高壓加熱器過熱段爆管分析

劉 學

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

高壓加熱器過熱段爆管分析

劉 學

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

為了解決高壓加熱器的爆管問題，從高壓加熱器在電站回熱系統(tǒng)中的運行狀態(tài)著手，從多個方面分析了高壓加熱器爆管的主要原因。高壓加熱器爆管常發(fā)生在過熱段，通過熱應力進行理論性分析，使整個分析過程更具有說服力，為高壓加熱器的優(yōu)化設計提供借鑒。

高壓加熱器；換熱管；爆管；隔板；疲勞；熱應力；原因；分析

1 概述

我國的火力發(fā)電占據(jù)了整個能源結(jié)構中最重要的一環(huán)。隨著我國對節(jié)能減排的要求不斷提高，技術在不斷進步，火電市場正在發(fā)生著一場新的技術革命。高壓加熱器是火電站、核電站節(jié)能減排必備的重要設備，根據(jù)計算，某電廠的給水溫度每提高1℃，每年能節(jié)約燃煤約246 t。高壓加熱器是火電、核電廠回熱系統(tǒng)中的節(jié)能設備，可利用汽輪機抽汽加熱鍋爐給水，使給水達到所要求的給水溫度，從而提高電廠的熱效率并保證機組出力，是提升電廠熱效率的重要環(huán)節(jié)。所以，高壓加熱器的投運率，是影響電廠節(jié)能效率的重要因素。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)高壓加熱器的使用壽命，一般不超過12年。導致這種結(jié)果的因素有很多，有必要對其中的原因進行分析。

2 高壓加熱器系統(tǒng)布置及結(jié)構特點

2.1 高壓加熱器系統(tǒng)布置

在國內(nèi)300 MW～600 MW機組中，輔機系統(tǒng)較流行的布置方式，是采用3臺高壓加熱器、4臺低壓加熱器及1臺除氧器的布置形式。在1 000 MW單列機組中，通常在3號高壓加熱器上面，又設置了1臺外置式蒸汽冷卻器，以提高整個機組的熱效率。外置式蒸汽冷卻器與高壓加熱器采用串聯(lián)連接布置，充分利用了過熱蒸汽的汽化潛熱，提高了電廠發(fā)電機組的熱經(jīng)濟效率。

圖1所示系統(tǒng)，是1 000 MW機組單列高加系統(tǒng)布置圖。1、2、3級抽汽分別供給1臺蒸汽冷卻器和3臺高壓加熱器，蒸汽冷卻器殼側(cè)與3號高壓加熱器串聯(lián)連接。4級抽汽供給除氧器，4級抽汽還作為給水泵汽輪機正常運行汽源及輔助蒸汽系統(tǒng)汽源。汽輪機抽汽在1號高壓加熱器完成熱交換后，產(chǎn)生的疏水依次進入2號、3號高壓加熱器中繼續(xù)進行換熱，提高給水溫度。1號、2號、3號高壓加熱器蒸汽凝結(jié)成的疏水全部進入除氧器，除氧器充分利用高壓加熱器疏水的汽化潛熱，加熱進入除氧器的凝結(jié)水，完成整個系統(tǒng)的換熱。系統(tǒng)的運行參數(shù)，如表1所示。

圖1 1 000 MW機組單系列高加系統(tǒng)布置圖

表1高壓加熱器及蒸汽冷卻器參數(shù)

2.2 高壓加熱器的結(jié)構

高壓加熱器（簡稱高加）的主要部件是水室、管系及外殼。管系包括了管板、換熱管、支撐板、防沖板、包殼板等零件。管系又可按換熱方式，分為過熱段、凝結(jié)段、疏水段。高壓加熱器的結(jié)構，如圖2所示。

