某廠WG670T/h鍋爐受熱面改造

顧青

摘 要：電站鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，直接影響全廠的安全經(jīng)濟(jì)性，而鍋爐承壓部件的可靠性決定了鍋爐是否能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行。該文主要介紹了某廠WG670T/h鍋爐投產(chǎn)至今的一系列受熱面運(yùn)行問(wèn)題和改造方案。

關(guān)鍵詞：鍋爐 受熱面 熱偏差 許用溫度 改造

中圖分類號(hào)：TK229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0083-02

江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司現(xiàn)役兩臺(tái)220MW煤機(jī)和兩臺(tái)390MW 9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，其中兩臺(tái)煤機(jī)為武漢鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的WG670/13.7—3（4）型超高壓中間再熱自然循環(huán)煤粉鍋爐。這兩臺(tái)鍋爐采取中間倉(cāng)儲(chǔ)式，熱風(fēng)送粉，四角直流切圓燃燒的方式。設(shè)計(jì)煤種為貧瘦煤。分別被稱為#11爐和#12爐，于1992年9月和1993年6月投產(chǎn)，并于2000年和2001年進(jìn)行了通流部分改造，使單臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量從200MW增加至220MW。經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)行，受熱面承壓部件逐步暴露出一系列問(wèn)題（表1）。

針對(duì)上述暴露的問(wèn)題，認(rèn)為受熱面故障排除一些人為或偶然的因素，主要是由于金屬材料本身不足和鍋爐設(shè)計(jì)存在缺陷兩大因素造成的。

一般來(lái)講，鋼材在高溫高壓的工作環(huán)境下最容易發(fā)生的是蠕變、疲勞。蠕變?cè)诘蜏鼗蚴覝貢r(shí)就會(huì)隨時(shí)間的增加而產(chǎn)生，但此時(shí)塑性變形產(chǎn)生速度非常小，可以忽略不計(jì)，當(dāng)溫度高于0.3Tf（Tf為鋼材熔點(diǎn)的熱力學(xué)溫度）時(shí)，蠕變才開(kāi)始較為明顯。碳素鋼在溫度超過(guò)300～350℃、合金鋼在溫度超過(guò)400～450℃時(shí)，在一定的應(yīng)力作用下，就會(huì)發(fā)生明顯的蠕變。溫度越高、應(yīng)力越大、蠕變就越明顯。鋼材在承受周期性變化的應(yīng)力或應(yīng)變作用下對(duì)斷裂的抗力稱為鋼材的疲勞強(qiáng)度。由于周期性變化應(yīng)力或應(yīng)變的作用，鋼材的疲勞強(qiáng)度將低于靜荷時(shí)的強(qiáng)度，且與所作用應(yīng)力或應(yīng)變的周期性變化次數(shù)及形式有關(guān)，應(yīng)力或應(yīng)變的變化次數(shù)越多，鋼材的疲勞強(qiáng)度就越低。此處的疲勞主要是指高溫疲勞。高溫疲勞是蠕變條件下的疲勞問(wèn)題，通常發(fā)生在溫度高于0.5～0.6Tfshi 4，此時(shí)疲勞極限往往會(huì)急劇下降，且同時(shí)存在著疲勞及蠕變的作用。而設(shè)計(jì)上的缺陷與很多因素相關(guān)聯(lián)：設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際煤種是否相符；機(jī)組說(shuō)處的環(huán)境變化；安裝過(guò)程中是否存在隱患等。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索和研究，通過(guò)局部的改造，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力得到了極大的提高，下面是該研究者參與和組織的幾項(xiàng)改造任務(wù)。

1 改造原因分析，改造設(shè)計(jì)及改造過(guò)程

1.1 高溫過(guò)熱器的改造

對(duì)于整個(gè)鍋爐受熱面來(lái)說(shuō)，高溫過(guò)熱器處于溫度最高，壓力相對(duì)較高的區(qū)域，由于武漢鍋爐廠的高溫過(guò)熱器存在結(jié)構(gòu)偏差，第1、2管圈屬于U型布置，第3、4管圈屬于W型布置，所以四組管圈的長(zhǎng)度差較大，如表2所示。

