國產300MW和600MW電站鍋爐可靠性研究

可靠性工程技術是為了提高產品的可靠性要求而發展起來的新興科學，是一門綜合了統計學、概率論、控制論、計算機技術等眾多科學成果，以提高產品的可靠性為出發點的邊緣科學。它著重研究產品或系統的故障原因、處理和預防措施，提高產品的可靠性，延長使用壽命、降低維護費用、提高產品的使用效益。
可靠性是衡量電站鍋爐設備質量的重要技術經濟指標。隨著科學技術的不斷發展和大型火電機組裝機容量的增加以及自動化水平的提高，電站鍋爐的可靠性問題已日益引起製造廠家和電力部門的重視。電站鍋爐體積大、批量小、可修復、系統複雜、晝夜連續運行，設備損壞后將造成巨大的經濟損失且後果嚴重。因此，必須高度重視電站鍋爐設備質量，加強可靠性工程技術研究，其發展過程也可以看作是其產品故障逐步被解決、設備性能逐步完善、可靠性逐步提高的過程。特別是在電站鍋爐的性能參數日益提高、設備結構日趨複雜的情況下，探討和研究提高電站鍋爐設備的可靠性將是一項非常重要的工作。目前，國內外電站鍋爐設備招標中均有具體的可靠性指標的要求，可靠性已逐漸成為電站鍋爐設備市場競爭的焦點和電站用戶選擇鍋爐設備的重要依據之一。因此，探討和研究電站鍋爐設備的可靠性及提高可靠性的對策，就顯得十分必要。

1　可靠性對經濟性的影響

可用係數是衡量發電設備可靠性的一項重要指標，可用係數的高低對於國民經濟有著重大影響。若將我國發電設備的裝機容量按2.3億kW計算，如果其可用係數提高1%，則每年可以多發電201.5億kW*h，相當於一個可用係數為85%、裝機容量為2705MW的發電廠一年的發電量。我國每1kW*h電的發電利潤及其產生的社會產值在不同地區有所不同，每1kW*h電的發電利潤如按0.04～0.08元計，則一年可多增發電利潤8.76億～17.52億元；若每1kW*h電創造的社會產值按4～8元計，則可增加社會產值約876億～1752億元；若新建電廠的造價按2000元/kW計，則可節約投資54.1億元。由此可見，提高發電設備的可靠性將產生巨大的經濟效益和社會效益。

2　電站鍋爐可靠性指標

按照國家「七五」攻關項目「發電設備可靠性分析研究」的要求，由原機械工業部上海電站設備成套設計研究所負責制定了《鍋爐可靠性評定規範》。
根據該《規範》的規定，電站鍋爐的設備狀態可按圖1所示的狀態來劃分：

2.1　電站鍋爐可靠性技術指標
按照該《規範》的規定，有關電站鍋爐可靠性的幾個技術指標定義如下：
a.可用小時(AH)：電站鍋爐處於可用狀態的小時數;
b.備用小時(RH)：電站鍋爐處於備用狀態的小時數;
c.計劃大修停運小時(OOH)：電站鍋爐處於計劃大修狀態的小時數;
d.計劃小修停運小時(ROH)：電站鍋爐處於計劃小修狀態的小時數;
e.節日檢修停運小時(HOH)：電站鍋爐處於節日檢修狀態的小時數;
f.強迫停運小時(FOH)：電站鍋爐處於強迫停運狀態的小時數;
g.維護停運小時(MOH)：電站鍋爐處於維護停運狀態的小時數;
h.統計期間小時(PH)：電站鍋爐處於使用狀態的小時數。
2.2　電站鍋爐故障分類
按照該《規範》的規定，將電站鍋爐的故障分為如下4類：
a.致命故障：評定產品在運行或啟停過程中鍋爐爐膛爆炸的故障；
b.嚴重故障：由評定產品引起機組非計劃停運的故障；
c.一般故障：由評定產品引起機組出力降低但沒有造成機組非計劃停運的故障；
d.輕微故障：評定產品損壞不嚴重、不影響機組出力的故障。
2.3　電站鍋爐可靠性評定項目
《規範》中規定，以可用係數AF作為電站鍋爐可靠性的評定項目。所謂可用係數AF，是指電站鍋爐在規定的使用條件下及規定的時間內，其固有可用小時數AH₀和可靠性評定期小時數PH₀之比。亦即：