圖2 高壓加熱器的結(jié)構

大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，引起高加爆管的區(qū)域主要發(fā)生在過熱蒸汽冷卻段。過熱段位于高加給水的出口處，汽輪機抽汽是帶有較高過熱度的蒸汽，高加利用抽汽加熱給水，給水被加熱至相當于蒸汽的飽和溫度，提升了回熱系統(tǒng)的傳熱效率。過熱蒸汽冷卻段的換熱管被包殼板和遮熱板封閉，過熱蒸汽冷卻段內(nèi)設有隔板，迫使蒸汽以設定的流速和方向流過換熱管的表面，才能達到良好傳熱效果。這種封閉結(jié)構避免了過熱蒸汽與管板、殼體的直接接觸，降低了管板與殼體的熱應力，并使蒸汽保留有足夠的過熱度，以保證蒸汽離開該段時呈干燥狀態(tài)，防止?jié)裾羝麤_蝕換熱管。從高加的設計角度考慮，通過設置過熱段保證高加設備的安全運行，如取消高加過熱段，可能引起其他設計上的問題，也會降低整個回熱系統(tǒng)的換熱效率。

3 爆管分析

對多個電廠的高壓加熱器進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)我國火電站高加的換熱管，常采用碳鋼管，材質(zhì)為SA-556Gr.C2。高加運行約5年后，就有爆管現(xiàn)象的發(fā)生，而且爆管現(xiàn)象常常多發(fā)于過熱段，不少國內(nèi)專家對此類爆管現(xiàn)象，各有不同的看法。從共性因素進行分析，引起換熱管束損壞的三個必要因素是溫度、應力及振動。

3.1 機組啟停機的影響

高加在啟動和停機過程中，工況較苛刻，溫度變化的速率過大，高加換熱管的內(nèi)外壁存在溫度差，使管壁受到較大的溫差應力，造成換熱管的二次應力超標。高加長期運行后，某些高加換熱管的表面可能已存在缺陷，如再與內(nèi)外壁溫差應力相疊加，則容易在換熱管的缺陷處發(fā)生損壞，引起換熱管斷裂。因此，通常規(guī)定高加運行時的負荷變化速度不宜太快，溫升速率不大于3℃/min，溫降速率不大于2℃/min。

3.2 換熱管支撐間距的影響

高壓加熱器過熱段的蒸汽流速往往較高，換熱管與隔板支撐間距一般均大于0.3 m，有些間距甚至更大，而過熱段的內(nèi)部結(jié)構又比較復雜，蒸汽在該處易產(chǎn)生渦流等現(xiàn)象，渦流將導致?lián)Q熱管不斷地撞擊隔板，隔板對換熱管產(chǎn)生一個橫向的剪切力，經(jīng)長時間的剪切作用，最終在換熱管與隔板的接觸處將發(fā)生破裂現(xiàn)象。

3.3 管束的振動

高壓加熱器各換熱段的布置是按照運行參數(shù)進行設計，并不能滿足所有的實際工況條件。設計后，高加的過熱段換熱面積是固定的，不能通過人為因素改變，所以，當機組低負荷運行時，如果過熱段的設計面積過大，過熱段內(nèi)會產(chǎn)生凝結(jié)水，段內(nèi)將有汽、液兩相的兩種介質(zhì)，隨著介質(zhì)流動，汽液會不斷撞擊換熱管，導致高壓加熱器的管束發(fā)生振動。

3.4 原材料的制造

國內(nèi)火電的高加換熱管采用無縫鋼管，無縫鋼管的加工制造，主要是利用擠壓或冷拔的工藝方式進行加工。目前，國內(nèi)換熱管制造廠常采用擠壓工藝制造換熱管。利用冷拔工藝加工的換熱管加工精度高，具有管子表面光潔度好等優(yōu)點。采用擠壓工藝進行加工，在無縫管的表面常會產(chǎn)生細小的縱向裂縫，以螺旋狀分布在管內(nèi)表面，且無法消除，也會在管子表面產(chǎn)生峰值應力。換熱管擠壓加工的示意圖，如圖3所示。換熱管經(jīng)擠壓加工后，管內(nèi)表面的細縫，如圖4所示。

