锅炉防磨防爆分析与可视化四管泄漏预警系统

高殿波朱振武李永生兰俊生周健王献文赵

(国电内蒙古东胜热电有限公司内蒙古鄂尔多斯017000)

摘要：针对燃煤火力发电站，分析锅炉四管泄漏的原因，制定管壁减薄分析、报警诊断和预防策略，建立可视化的模型，利用大数据实时分析和CFD模拟手段，实现三维可视化锅炉防磨防爆的智能管理。结果表明造成四管泄漏的主要原因包括超温、磨损、腐蚀、疲劳、焊口、设计制造安装缺陷这六大类。防磨防爆的专家管理系统包括设备管理、检修管理、运行管理等模块。结合锅炉三维结构，建立锅炉四管1:1的三维模型，提供360的立体展示。建立锅炉四管三维设备数字化台帐，包括设备档案、运行管理记录、检修检查记录、超温超限记录、泄漏爆管记录、焊缝管理、换管割管、技改情况等。根据积累的大量数据，利用大数据技术和CFD模拟，引入汽水温度、CO浓度、锅炉负荷、燃煤煤种、烟气温度、蒸汽温度、颗粒浓度、烟气速度、水质、焊口记录等对锅炉四管的健康水平进行大数据分析和定量评价。建立三级预警功能和定位功能，用不同的颜色，直观地展示三维虚拟电厂四管的设备寿命评价。

关键词：燃煤火力发电；金属监督；四管泄漏；防磨防爆；可视化监控；智能诊断

1引言

对于燃煤火力发电机组，大约70%的事故来自锅炉侧，锅炉侧一旦发生事故，70%的原因是四管泄漏[1-3]。过热器、再热器、省煤器、水冷壁四类管（简称“四管”）泄漏或爆破事故导致停机停炉，给机组的安全稳定运行造成重大的不利影响[3-6]。锅炉四管在运行过程中，长期在高温、高速、高浓度颗粒物烟气中运行，环境恶劣，金属容易发生蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等多种问题[4-7]。因此有必要针对锅炉四管泄漏的原因，制定管壁减薄分析和预警预防策略，完善设备台帐信息，利用大数据、CFD模拟和可视化的模型，实现锅炉防磨防爆动态管理、提前预警和标准化检修。

本研究针对燃煤火力发电站，分析锅炉四管泄漏的原因，制定管壁减薄分析、报警诊断和预防策略，建立可视化的模型，利用大数据实时分析和CFD模拟手段，实现三维可视化锅炉防磨防爆的智能管理。本文的分析有助于了解锅炉四管泄漏的原因及防磨防爆的管理策略，通过三维可视化手段对设备台帐和动态信息进行直观展示，利用大数据分析和检修标准化作业，实现锅炉四管的智能安全管控。

2四管泄漏的原因分析

四管泄漏的原因包括长期过热、短期过热、磨损、水汽侧的氧腐蚀、碱性腐蚀、氢损伤、吹灰腐蚀、吹灰冲蚀、向火侧腐蚀、掉渣冲蚀、点蚀、低温腐蚀、飞灰腐蚀、应力腐蚀裂纹、煤粒磨损、热疲劳、腐蚀疲劳、机械疲劳、高温腐蚀、异种金属焊接质量、石墨化等[2-7]。

造成材料组织与性能变化的主要原因可分为6类，包括超温、磨损、腐蚀、疲劳、焊口、设计制造安装缺陷，具体原因包括：

（1）在超温监测过程中，测点的分布相对较少，造成对壁温的监测偏差大。过热器、再热器超温的主要原因是高温状态下形成的氧化皮脱落堵塞，造成管件的短时超温。水冷壁超温的主要原因是水冷壁结垢。

（2）磨损监测中，长期飞灰磨损会造成管壁变薄，强度降低，高发于高温段省煤器，过热器和再热器的进口处。实际使用过程中，吹灰磨损是造成受热面爆管主要原因，尤其是吹灰器卡涩数小时的情况，很容易造成管件泄漏。

