.锅炉爆管原因分析及对策

【案例2-1】 某公司三台锅炉接连发生水冷壁管爆管事件，严重影响了生产的正常进行，造成了较大的经济损失。该型号炉子出力35t/h，出口蒸汽压力39kgf/cm²，出口蒸汽温度450℃，水冷壁管规格为φ60mm×3mm，材质为20＃热轧钢管，介质为除盐水。其爆管位置大都在距炉排3～4m处，爆口尺寸为120mm×80mm，爆口纵向破裂，其断面较为锐利，管内壁附着一层厚约0.5mm的垢物，管内外壁均有氧化和脱碳现象，爆口上下管子外径由φ60mm胀粗到φ69mm。

（1）原因分析

1）化学成分：从爆管上段管子取样做成分光谱分析，结果见表2-5。化学成分分析结果表明，此管子材质在正常范围之内，符合20钢标准。

表2-5 化学成分分析（含量）

2）力学性能试验：分别取爆管上段和未爆正常管子进行抗拉试验，结果见表2-6。从表中可看出，与正常值相比，σ_b值偏低，其余均在正常范围内。

表2-6 管子力学性能试验

3）金相分析：分别在爆口、爆口上部和爆口下部取样，金相分析结果见表2-7。金相分析结果表明，水冷壁管由于局部过热（温度高于900℃），使其材质晶粒长大，同时在管内水适当的冷却条件下形成了晶粒粗大的魏氏体组织。虽强度没有明显的变化，但使其冲击韧性显著降低，脆性增大。而爆管口存在连续冷却转变产物即粗大的板条马氏体和上贝氏体，这都是在一定的温度（850℃以上）快速冷却而产生的。

表2-7 爆管金相组织与硬度

4）垢物分析：取管内垢物分析，结果表明主要成分是Si、Ca、S、Na、K等元素，充分表明锅炉水质不符合标准。

综上分析水冷壁管材质符合要求，材料强度没有明显的变化，但是水冷壁管由于长期超温过热，使原本细小均匀的珠光体＋铁素体分解，组织恶化，形成粗大的马氏体等组织，直接影响材料的冲击韧性，使其脆性增加，性能降低。同时由于水质不符合要求而形成的水管内垢物的增多，影响管子传热性能，造成局部快速过热超过材料安全工作温度而产生爆裂。水冷壁管爆口部位明显膨胀、减薄，这正是管子局部快速过热，应力剧增，形成短时过热爆管的体现。

（2）事故处理措施

1）经对未爆裂水冷壁管测厚，厚度均在2.8mm以上，决定对爆口采取局部换管，尽快恢复生产。于是以爆口为中心将爆管处上下各截去150mm长，取符合GB3087—2008的20钢新钢管，规格φ60mm×3mm，长度300mm，将对接的新旧管口磨平并制成符合要求的坡口，由具有相应资质的焊工按表2-8的工艺要求施焊。

表2-8 修复焊接工艺

2）焊后检查：焊后对两对接接头进行焊缝外观MT、RT检验和水压试验，结果合格，可以投入生产使用。

（3）防范措施

1）对锅炉进行一次人工和化学除垢，彻底除去锅筒、集箱、水冷壁管内的结垢。

2）加强锅炉用水处理的管理工作，严格水处理工艺纪律，使锅炉水质符合GB/T1576—2008《工业锅炉水质》中的要求，防止锅炉结垢。

3）锅炉定期排污，及时排除锅炉内的散垢渣滓。

4）严格执行锅炉安全运行操作规程，使锅炉受压元件温度变化缓慢，并严禁锅炉超温运行。

采取以上措施后，水冷壁爆管现象至今没有再发生，三台锅炉平稳运行，保障了公司的正常生产需要。

2.提高锅炉热效率措施

【案例2-2】 某企业有两台75t/h锅炉，采用当地无烟煤，在实行运行中存在飞灰含碳量偏高，造成锅炉燃烧效率偏低等问题。

造成锅炉运行热效率偏低原因，一般与煤质特性和燃料颗粒有关，也与锅炉设计运行参数有关，还与锅炉运行工况和操作人员技能水平等有关。

该锅炉使用的无烟煤属典型难燃的高变质煤种，具有挥发分极低（V_daf≤5％）、碳化程度高、结构致密、煤质脆易爆裂、热稳定性差、入炉煤细粉含量大、着火和燃尽十分困难、灰熔点低、易结焦等缺点，致密的颗粒内部结构、很差的反应性和强烈的热破碎性等煤质特性和燃烧特性导致无烟煤颗粒在锅炉中难以被燃尽。(www.chuimin.cn)

