1、前言
    鍋爐受熱面失效問題（一般也稱為“四管爆漏”）一直被列為火力發電廠生產運行中第一位的沒備事故。作為電網主力機組之一的300MWUP型直流鍋爐機組，由于設計、制造、施工、檢修、運行和管理等諸多原因，自投運以來鍋爐頻繁發生水冷壁超溫爆管、拉裂泄漏以及過熱器、再熱器超溫爆管和省煤器磨損等事故，嚴重影響了機組的安全穩定運行。據有關資料統計，華東電網1996年200MW以上機組共發生非計劃停機357臺次，累計停運4  326. 7h，其中鍋爐事故1 98臺次，占總停運小時的77.05%。因此，減少鍋爐四管爆漏次數，降低鍋爐強迫停運時間，是提高鍋爐運行可靠性和經濟性的關鍵。
2、1025t/h UP直流鍋爐設計特點及存在的主要問題
2.1設計特點
    該鍋爐采用了單爐膛結構，使鍋爐在燃燒、膨脹、密封和爐墻剛性等方面均獲得了改進。整個爐膛水冷壁下輻射劃分為52個并聯的回路（包括四墻切角在內），采用三級中間混合，爐膛水冷壁在下輻射各管屏進口處原設計采用52只節流閥，作為調整爐膛水動力分配之用。
    在鍋爐水冷壁四周設置了剛性梁，其作用是防止爐膛受壓變形或破壞，并固定鍋妒膨脹中心，將地震時產生的載荷和風載傳遞到鋼架上面去。SG l 025t/h直流爐爐膛壓力按6.695kPa考慮，剛性梁最大間距為1.9m。沿爐膛高度沒有3層導向裝置，標高為50m、38m和14m。通過抗剪件與水冷壁連接在一起，以固定爐膛膨脹中心。
    過熱器受熱面按輻射-對流布置方式，其汽溫特性隨負荷變化比較平緩。本鍋爐的過熱器共有四級，即低溫過熱器、分隔屏過熱器、后屏過熱器和高溫過熱器，其主要設計特點；富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    (1)屏式過熱器受熱面布置為分隔屏、后屏串聯結構。這樣的結構使得屏式過熱器輻射特性好，汽溫特性平穩。分隔屏沿爐寬在頂部均勻布置4片，使其能旋轉的煙氣上升到屏區時，分割煙氣旋流，達到均流的目的，從而改善爐膛出口的熱力偏差。分隔屏屬輻射式過熱器，后屏屬半輻射式過熱器，采用這樣二級受熱面，使輻射過熱器的每一級內焙增減少，使之可以減少其熱偏差，使屏式過熱器工作更加安全可靠。
    (2)屏式過熱器與高溫過熱器采用典型的止幌結構及管間滑動定位結構。屏式過熱器的冷卻，采用了較高的工質質量流速以提高屏式過熱器的可靠性。在設計煤種100%負荷時的后屏過熱器的質量流速為1004kg/m2s，比一般的鍋爐略高些。
    (3)過熱器結構設計時，對流受熱面采用了大門徑管子以增強結構剛性，減少飛灰磨損，降低蒸汽流通阻力。所有過熱管束均采用順列布置，并在尾部豎井煙道的管束兩端設置阻流板及定位管等以消除煙氣走廊，降低飛灰磨損。
2.2存在的主要問題
    目前該爐型存在的主要技術缺陷主要體現在以下幾個方面：
    (1)水冷壁管由于采用小管徑，熱敏感性很大，這使鍋爐在低負荷運行時，容易引起管壁超溫。直流鍋爐各點溫度是由煤水比來控制的，隨著鍋爐負荷的減低，鍋爐受熱面內工質的速度也相應地減慢，通過各段受熱面的時間增長，延遲增大，而使鍋爐的可控性變差。
    (2)鍋爐啟動旁路系統采用了外置式啟動分離器，這給鍋爐的啟動和停爐帶來了復雜的操作。