（3）高温腐蚀主要集中在过热器、再热器管道高温区域。硫酸盐在附着层中呈熔融状态，形成反应速度很快的熔盐型腐蚀。经过低氮燃烧改造后，锅炉水冷壁高温区形成还原性氛围，造成腐蚀减薄现象。低温腐蚀主要集中在省煤器管道，低于硫化物露点温度，形成熔融状态附着物，造成省煤器管道腐蚀减薄。腐蚀爆管具有突发性，一旦发生，受热面将大面积损伤。

（4）对于焊口管理，焊口的焊接质量存在焊缝未完全融合、焊口裂纹等现象。异型焊接在高温高压工作环境下运行，容易应力撕裂，造成泄漏与爆管。焊口由于数量多、位置分布不规律，造成监测难度大。

3可视化的四管数据库管理

图1示出以设备管理为核心，搭建防磨防爆的专家管理系统，包括设备管理、检修管理、运行管理、设备检测、统计分析和预警等模块。图2示出结合锅炉三维结构，建立锅炉四管1:1的三维模型，以颜色区分不同的管道，提供360的立体展示。通过直观地展现锅炉设备构造，锅炉生态运行场景，为防磨防爆工作提供全面的信息化管理。

图1锅炉防磨防爆的专家管理系统

图2三维可视化的锅炉四管

结合锅炉实际运行情况，建立锅炉四管三维设备数字化台帐，包括设备档案、运行管理记录、历次检修检查记录、超温超限记录、减薄记录、泄漏爆管点记录、焊缝管理、换管割管、预警信息、历史技改情况等。在数字化图档中，将二维和三维设计图纸、运行规程、操作规范、检查分析报告、设备维修记录、评估报告、同业对标数据等档案与设备关联，进行综合管理。

实时获取DCS的汽水、烟气的温度和压力，负荷，壁温等测量数据，自动对监测点进行超温、超压统计，包括持续时间、最高幅度和平均幅度。从多个维度掌握锅炉状态，为运行提供实时预警，为锅炉检修提供科学指导，实现机组安全经济运行。

将四管的设备管理做到管道级和焊口级，关联锅炉每一根管子的材质、外观、壁厚、外径、规格、图纸、厂家等设计资料，以及每一次检查、改造、变更与异常记录等运维信息。

4智能诊断与预警检修管理

结合四管运行时间和健康状态，利用检修规程建议和趋势分析，制定防磨防爆的预警规则。根据积累的大量数据，利用大数据技术和CFD模拟，引入汽水温度、CO浓度、锅炉负荷、燃煤煤种、烟气温度、蒸汽温度、颗粒浓度、烟气速度、水质、焊口记录等对锅炉四管的健康水平进行大数据分析和定量评价。

基于锅炉四管数据库，对四管的蠕变、磨损、腐蚀、超温、氧化皮脱落以及管件寿命作出三维直观的预警。通过实时采集壁温测点，并结合温度场计算模型，实时显示集箱出口处的温度分布情况。图3示出将集箱出口处每一排、每一根的温度信息进行计算与展示，同时将温度信息以热力图形式进行展现。通过超温分析，实现对各承压部件的超温次数、超温最值、超温时长等数据进行统计，协助锅炉防磨防爆管理人员判断锅炉设备的健康状态。

图3锅炉四管温度场分布展示

建立三级预警功能和定位功能，用不同的颜色，直观地展示三维虚拟电厂四管的评价，包括一般、严重、危险的防磨防爆预警。通过对运行管理提供超温、磨损、腐蚀重点区域提醒，能够提高四管的防磨防爆管理水平和寿命预测的准确性，减少爆管事故的发生。

根据超温情况、磨损情况、腐蚀情况生成检修前重点检查部位评估报告，根据评估报告与设备遗留缺陷、检修规程智能推荐检查点。结合分析诊断和预警结果，基于检修规程标准、历史遗留缺陷、锅炉超温、减薄情况，智能快捷地生成检修计划，降低漏项和缺项的情况。