优化运行措施如下：

（1）合适的燃料粒径 每种燃煤锅炉对所用燃料的粒径及其筛分特性都有明确的要求，取入炉煤进行筛分试验，发现细粉含量所占比例过大，加上无烟煤粒在挥发分析出阶段热爆和燃烧过程磨损产生大量细粉，使从密相区扬析和夹带出来的细焦炭颗粒成为飞灰未燃炭的主要来源。

不同粒径的煤粒有不同的临界流化速度和终端速度，当颗粒平均直径为2.6mm时，它的运行速度已超过粒径为0.8mm颗粒的终端速度。因此，燃料中0.8mm以下的煤粒进入炉膛后很快被烟气带出床层，飞灰中的炭主要来自这一部分细颗粒，造成飞灰含碳量偏高。

为此采取以下措施：首先，在采购燃料时配备一些块煤，做到粗细搭配；其次，在制备燃料过程中优化筛分破碎系统，将破碎机筛网规格由8mm放大到12mm，避免二次破碎，减少细颗粒的产生，并可降低破碎机电耗；同时，调整播煤风量，控制燃煤在炉内的撒播均匀度，有利于燃料的迅速加热和着火。

（2）较高的炉床温度 比较分析两台DG75型（75t/h）锅炉的运行，并对记录数据进行计算，发现炉床温度在920～960℃时，燃烧效率随炉床温度的增加而缓慢增加；当炉床温度高于960℃时，燃烧效率随炉床温度的增加明显提高；炉床温度超过1070℃时则比较容易结焦。这表明锅炉炉床运行温度对无烟煤焦的燃尽有重要影响。提高燃烧温度，不仅可以直接提高焦炭的反应速度，减少细颗粒煤焦的燃尽时间，还可以增加颗粒破碎的剧烈程度，从而增加颗粒燃烧的表面积，加快颗粒的燃烧速度和燃尽程度，当炉床温度一般维持在960～1000℃时，整个炉膛维持均衡的高温，加大挥发分的析出速度，加快煤粒的着火及燃烧，从而达到较高的燃烧效率。

（3）适当的过量空气系数 运行实践证明，在一次风量保持不变的条件下，飞灰可燃物含量随着过量空气系数λ的增加而降低，其中当1.22≤λ＜1.29时飞灰可燃物含量随λ的增加而快速降低。当锅炉的炉膛温度在950～1050℃之间时，适当提高过量空气系数λ，增加燃烧区的平均氧浓度，加快了氧气的传质速率和反应速度，有助于碳颗粒的燃尽，从而提高燃烧效率；λ再大时，排烟热损失q₂增加，并增大了风机电耗；λ超过一定数值，将造成床温和炉膛温度下降，并降低细煤粒在床内的停留时间，q₂和固体未完全燃烧热损失q₄都增加，燃烧效率下降。所以，运行中要正确监视氧量表和风压表，及时调节，保持1.25≤λ≤1.29，维持炉膛负压在－40Pa左右。同时，检查并消除锅炉漏风，封堵泄漏的空气预热器管子。

（4）适当的一、二次风配比 分析锅炉运行记录发现，维持过量空气系数λ和二次风比不变时，随着二次风率的增加，飞灰含碳量开始明显下降。当二次风率超过0.36后，飞灰含碳量降低速度趋缓并存在最低值；二次风率大于0.42后，飞灰含碳量缓慢上升。所以，运行中保持二次风率在0.36～0.42、二次风比为0.8～1.2，可达到较佳的燃烧效果。

（5）合理的煤层厚度 通过分析DG75型锅炉的运行实践，可知无烟煤料层厚度对燃烧的稳定性和燃烧效率有很大关系。维持恰当的煤层高度，炉床蓄热量较大，炉床温度相对稳定，无烟煤粒和回料灰中的碳粒能迅速加热和燃烧。若煤层太厚，不仅增大风机电耗，还增大通风阻力损失，甚至造成局部燃烧区域的氧量不足，影响流化效果和燃烧效率；若煤层过薄，则会导致燃烧工况不稳定，缩短了燃料在床内的停留时间，飞灰可燃物含量增大。保持适当煤炭厚度，一次风室压力控制在10～11kPa时燃烧效果最为理想。