AF=AH₀/PH_o×100%=［PH_o-(FOH_o+MOH_o+ROH+HOH)］/PH_o×100%=［PH-
(FOH_o+OOH+ROH+HOH)］/(PH-OOH)×100%
(1)

式中　AH_o——固有可用小時數，
　AH_o=PH_o-(FOH_o+MOH_o+ROH+HOH)=PH-(FOH+MOH+OOH+ROH+HOH)；
(2)
　PH_o——產品可靠性的評定期小時，
　PH_o=8760×N=PH-OOH
(3)
　N=1～4a,PH=8760N+OOH；
(4)
　FOH_o——由於產品設計和製造缺陷引起的強迫停運小時數；
　MOH_o——由於產品設計和製造缺陷引起的維護停運小時數；
　OOH——電站鍋爐處於計劃大修狀態的小時數；
　ROH——電站鍋爐處於計劃小修狀態的小時數；
　OHO——電站鍋爐處於節日檢修狀態的小時數；
　PH——電站鍋爐處於使用狀態的小時數。
對於被評定的電站鍋爐而言，在評定期間內其可用係數AF愈高，則意味著其實際運行的可靠性愈好。
2.4　修正係數
《規範》中規定，電站鍋爐的修正係數可以由評定單位根據實際情況選取，對於煤質、負荷等隨時間變化的因素，只要符合表1中條件的運行天數超過評定期總運行天數的1/3以及給水水質超標時間大於製造廠產品說明規定的時間，就可以按表1中有關的條件選取修正係數加以修正。

表1　電站鍋爐的修正係數

名稱符號條件係數值爐形修正係數 K₁ 汽包爐
直流爐和液態排渣爐 1.00
0.99 燃料種類修正係數 K₂ 燒油或燒天燃氣
燒煙煤
燒褐煤或無煙煤
燒劣質燃料［含硫(Sar)高於2.5%或發熱量＜1465kJ/kg］ 1.02
1.00
0.99
0.98
使用偏離設計煤種的修正係數 K₃ 含硫量(Sar):使用-設計≥或含灰份(Aar):使用-設計≥10%或發熱量(Qnet,ar)：｜使用-設計｜≥4187kJ/kg 0.99 低負荷
修正係數 K₄ 調峰幅度＞40%的機組 0.99 給水水質
修正係數 K₅ 硬度或溶氧超標^* 0.99注:*—超過SD163中規定的數值

2.5　電站鍋爐可靠性分級指標值AFe
按照該《規範》的規定，電站鍋爐可靠性分級指標AFe如表2所列。
在實際計算過程中，若AF(T)≥AFe，則說明該產品的可靠性達到要求；反之，若AF(T)＜AFe，則說明該產品的可靠性未達到要求。

3　影響電站鍋爐可靠性的薄弱環節分析

根據《規範》中對於電站鍋爐的設備狀態的劃分，電站鍋爐的不可用時間包括計劃停運時間和非計劃停運時間兩部分。其中，計劃停運屬於預防維修，是按照《發電廠檢修規程》(SD230-87)安排的；而非計劃停運則屬於事故維修，主要是由於電站鍋爐的可靠性問題所造成的。通常把影響非計劃停運時間比較長的部件或設備稱為電站鍋爐可靠性的薄弱環節或關鍵設備。

表2電站鍋爐可靠性分級指標

機組功率(MW) AFe 合格良好優等 ≤200 84 90 93 ≥300 83 89 92
3.1　電站鍋爐可靠性的薄弱環節
表3給出了電站鍋爐部件非計劃停運時間占鍋爐總的非計劃停運時間的百分比的統計結果。由表3中可以清楚地看到，在電站鍋爐非計劃停運時間中，因水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器故障引起的非計劃停運時間占鍋爐非計劃停運時間的84%以上。這表明水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器等「四管爆破」是電站鍋爐可靠性的薄弱環節。