    (3)F輻射引入管上的節流調節閥，其調節管屏的工質流量是按鍋爐帶基本負荷時，爐墻熱負荷分布的規律進行的。但隨著鍋爐負荷的的降低，爐墻熱負荷的分布將更趨不均勻，且分布無一定規律可取，使管屏內工質流量不能與熱負荷相匹配。
    (4)當燃燒發生擾動時，爐膛水冷壁內工質溫度反應迅速，大幅度地波動使局部產牛熱應力，造成部件和水冷壁損壞。
    (5)直流爐因無汽包進行排污，因而對水質的要求較高。
    (6)電廠燃煤管理的逐步放開，使各電廠的煤源增多，煤質不再單一，因而經常會使直流鍋爐偏離設計煤種運行。
3、直流鍋爐受熱面失效情況統計分析
3.1鍋爐受熱面總體失效情況
    對300MW機組鍋爐受熱面總體情況的統計，由圖1可以發現：鍋爐受熱面的失效情況在1995年發生頻率比較高，到1 996年有所好轉，但從1997年開始，又呈現逐年上升的態勢。究萁原因，主要是鍋爐設備在設計、制造和安裝等方面存在一些問題，如分隔屏在投產時發生大面積爆管是因為分隔屏集箱內部隔板焊接強度不夠，造成隔板傾倒，使分隔屏受熱面蒸氣短路過熱而爆管；其次是兇為鍋爐制造工藝的問題，如高溫過熱器等受熱面上千只中頻焊U不合格，給運行帶來了隱患；再者足因為運行等方面造成的受熱面失效，如運行人員經驗不足、快速熱態啟動等都是造成受熱面失效率較大的原因。
3.2鍋爐受熱面失效原因分析
    為了對受熱面失效的發生原因有一個理性和客觀的了解和評價，作者對常熟發電廠的4臺1 020t/h UP型直流鍋爐，從1994～1999年6年時間中受熱面運行情況進行了詳細的統計和分析，從而對H前電網中作為主力機組的300MW直流機組的可靠性有了個概況性的了解，也為接下來的試驗研究工作打好了基礎。從統計的結果來看，水冷壁的泄漏是造成直流鍋爐可靠性差的主要原因，其它依次是過熱器、再熱器以及其它承壓部件的失效。其中：
    (1)水冷壁的失效形式主要表現為由膨脹不暢引起的梳形板拉裂和鰭片拉裂，其中鰭片拉裂除了由水冷壁與包復的拼縫拉裂引起外，還有一些是由管屏間的鰭片拼縫拉裂所引起。
    (2)對于過熱器而言，頂棚過熱器、包復過熱器和高溫過熱器的泄漏發生率相對較高，且其失效形式在4臺鍋爐上具有典型性和普遍性。通常會在幾臺鍋爐上，在一個時間段中，先后產牛同樣的失效情況。頂棚過熱器的失效主要是其進口集箱引出管角焊縫發生泄漏，還有其中間集箱進出口管座角縫的泄漏；包復過熱器的失效主要有2種形式：一是與水冷壁拼縫拉裂導致包復管泄漏；二是包復環型集箱管座角焊縫裂紋泄漏；高溫過熱器的泄漏基本上只有一個情況，即是高溫過熱器進口集箱出口管系管座角焊縫裂紋泄漏。
    (3)對于高溫再熱器和低溫再熱器，其失效的主要形式有2種：一是冉熱器穿頂的高冠密封與再熱器管的密封焊縫拉裂，再熱器管造成泄漏，二是頂棚密封鰭片同再熱器管壁碰擦使得再熱器管壁強度不夠而泄漏。
4、直流鍋爐受熱面失效現象的試驗研究
    作為研究工作的重點，作者對典型的受熱面失效現象丌展了一系列的熱力試驗，得到了大量寶貴的現場數據。具體的試驗項目及其主要研究結論見表1。研究過程中主要采用了基本于實測受熱面溫度場分布情況而進行的有限元計算和其它熱力計算方法；現場數據采集主要使用總參南京工程兵工程學院微機測控技術研究所的IDCN分布式智能數據測控網絡（893網絡），數據采集均由計算機控制。
