技术
可靠性工程技术是为了提高产品的可靠性要求而发展起来的新兴科学，是一门综合了统计学、概率论、控制论、计算机技术等众多科学成果，以提高产品的可靠性为出发点的边缘科学。它着重研究产品或系统的故障原因、处理和预防措施，提高产品的可靠性，延长使用寿命、降低维护费用、提高产品的使用效益。
可靠性是衡量电站锅炉设备质量的重要技术经济指标。随着科学技术的不断发展和大型火电机组装机容量的增加以及自动化水平的提高，电站锅炉的可靠性问题已日益引起制造厂家和电力部门的重视。电站锅炉体积大、批量小、可修复、系统复杂、昼夜连续运行，设备损坏后将造成巨大的经济损失且后果严重。因此，必须高度重视电站锅炉设备质量，加强可靠性工程技术研究，其发展过程也可以看作是其产品故障逐步被解决、设备性能逐步完善、可靠性逐步提高的过程。特别是在电站锅炉的性能参数日益提高、设备结构日趋复杂的情况下，探讨和研究提高电站锅炉设备的可靠性将是一项非常重要的工作。目前，国内外电站锅炉设备招标中均有具体的可靠性指标的要求，可靠性已逐渐成为电站锅炉设备市场竞争的焦点和电站用户选择锅炉设备的重要依据之一。因此，探讨和研究电站锅炉设备的可靠性及提高可靠性的对策，就显得十分必要。
1 可靠性对经济性的影响
可用系数是衡量发电设备可靠性的一项重要指标，可用系数的高低对于国民经济有着重大影响。若将我国发电设备的装机容量按2.3亿kW计算，如果其可用系数提高1%，则每年可以多发电201.5亿kW*h，相当于一个可用系数为85%、装机容量为2705MW的发电厂一年的发电量。我国每1kW*h电的发电利润及其产生的社会产值在不同地区有所不同，每1kW*h电的发电利润如按0.04～0.08元计，则一年可多增发电利润8.76亿～17.52亿元；若每1kW*h电创造的社会产值按4～8元计，则可增加社会产值约876亿～1752亿元；若新建电厂的造价按2000元/kW计，则可节约投资54.1亿元。由此可见，提高发电设备的可靠性将产生巨大的经济效益和社会效益。
2 电站锅炉可靠性指标
按照国家“七五”攻关项目“发电设备可靠性分析研究”的要求，由原机械工业部上海电站设备成套设计研究所负责制定了《锅炉可靠性评定规范》。
根据该《规范》的规定，电站锅炉的设备状态可按图1所示的状态来划分： 字串7
图1 电站锅炉设备状态
2.1 电站锅炉可靠性技术指标
按照该《规范》的规定，有关电站锅炉可靠性的几个技术指标定义如下：
a.可用小时(AH)：电站锅炉处于可用状态的小时数;
b.备用小时(RH)：电站锅炉处于备用状态的小时数;
c.计划大修停运小时(OOH)：电站锅炉处于计划大修状态的小时数;
d.计划小修停运小时(ROH)：电站锅炉处于计划小修状态的小时数;
e.节日检修停运小时(HOH)：电站锅炉处于节日检修状态的小时数;
f.强迫停运小时(FOH)：电站锅炉处于强迫停运状态的小时数;
g.维护停运小时(MOH)：电站锅炉处于维护停运状态的小时数;
h.统计期间小时(PH)：电站锅炉处于使用状态的小时数。
2.2 电站锅炉故障分类
按照该《规范》的规定，将电站锅炉的故障分为如下4类：
a.致命故障：评定产品在运行或启停过程中锅炉炉膛爆炸的故障；
b.严重故障：由评定产品引起机组非计划停运的故障；
c.一般故障：由评定产品引起机组出力降低但没有造成机组非计划停运的故障；
d.轻微故障：评定产品损坏不严重、不影响机组出力的故障。
AF=AH0/PHo×100%=［PHo-(FOHo+MOHo+ROH+HOH)］/PHo×100%=［PH-
(FOHo+OOH+ROH+HOH)］/(PH-OOH)×100% (1) 字串4
式中 AHo——固有可用小时数，