表3　部件非計劃停運時間占鍋爐非計劃停運時間的百分比

部　件　 A類 B類 C類水冷壁 18.47 41.38 20.26 省煤器 30.81 14.20 12.75 過熱器 22.46 27.17 32.75 再熱器 13.26 2.66 18.91 其　他 15.00 14.59 15.33 鍋　爐 100　 100 100
3.2　國產300MW和600MW電站鍋爐可靠性的薄弱環節
我國自20世紀80年代初引進美國ABB-CE公司300MW、600MW亞臨界壓力控制循環鍋爐設計製造技術以來，現已穩步進入以300MW和600MW電站鍋爐為主導產品的大容量引進型的鍋爐設計製造的完善期。在已生產的鍋爐機組中，就工質循環方式而言，有自然循環型和控制循環型；就燃用的煤種而言，有無煙煤鍋爐、貧煤鍋爐、劣質煙煤鍋爐、煙煤鍋爐以及褐煤鍋爐等，從而形成了門類齊全、系列完善的鍋爐產品系列。其設計製造既保持了ABB-CE公司技術的基本特色，也綜合了幾十年來200MW以下容量級國產電站鍋爐成功的設計、製造經驗，從而保證鍋爐在其安全性、經濟性和可靠性等各方面均有了較大的提高，並得到用戶的認同。
由於電站鍋爐產品的特殊性，不論是國產電站鍋爐還是進口電站鍋爐，都或多或少地存在一些設計製造以及安裝等方面的質量問題，這些問題必將影響鍋爐運行的可靠性。國產300MW和600MW電站鍋爐同樣也存在著一些質量問題。特別是近年來，隨著市場經濟的逐步完善，電站鍋爐行業的市場競爭日趨激烈，而產品的可靠性作為評價產品質量的主要指標已成為影響產品市場佔有率的主要因素。為了提高產品的質量，我們對國產300MW和600MW電站鍋爐的質量問題進行了詳細的調查和分析，發現除了前面提到的水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器等「四管爆破」以外，尚有如下幾個對於鍋爐可靠性影響較大的薄弱環節：
a.左右兩側煙溫、汽溫偏差問題。這個問題實際上是採用四角切向燃燒方式的大容量電站鍋爐的通病。由於四角切向燃燒的特點，在上爐膛及水平煙道中，左右兩側煙氣的溫度、煙速及流量均有較大的偏差，進而造成各級受熱面沿煙道寬度方向上的汽溫偏差較大，甚至由此而引起某些區域內受熱面的超溫爆管；
b.水冷壁管高溫腐蝕問題。這個問題主要發生在燃用含中、高硫分煤種的貧煤型鍋爐上。在燃燒器區域貼近水冷壁處，在還原性氣氛較濃的情況下，燃料中的可燃硫在高溫條件下，對水冷壁管產生腐蝕；
c.擺動式燃燒器的擺動不靈活問題。這個問題是在役鍋爐中最為常見的問題之一。在熱態工況下，四角切向燃燒鍋爐的燃燒器擺動不靈活，出現卡澀、卡死現象，從而造成對於再熱汽溫的調節手段失靈；
d.空氣預熱器漏風偏大問題。目前國產迴轉式空氣預熱器普遍存在著漏風率偏大的問題，嚴重地影響了國產300MW和600MW電站鍋爐的整體性能。

4　國產電站鍋爐可靠性指標

表4所列為部分國產300MW電站鍋爐的各項可靠性指標。由表中數據可以看出：在抽檢的5台300MW電站鍋爐中，除A電廠8號爐的固有可用係數為85.46%，屬於「合格」等級外，其餘4台鍋爐(B電廠2號爐，C電廠1號爐、2號爐，D電廠1號爐)的固有可用係數為92.34%～97.06%，均高於《規範》中規定的「優等」(92%)數值。這5台300MW電站鍋爐在可靠性評定期