（6）确保回料畅通 固体颗粒循环量决定着床内固体颗粒浓度，而固体颗粒浓度对锅炉的燃烧、传热和脱硫起很大的作用，所以保证循环物料的稳定和畅通是锅炉正常运行的基础。

锅炉停运和检修时，要把回料立管的存灰排放干净，并检查回料装置内没有脱落的浇注料、细小焦块等。在锅炉起动时就投入回料，将由于炉膛燃烧温度低而没有燃尽且被分离器收集的煤粒送回到炉膛燃烧，避免大量高含碳量的回料灰进入炉膛造成炉床结焦或熄火。正常运行时，回料装置的配风严格按照要求，回料温度维持在540～560℃（设计值552℃），与分离器进口烟温基本同步，从而保证炉内有较高的物料浓度和燃烧强度。性能良好的回料系统对炉床温度起到一定的调节作用。

通过采取以上措施，两台锅炉年运行平均热效率达到85.5％（额定工况设计值为85％）以上，比燃用同样无烟煤的同容量煤粉炉高出3％～5％。

3.做好锅炉检修，确保安全可靠运行

【案例2-3】 某企业有四台锅炉主要用于发电，其锅炉采用的是单炉膛、改进型主燃烧器、分级送风燃烧系统及反向双切圆的燃烧方式，炉膛采用了内螺纹管垂直上升膜式水冷壁和循环泵启动系统，一次中间再热和调温方式除采用煤/水比外，还采用了烟气分配挡板、燃烧器摆动、喷水、等离子点火等方式。水冷壁管、顶棚管及尾部烟道包覆管均采用了板状膜式结构，密封性能好。过热器分为四级，一级（低温）在尾部烟道后竖井上部，二级（分隔屏）、三级（屏式）在燃烧室上部，四级（末级）在水平烟道出口侧。其中一级过热器采用逆流布置，二、三、四级采用顺流布置。

锅炉运行检修采用的是“两头在外、核心在内”的管理模式，两头在外就是将设备检修、维护保养及辅助设备的运行管理等，委托给了某火电服务修理公司，实施的是点检定修制。核心在内是发电企业负责机组的技术功能控制和主要设备的运行管理工作，定期组织专家对委外情况进行跟踪、分析和评估，并根据检修、运行及点检人员的情况反馈，及时安排定期检修和维护。对设备运行和巡检时发现的异常或重大缺陷问题，及时制定排除对策和预防措施。每月定期统计和下发设备缺陷月报，通报缺陷消除率及消缺系数指标完成情况。为保证消缺工作的及时性和可靠性，实现了设备缺陷从发现、下单、消除、验收到总结等工作流程的计算机管理。

（1）优化锅炉设备检修

1）坚持锅炉受热面泄漏风险评估及检修策划制。

①实施锅炉受热面泄漏风险评估。锅炉受热面泄漏问题一直是国内发电停机的主要原因，锅炉在运行时温度和压力均较高，一旦发生锅炉管失效等故障，不仅造成巨大的经济损失，而且会引发重大安全事故。根据中国电力行业集团的历年事故情况统计，锅炉的非计划停运约占全部停运事件的60％，而锅炉四管泄漏事故又占锅炉事故的60％，是影响机组安全运行的主要隐患之一。其中水冷壁管泄漏占33％，过热器管泄漏占30％，省煤器管泄漏占20％，过热器管泄漏占17％。为此，采取对锅炉受热面泄漏风险进行评估的方法不仅确保了受热面安全和可靠运行，也降低了设备检测费用和维修成本。

②实施受热面泄漏风险评估的阶段性目标。通过实施检修后的风险分析与研究，不但可核查检修效果、高风险部位的风险等级是否降低等，也能进一步验证风险评估方法的准确性及评估结果的真实性。对不同阶段的风险实施不同的监管，是开展和做好此项工作的基础和保障。

③对设备检修的要求。在制订锅炉受热面的检修计划时，应对机组的重点检修部位进行修前、修中和修后情况的技术评价，以及检修质量和运行效果验收。不但要保证检修工作安全可靠和无责任事故，而且要保证设备技术状态及性能有所提高。重点检修部位主要包括：局部机械磨损严重部位、易产生冲刷磨损部位、烟气流速快和飞灰浓度高部位，以及异物容易聚集或节流孔易堵塞位置、异种钢焊接部位和应力集中部位等。

2）实施在线监督与寿命评估。由于锅炉的高温部件采用了新型耐热钢，如过热器和再热器采用的是Super304H和HR3C新型奥氏体耐热钢，末级过热器出口集箱采用的是ASTM A335 P122钢，主蒸汽管道采用的是ASTM A335 P92钢等，因长期在作业环境恶劣情况下运行，如高温、高压、火焰、烟气、飞灰等，不但会使材料结构及性能发生变化，而且会随运行时间的加长、机组的频繁起动等，在产生疲劳损伤同时，微观组织也会产生劣化或蠕变损伤等情况，加大了锅炉安全运行和检修管理的难度。因此对高温炉管实施状态监测和寿命评估，以劣化状态测量或评估值为基础，对故障发生期进行正确的预测，是保证锅炉安全运行和做好高温部件劣化趋势管理的较好方法。