AHo=PHo-(FOHo+MOHo+ROH+HOH)=PH-(FOH+MOH+OOH+ROH+HOH)； (2)
PHo——产品可靠性的评定期小时，
PHo=8760×N=PH-OOH (3)
N=1～4a,PH=8760N+OOH； (4)
FOHo——由于产品设计和制造缺陷引起的强迫停运小时数；
MOHo——由于产品设计和制造缺陷引起的维护停运小时数；
OOH——电站锅炉处于计划大修状态的小时数；
ROH——电站锅炉处于计划小修状态的小时数；
OHO——电站锅炉处于节日检修状态的小时数；
PH——电站锅炉处于使用状态的小时数。
对于被评定的电站锅炉而言，在评定期间内其可用系数AF愈高，则意味着其实际运行的可靠性愈好。
2.4 修正系数
《规范》中规定，电站锅炉的修正系数可以由评定单位根据实际情况选取，对于煤质、负荷等随时间变化的因素，只要符合表1中条件的运行天数超过评定期总运行天数的1/3以及给水水质超标时间大于制造厂产品说明规定的时间，就可以按表1中有关的条件选取修正系数加以修正。
表1 电站锅炉的修正系数
| 名称 | 符号 | 条件 | 系数值 |
| 炉形修正系数 | K1 | 汽包炉 直流炉和液态排渣炉 | 1.00 0.99 |
| 燃料种类修正系数 | K2 | 烧油或烧天燃气 烧烟煤 烧褐煤或无烟煤 烧劣质燃料［含硫(Sar)高于2.5%或发热量＜1465kJ/kg］ | 1.02 1.00 0.99 0.98 |
| 使用偏离设计煤种的修正系数 | K3 | 含硫量(Sar):使用-设计≥或含灰份(Aar):使用-设计≥10%或发热量(Qnet,ar)：｜使用-设计｜≥4187kJ/kg | 0.99 |
| 低负荷 修正系数 | K4 | 调峰幅度＞40%的机组 | 0.99 |
| 给水水质 修正系数 | K5 | 硬度或溶氧超标* | 0.99 |
| 注:*—超过SD163中规定的数值
2.5 电站锅炉可靠性分级指标值AFe 3 影响电站锅炉可靠性的薄弱环节分析 根据《规范》中对于电站锅炉的设备状态的划分，电站锅炉的不可用时间包括计划停运时间和非计划停运时间两部分。其中，计划停运属于预防维修，是按照《发电厂检修规程》(SD230-87)安排的；而非计划停运则属于事故维修，主要是由于电站锅炉的可靠性问题所造成的。通常把影响非计划停运时间比较长的部件或设备称为电站锅炉可靠性的薄弱环节或关键设备。
表2电站锅炉可靠性分级指标 |
| 机组功率(MW) | AFe | ||
| 合格 | 良好 | 优等 | |
| ≤200 | 84 | 90 | 93 |
| ≥300 | 83 | 89 | 92 |
3.1 电站锅炉可靠性的薄弱环节 表3给出了电站锅炉部件非计划停运时间占锅炉总的非计划停运时间的百分比的统计结果。由表3中可以清楚地看到，在电站锅炉非计划停运时间中，因水冷壁、省煤器、过热器和再热器故障引起的非计划停运时间占锅炉非计划停运时间的84%以上。这表明水冷壁、省煤器、过热器和再热器等“四管爆破”是电站锅炉可靠性的薄弱环节。 表3 部件非计划停运时间占锅炉非计划停运时间的百分比 字串4 |
| 部 件 | A类 | B类 | C类 |
| 水冷壁 | 18.47 | 41.38 | 20.26 |
| 省煤器 | 30.81 | 14.20 | 12.75 |
| 过热器 | 22.46 | 27.17 | 32.75 |
| 再热器 | 13.26 | 2.66 | 18.91 |
| 其 他 | 15.00 | 14.59 | 15.33 |
| 锅 炉 | 100 | 100 | 100 |