    表1中，造成鍋爐各受熱面失效的原因幾乎都可以歸結為受熱面的膨脹問題，而鍋爐的熱態膨脹是一個無法回避的客觀事實。對受熱面來講，如何使其膨脹不受阻，機組運行過程中所受熱應力在其許用應力范圍內，是保證鍋爐正常運行的前提，也是本文研究的重點。從各項試驗的結果來看，受熱面的熱偏差造成了受熱面膨脹的不均衡，運行過程中經常會發生局部應力遠遠大于許用應力的情況，其后果就是使受熱面長期處于疲勞狀態，最終導致失效的發生。其次是受熱面結構的設計災合理，有戈設計裕最放得不夠，對鍋爐在變工況下運行時受熱面所受熱應力的變化幅值未給予充分的考慮。
5、提高1025t／h直流鍋爐受熱面可靠性的改進措施
    經過大量的試驗分析可知，鍋爐熱偏差以及受熱面結構設計欠合理是造成1025t/h直流鍋爐受熱面頻繁失效的二大主要原因。因此根據不同情況，對不同類型受熱面進行改進以及對鍋爐運行的有關工況進行優化調整是切實提高鍋爐受熱面可靠性的有效途徑。我們在試驗中發現，鍋爐熱偏差與鍋爐本身的技術局限性有關，盡管通過空氣動力場以及水動力場的調整，可以使鍋爐滿足運行，但這些冷態的調整本身也存在著各種技術上的不足，再加上鍋爐運行過程巾因為設計原因所存在的流量分布不均勻和燃燒過程中產生的各種偏差，嚴重情況下就會產生受熱面失效，致使鍋爐受熱面爆管泄漏。對于受熱面結構問題，可通過試驗和計算，了解受熱面結構的受力情況，在滿足安全運行的前提下，通過有針對性的結構改造·使受熱面的應力分布趨于合理，保證受熱面的安全運行。
    由于要在平時生產過程中對鍋爐受熱面進行大規模的硬件改造，是不太現實的，所以在本文中，基于對受熱而的試驗分析，對失效率較高的典型受熱面基本上都實施了不同程度的局部改進。具體措施包括：對燃燒系統進行改造，將燃燒器一、二次風噴口反切布置，改進爐內流場分布；改進水冷壁剛性梁內綁帶結構，消除上輻射梳形板拉裂；對水冷壁與包覆拼縫進行改進，以減少水平煙道的熱膨脹及由于拼縫兩側溫差造成的熱應力；改進包覆過熱器的結構，消除系統熱應力和接管根部角焊接應力；改進再熱器結構，消除低溫再熱器管和省煤器懸吊管間的熱應力等。
    通過數年來所實施的一系列改進，常熟發電廠4臺直流鍋爐的運行已開始進入穩定和高效期，各類受熱面失效的發生極為有限，鍋爐機組可靠性的提高是非常顯著的。
6、結論
    就總體而言，1025t/h直流鍋爐的水動力特性基本上是穩定的，大繁的試驗多次證實了這一點，鍋爐水冷壁在全負荷范圍內末出現停滯、倒流或整體的脈動現象。由于直流爐對熱負荷的敏感較強，鍋爐啟停或升降負荷過程中南于磨煤機的切換引起爐胖內燃料量的突變，使水冷壁受熱面頻繁地承受了巨大的熱沖擊，運行操作中在短時間內出現的燃水比失調以及爐膛火焰偏斜更是加大了這種熱沖擊的力度，使燃燒系統的變工況運行直接加劇了水冷壁熱負荷分布的小均勻性，反映到水冷壁的溫度變化上，就是水冷壁受熱面上的熱偏差和溫度波動非常嚴重。水冷壁出口的溫度偏差和波動不儀導致了頂棚過熱器入口集箱引出管系的熱偏差，而且從試驗中還發現，這種溫度偏差和波動還波及了在流程后面的包復過熱器。可以這樣說，爐膛熱負荷分布的不均勻是鍋爐熱偏差發生、發展的主要根源。另外，由于鍋爐四角切圓燃燒，其所帶來的在爐膛出口有的煙氣不平衡特性，也直接導致和加劇了過熱器、再熱器受熱面的吸熱不均。熱偏差所造成的頻繁的巨大瞬間熱應力成了過熱器、再熱器迅速失效的主要原因之一。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。