（2）实施在线动态评估和监测 根据锅炉的设计、制造、安装、运行工况等技术资料，发电厂建立了锅炉的材料、强度、性能等技术参数数据库，并结合生产实际需求完成了锅炉状态监测模型、寿命评估模型、氧化皮脱落预测模型等内容的研究与开发，研制出一套适宜机组实际运行要求的设备可靠性寿命预测管理系统，以及设备保养和检修工作质量控制集成系统，不但实现了可在线动态评估高温炉管的工作状况，还可进行其他高温部件的技术状态监测。为保证机组的安全运行和适时进行检修工作，提供了科学依据，有效降低了四管发生泄漏的风险，提高了设备运行的安全性，实现了以状态监测为基础的设备维修管理。

1）采取离线诊断技术。实施锅炉设备离线诊断技术，是发电厂在实施在线监督技术基础上逐步建立的，需要检查和监测的内容主要有：宏观检查、无损检测、理化分析、支吊架管系统的检查等。通过进行现场检验和实验室分析，进一步掌握设备的性能情况和技术状态数据等。开展离线诊断应提前做好以下工作：摸清锅炉设备运行时的基本情况和特点，特别是重点零部件，如主蒸汽管道、热力管道、过热器出口集箱及其他新材料部件等，都应逐一进行检验；对施工中的遗留缺陷或运行中的新生缺陷等，不但要认真检查和分类，还应采取措施及时进行消缺；可根据类似锅炉设备发生缺陷情况，及时采取有针对性的防范措施，以防止类似事故发生。

2）优化检修模式。发电厂优化设备检修模式的基本思路，主要是通过以“管”为主的检修策略及针对发电设备特点，制定出能进行优化检修的管理模式，使设备的可靠性和经济性得到最佳结合。

①及时提供设备技术状态信息。发电厂根据生产系统庞大和连续生产等特点，将全部设备按照不同的重要程度进行分类，实施了对不同类别设备采用不同的检修与管理，即根据状态监测和诊断技术提供的设备技术状态信息，正确判断设备异常情况，预知设备故障或劣化发展趋势，在故障发生前就进行检修的方式。例如：有的锅炉辅助设备采用的是定期检修方式，有的采用的是状态检修方式，还有采用故障检修方式等，无论采用哪种检修方式，都应达到使设备检修方法能逐步形成一套融定期检修、状态检修、改进性检修和故障检修为一体的优化检修模式的目的，使检修目标更加明确，检修人员的工作效率得到提高。

②优化检修模式管理是一个不断补充和变化的过程。例如，现在看来是比较好的优化方案，也许会随时间的推移、生产状况的不断改变，以及设备状态诊断和劣化倾向管理工作的逐步深入，不再满足生产实际需求，原来制订的检修方案可能要修改。同时，随着企业的设备动态管理工作水平不断提高，以及设备技术改造工作速度的逐步加快，原来制订的检修周期也可能会延长等，检修方案也会随之发生改变。所以优化检修模式管理是一个动态的、需要不断组合的过程，只有不断的修改和不断的完善，才能不断提高检修水平和实现优化检修模式的目的。

③取得的效果：

a.发电厂的锅炉机组通过实施优化检修模式，对各层次管理、维修人员不断进行有针对性的技术培训，进一步贯彻和树立优化锅炉状态检修思想的重要性和必要性，使员工在更加了解优化检修工作内涵及重要性基础上，能更加明确自己的工作职责和目标。例如实施优化检修需要投入哪些技术和物质资源，需要掌握哪些必要的专业技能，在职责范围内实施优化检修，企业和个人会获得哪些潜在的经济利益等，使各级管理人员在深入了解开展优化检修意义的同时，在检修策略调整和推广实施中都能充分发挥主观能动性作用。员工之间的工作能更加相互支持与配合，在各自的职责范围内，共同促进了优化检修工作的顺利开展。通过对设备实施恰到好处的检修，不但节约了检修成本，也极大提高了设备运行的可靠性。企业每年仅此产生的经济效益高达8000多万元，实现了在设备管理工作中追求最佳经济效益的目的。

b.发电锅炉设备的维修周期制订应根据本厂发电机组的设备结构特点和实际运行情况来定，不能完全照搬他人经验，否则就会出现检修资源的浪费或不足，以及维修费用上升和设备利用率下降等问题。