3.2 国产300MW和600MW电站锅炉可靠性的薄弱环节 我国自20世纪80年代初引进美国ABB-CE公司300MW、600MW亚临界压力控制循环锅炉设计制造技术以来，现已稳步进入以300MW和600MW电站锅炉为主导产品的大容量引进型的锅炉设计制造的完善期。在已生产的锅炉机组中，就工质循环方式而言，有自然循环型和控制循环型；就燃用的煤种而言，有无烟煤锅炉、贫煤锅炉、劣质烟煤锅炉、烟煤锅炉以及褐煤锅炉等，从而形成了门类齐全、系列完善的锅炉产品系列。其设计制造既保持了ABB-CE公司技术的基本特色，也综合了几十年来200MW以下容量级国产电站锅炉成功的设计、制造经验，从而保证锅炉在其安全性、经济性和可靠性等各方面均有了较大的提高，并得到用户的认同。 由于电站锅炉产品的特殊性，不论是国产电站锅炉还是进口电站锅炉，都或多或少地存在一些设计制造以及安装等方面的质量问题，这些问题必将影响锅炉运行的可靠性。国产300MW和600MW电站锅炉同样也存在着一些质量问题。特别是近年来，随着市场经济的逐步完善，电站锅炉行业的市场竞争日趋激烈，而产品的可靠性作为评价产品质量的主要指标已成为影响产品市场占有率的主要因素。为了提高产品的质量，我们对国产300MW和600MW电站锅炉的质量问题进行了详细的调查和分析，发现除了前面提到的水冷壁、省煤器、过热器和再热器等“四管爆破”以外，尚有如下几个对于锅炉可靠性影响较大的薄弱环节： 字串6 a.左右两侧烟温、汽温偏差问题。这个问题实际上是采用四角切向燃烧方式的大容量电站锅炉的通病。由于四角切向燃烧的特点，在上炉膛及水平烟道中，左右两侧烟气的温度、烟速及流量均有较大的偏差，进而造成各级受热面沿烟道宽度方向上的汽温偏差较大，甚至由此而引起某些区域内受热面的超温爆管； b.水冷壁管高温腐蚀问题。这个问题主要发生在燃用含中、高硫分煤种的贫煤型锅炉上。在燃烧器区域贴近水冷壁处，在还原性气氛较浓的情况下，燃料中的可燃硫在高温条件下，对水冷壁管产生腐蚀； c.摆动式燃烧器的摆动不灵活问题。这个问题是在役锅炉中最为常见的问题之一。在热态工况下，四角切向燃烧锅炉的燃烧器摆动不灵活，出现卡涩、卡死现象，从而造成对于再热汽温的调节手段失灵； d.空气预热器漏风偏大问题。目前国产回转式空气预热器普遍存在着漏风率偏大的问题，严重地影响了国产300MW和600MW电站锅炉的整体性能。 4 国产电站锅炉可靠性指标 表4所列为部分国产300MW电站锅炉的各项可靠性指标。由表中数据可以看出：在抽检的5台300MW电站锅炉中，除A电厂8号炉的固有可用系数为85.46%，属于“合格”等级外，其余4台锅炉(B电厂2号炉，C电厂1号炉、2号炉，D电厂1号炉)的固有可用系数为92.34%～97.06%，均高于《规范》中规定的“优等”(92%)数值。这5台300MW电站锅炉在可靠性评定期10台年内，其运行可用系数现场统计值AF(T)=91.6%,高于机械工业部第一批A类产品可靠性认定试点计划(［1995］1024号文件)规定的可用系数认定目标值AFe=89%。 表4 部分国产300MW电站锅炉可靠性指标 可靠性评定期：10台年
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| 电站名称 | A电厂 | B电厂 | C电厂 | C电厂 | D电厂 | 
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| 锅炉编号 | 8号炉 | 2号炉 | 1号炉 | 2号炉 | 1号炉 | —— |
| 出厂日期(年月) | 1989.12 | 1991.03 | 1991.12 | 1992.06 | 1992.06 | |