标准化、流程化的锅炉检修计划和规范作业，为电厂合理安排检修时间和检修位置提供了精确的参考和指导，减少盲目检修的次数和定期割管的数量。通过有目的、有针对地安排壁厚测量，修正预测数据，逐步完善四管的历史曲线和全寿命周期管理。

5结论

针对燃煤火力发电站，分析锅炉四管泄漏的原因，制定管壁减薄分析、报警诊断和预防策略，建立可视化的模型，利用大数据分析和CFD模拟手段，实现三维可视化锅炉防磨防爆的智能管理。结果表明：

（1）四管泄漏的原因包括长期过热、短期过热、磨损、水汽侧的氧腐蚀、碱性腐蚀、氢损伤、吹灰腐蚀、吹灰冲蚀、向火侧腐蚀、掉渣冲蚀、点蚀、低温腐蚀、飞灰腐蚀、应力腐蚀裂纹、煤粒磨损、热疲劳、腐蚀疲劳、机械疲劳、高温腐蚀、异种金属焊接质量、石墨化等。造成材料组织与性能变化的主要原因可分为6大类，包括超温、磨损、腐蚀、疲劳、焊口、设计制造安装缺陷。

（2）过热器、再热器超温的主要原因是高温状态下形成的氧化皮脱落堵塞；水冷壁超温的主要原因是水冷壁结垢。吹灰磨损是造成受热面爆管主要原因。过热器、再热器管道高温腐蚀的主要原因是熔盐型硫酸盐腐蚀；水冷壁高温腐蚀的原因是低氮燃烧器改造后的还原性氛围造成的腐蚀减薄。低温腐蚀的原因是低于硫化物露点温度的湿烟气在省煤器管道上形成熔融状态的硫化物附着物。异型焊接在高温高压工作环境下运行，容易应力撕裂，造成泄漏与爆管。

（3）防磨防爆的专家管理系统包括设备管理、检修管理、运行管理等模块。结合锅炉三维结构，建立锅炉四管1:1的三维模型，提供360的立体展示。建立锅炉四管三维设备数字化台帐，包括设备档案、运行管理记录、检修检查记录、超温超限记录、泄漏爆管记录、焊缝管理、换管割管、技改情况等。

（4）根据积累的大量数据，利用大数据技术和CFD模拟，引入汽水温度、CO浓度、锅炉负荷、燃煤煤种、烟气温度、蒸汽温度、颗粒浓度、烟气速度、水质、焊口记录等对锅炉四管的健康水平进行大数据分析和定量评价。建立三级预警功能和定位功能，用不同的颜色，直观地展示三维虚拟电厂四管的寿命评价。通过有目的、有针对地安排壁厚测量，修正预测数据，逐步完善四管的历史曲线和全寿命周期管理。

参考文献:

[1]叶华浩,杨利,韩云鹤,李文,赵俊杰.600MW火电机组排烟烟色偏黄偏浓的分析与优化[J].工业B,2016,1(12):159-160.

[2]李孟周,伏劲宇,杜杰,张毅龙,兰俊生,赵俊杰.燃煤火电集控运行精益化管理提升策略研究[J].电力设备,2017,(34):230,232.

[3]赵俊杰,罗立权，吴豪，沃海乔，叶华浩，王如良.过量空气系数对燃煤电站锅炉热效率和脱硝的影响[J].锅炉技术,2015,46(3):30-34,39.

[4]朱盈,蒋和定,张继东,嵇银辉,赵俊杰.超超临界二次再热的结构与运行分析[J].城市建设理论研究,2016,6(12):368-369.

[5]崔烽,曹怿,嵇银辉,竹庆,赵俊杰.燃煤火电机组锅炉酸洗与冷热态冲洗分析与优化[J].科研,2016,13(12):49,51.

[6]谢国峰,任杰,李建军,沈跃军,杨伟才,赵俊杰.亚临界火电机组墙式再热器高温腐蚀分析及优化[J].防护工程,2017,(36):231.

[7]朱小军,吴潮德,金黎炜,葛宏敏,赵俊杰.直流锅炉一次风与二次风配比分析及风煤比优化[J].工程技术,2016,4(10):297-298.