圖3 換熱管擠壓加工示意圖

3.5 水質(zhì)的影響

圖4 擠壓后換熱管內(nèi)表面的細縫

高加換熱管如采用碳鋼管，其耐腐蝕性能較差，所以要設法減緩管材的腐蝕速率。通常情況下，電廠對水質(zhì)的要求并不高，較差的水質(zhì)引起換熱管的耐腐蝕性能下降。為提高換熱管的使用壽命，應將給水的p H值控制在合理的范圍內(nèi)。對亞臨界機組的無銅給水系統(tǒng)，水質(zhì)的p H值應維持在9.2～9.6；對于有銅給水系統(tǒng)，水質(zhì)的p H值應為8.8～9.2；對于超臨界機組，水質(zhì)的p H值應≥9.4。給水的含氧量應為5～7μg/L，因為給水的p H值在高于8.8的環(huán)境中，會促進碳鋼管表面形成一層保護膜，可防止換熱管材料的腐蝕。

圖5所示為高加不銹鋼防磨套管實物，實物的表面已完全變黑，可以看出不銹鋼防磨套管表面的氧化程度相當嚴重。套管在高溫給水中已被化學腐蝕，給水的水質(zhì)嚴重超標。對電廠的給水進行實際抽樣，給水為31.4℃時，測得給水的p H值為8.07。因電廠的水質(zhì)測量記錄中并沒有給水含氧量的記錄，所以，對于碳鋼換熱管造成腐蝕比不銹鋼更嚴重。必須嚴格控制電廠的運行水質(zhì)，否則將嚴重影響換熱管的使用壽命。實測給水p H值的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖5 套管的氧化圖

圖6 實測給水p H值的數(shù)據(jù)

3.6 換熱管材質(zhì)的選擇

國內(nèi)高加換熱管大多都采用SA-556Gr.C2碳鋼管，由于該種材質(zhì)的耐沖蝕能力較差，導致?lián)Q熱管的管壁減薄量比較大，影響了高加設備的運行壽命。采用不銹鋼換熱管可有效提高換熱管的抗沖刷能力，延長換熱管的使用壽命，據(jù)統(tǒng)計，不銹鋼換熱管的有效使用壽命，可達20年，而碳鋼換熱管的使用壽命，僅為8～10年。從長遠計，不銹鋼換熱管的前期資金投入較大，但從設備長期運行效益考慮，采用不銹鋼換熱管更加合理。

4 結(jié) 語

通過分析高壓加熱器的爆管原因，對各種影響因素進行了分析，解說了換熱管損壞的主要原因，為換熱管的損壞分析，提供了很好的借鑒經(jīng)驗。同時，對機組的運行調(diào)試，提出了一些操作方面的要求，也為換熱管的爆管分析提供了參考。隨著科學技術的不斷進步，模擬高壓加熱器運行狀況的技術不斷出現(xiàn)，可更加充分地分析影響高壓加熱器使用壽命的各個因素，也為提高高壓加熱器的使用壽命提供了保障。

［1］水利電力部西北電力設計院.熱機計算手冊［M］水利電力部西北電力設計院出版，1973.

［2］中國動力工程協(xié)會.火力發(fā)電設備技術手冊［M］.機械工業(yè)出版社，2002.

［3］Heat Exchange Institute，Inc.Standards for Power Plant Heat Exchangers［s］，3rd Edition，2004.

［4］李建國.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用［M］.機械工業(yè)出版社，2004.

Analysis for Tube Explosion in the Desuperheating Zone of High Pressure Heater

LIU Xue

（Harbin Boiler Co.，Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

In order to resolve the problem of tube explosion，the paper has analyzed the main reasons of tube explosion from various aspects，based on the HP operation condition in the heat regenerative system of power plants.Tube explosion often happens in overheat section.Through heat stress calculation and theoretical analysis，the paper provides recommendation for the improvement of HP design.

HP；tube exchanging tubes；tube explosion；baffle；fatigue；heat stress；reason；analysis

TK264.9

：A

1672-0210（2015）01-0010-03

2014-11-28

劉學（1980-），男，畢業(yè)于西安交通大學，工程師，從事汽輪機輔機的設計開發(fā)工作。