| 可靠性评定开始时刻 | 9212012340 | 9303242016 | 9408022308 | 9505222320 | 9505192216 | —— |
| 可靠性评定结束时刻 | 9412012340 | 9503242016 | 9608022308 | 9705222320 | 9705192216 | —— |
| 运行(工作)小时SH(h) | 14489.28 | 15546.36 | 11614.50 | 13148.81 | 13132.67 | 67931.62 |
| 备用小时RH(h) | 351.10 | 433.45 | 4600.10 | 3839.74 | 2701.64 | 11926.03 |
| 可用小时AH(h) | 14840.38 | 15979.81 | 16214.60 | 16988.55 | 15834.31 | 79857.65 |
| 强迫停运故障小时FOH(h) | 199.41 | 604.44 | 508.37 | 119.18 | 744.20 | 2175.60 |
| 维护停运故障小时MOH(h) | 0 | 0 | 0 | 16.52 | 0 | 16.52 |
| 计划大修停运小时OOH(h) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 计划小修停运小时ROH(h) | 2440.67 | 935.71 | 797.05 | 395.75 | 941.50 | 5510.68 |
| 节日检修停运小时HOH(h) | 39.53 | 0 | 0 | 0 | 0 | 39.53 |
| 统计期间小时PH(h) | 17519.99 | 17519.96 | 17520.02 | 17520.00 | 17520.01 | 87599.98 |
| 可靠性评定期小时PH0(h) | 17519.99 | 17519.96 | 17520.02 | 17520.00 | 17520.01 | 87599.98 |
运行可用系数
| 84.71 | 91.21 | 92.55 | 96.97 | 90.38 | 91.16 |
| 固有可用小时AH0(h) | 14972.24 | 16347.05 | 16722.97 | 17005.07 | 16177.83 | 81225.16 |
| 固有可用系数
| 85.46 | 93.31 | 95.45 | 97.06 | 92.34 | 92.72 |
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5 提高国产300MW和600MW电站锅炉可靠性的对策 字串4 正如前文所述，可靠性工程技术是为适应产品的高可靠性要求发展起来的新兴科学。它研究产品或系统的故障原因、处理和预防措施，保证产品的可靠性，延长其使用寿命、降低其维护费用、提高产品的使用效益。对于电站锅炉，提高可靠性的重点是集中力量，对影响可靠性的薄弱环节进行研究和改进，从而避免对成千上万个部件平均使用力量，有效地提高电站锅炉的可靠性。在电站锅炉的设计、制造和使用阶段，为了提高产品的可靠性，应着重做好以下几方面的工作。 由于电站锅炉具有产品体积质量大、批量小以及系统复杂的特点，加之目前可靠性设计技术尚不够完善，因此，国内目前尚无法对300MW和600MW电站锅炉进行真正意义上的可靠性设计。 针对目前国产300MW和600MW电站锅炉上存在的影响锅炉运行可靠性的普遍性问题，我们认为应从以下几个方面在设计上着手加以改进： a.针对上炉膛及水平烟道中左右两侧烟温参数场偏差较大，从而造成受热面管屏沿烟道宽度方向汽温偏差的问题，可采取如下措施： 烟气侧二次风或三次风(或OFA)及上端部辅助风反切； 减小炉膛切圆直径，减小烟气流的旋转动量； 合理地布置汽水系统及受热面； 进一步降低煤粉细度(R90)值； 对炉膛出口残余旋转数(SW)进行核算，降低残余旋转度。 以B电厂为例，该厂装有4台国产300MW锅炉，经过改造以后，其再热器受热面爆管次数大幅度降低，1996年4台锅炉全年仅爆管3次，锅炉已处于稳定、受控的运行状态。根据西安热工研究院在其1号炉上进行的试验结果，该炉末级过热器后烟道中左右两侧烟温偏差已小于50℃，大大低于改造前的100℃以上的数值。这说明，通过采取多种技术改进措施进行治理后，偏差与爆管问题基本上得到解决。 b.针对在燃用含中、高硫分煤种的贫煤型锅炉上出现的水冷壁管高温腐蚀问题，可通过采用辅助风大切圆、减小一次风粉混合物炉内切圆直径、降低煤粉细度等一系列措施，降低炉内燃烧器区域贴近水冷壁处的还原性气氛，并减少煤粉气流刷墙几率，进而使高温腐蚀问题得到有效的控制。 仍以B电厂为例，该厂在燃烧器区域外贴大风箱处的水冷壁鳍片上钻许多Φ3的小孔，增加贴壁处烟气含氧量，降低还原性气体浓度，控制高温腐蚀，取得显著的效果。 c.摆动式燃烧器的热态摆动不灵问题，这是在役锅炉最常见的问题之一。针对这一问题，在燃烧器设计中应采取如下措施： 增加煤粉风室隔板和喷嘴支板的厚度，加粗水平和外摆连杆，增加结构的弹性； 将曲柄连杆由偏心受力改为U型夹式双向受力； 将驱动气缸直径由Φ304增加到Φ320，加大摆动推力； 根据应力分析，重新调整喷嘴与风箱隔板的间隙，以利于摆动； 将顶部风喷嘴由手动杠杆传动改为手动蜗轮蜗杆减速机传动； 增设恒力弹簧机构作为喷嘴自重的平衡力，使燃烧器摆动灵活。 d.针对目前国产回转式空气预热器普遍存在的漏风率偏大的问题，可采取如下措施： 将可弯曲扇型板改为刚性可调扇型板，采用可编程控制器； 字串6 对T型钢和扇型板进行加工，以使传感器工作良好； 将漏风自控系统的电机、极限开关位置上移，使传感器行程开关远离高温区。 e.对于“四管爆破”问题，正如前文所述，由于管子本身的原材料缺陷以及管子与集箱的角焊缝检测手段不足等原因，在一些电站锅炉的运行过程中，引起水冷壁、省煤器、过热器和再热器等“四管爆破”现象，这是影响电站锅炉可靠性的最主要因素之一。针对这一问题可采用如下措施： 提高选用材料的等级，增加管材使用的安全裕度； 降低炉膛出口烟温偏差，提高运行安全性； 屏式再热器自折焰角后移，避免炉膛对屏式再热器前部弯头向火侧的直接辐射； 再热器连接管采用左右交叉； 在三通涡流区不布置管子，避免三通效应对各管排流量分配的影响。 5.2 加强可靠性管理 可靠性工作包括可靠性工程技术与可靠性管理两个方面。所谓可靠性管理，就是从系统工程的观点出发，对产品全寿命周期中的各项可靠性工程技术活动进行规划、组织、协调、控制与监督，从而实现既定的可靠性目标，并保持全寿命周期费用最低。可靠性的行业管理包括：中长期规划、基础研究、标准制定、考核认定、质量认证、创优评比、检查监督以及技术交流等。可靠性的企业管理则包括：组织机构、可靠性规划、设计评审、质量跟踪、数据收集、维修服务以及教育培训等。我国电力部门从1985年起开展电力系统可靠性管理工作，从电力系统的规划、设计、设备选用、安装施工、生产运行、检修维护以及人员培训等方面入手来改善其可靠性，并且已取得了一定的成效。 5.3 推广故障诊断技术 6 结束语 可靠性是衡量电站锅炉设备质量的重要技术经济指标。大型火电机组装机容量的增加以及自动化水平的提高，电站锅炉的可靠性问题已引起有关部门的高度重视，并且逐渐成为电站锅炉设备市场竟争的焦点和电站用户选择电站锅炉设备的依据之一。因此，只有真正做好可靠性工作，才能在今后日趋激烈的市场竞争中成为真正的强者。 |