從表2中可見(jiàn)高過(guò)第3、4管圈的管長(zhǎng)是第1、2管圈的2倍多，因而造成同屏熱偏差較大。針對(duì)這一問(wèn)題通過(guò)前期改造，于2004年采用在高過(guò)出口管段增加節(jié)流圈的方法降低同屏管段的吸熱偏差，改造后一段時(shí)間內(nèi)確實(shí)能達(dá)到預(yù)期的目的，壁溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3（℃）。

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行一年后，分別至2005年初和2006年初，該廠#12爐、#11爐先后各連續(xù)爆管2次，爆管位置均位于高過(guò)第3、4管圈彎頭處，爆口特征顯示為長(zhǎng)期過(guò)熱。分析原因?yàn)楣?jié)流圈改造前第3、4管圈（材質(zhì)為鋼研102）已長(zhǎng)期處于接近鋼研102材料最高許用溫度（620℃）的工況下，而且鋼研102材料的特點(diǎn)就是抗氧化能力較差，管子內(nèi)壁氧化物較多，影響了傳熱，使管子更容易過(guò)熱。另由于彎頭制作中形成的管壁減薄引起管子超溫工況下許用應(yīng)力的下降，造成管材使用壽命的縮短。在處理爆管的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)處于同一環(huán)境同一工況下同屏管段上T91材質(zhì)的管段并未發(fā)生氧化剝皮和脹粗現(xiàn)象。

綜合以上情況，鑒于T91材質(zhì)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的良好表現(xiàn)決定在保留原有節(jié)流圈的基礎(chǔ)上將高過(guò)爐內(nèi)管屏全部更換為T(mén)91材質(zhì)，許用溫度提高至640℃，運(yùn)行至今未發(fā)生一起爐管爆破事故，保證了機(jī)組安全運(yùn)行。

1.2 高溫再熱器的改造

該廠鍋爐高溫再熱器共116屏，每屏6管圈U型布置，原設(shè)計(jì)最外圈采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，第2～6管圈為鋼研102。投產(chǎn)以來(lái)，只發(fā)生過(guò)一起因備用減溫器噴嘴因長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用斷裂進(jìn)入高再進(jìn)口小聯(lián)箱造成局部管段瞬時(shí)過(guò)熱引起的爆管事故，但在歷次的“四管”防磨防爆檢查中均發(fā)現(xiàn)高再管屏表面存在大面積氧化剝皮的現(xiàn)象，已接近換管標(biāo)準(zhǔn)。由于檢修時(shí)間的局限，當(dāng)時(shí)只能采取臨時(shí)措施，在爐外增加20個(gè)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)控壁溫變化。此后運(yùn)行中也發(fā)生過(guò)幾次管屏超溫情況。根據(jù)監(jiān)控壁溫測(cè)量數(shù)據(jù)，運(yùn)行中采用降溫運(yùn)行的措施，但效果并不明顯。于是在下次檢修中對(duì)有超溫記錄的管段進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)管段脹粗并不明顯，但氧化剝皮現(xiàn)象仍很?chē)?yán)重，氧化層厚度達(dá)0.5～0.6mm。割管作金相組織分析表明碳化物球化已達(dá)4級(jí)（超過(guò)4級(jí)必須更換），常溫力學(xué)強(qiáng)度降低，塑性變壞。然而與此同時(shí)第1管圈不銹鋼管材除局部變形外，未發(fā)生任何組織性能的變化。

綜合考慮鋼材市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)和管屏所處工作環(huán)境的差異，該廠于2005年#12爐大修中在保留第1管圈不銹鋼的基礎(chǔ)上將第2、3管圈改為T(mén)91，第4～6管圈全部更換新的鋼研102管子。2006年#11爐大修中同樣保留第1管圈不銹鋼，第2、3管圈則改為不銹鋼，第4～6管圈全部更換新的鋼研102管子。通過(guò)這一改造將接近管材使用壽命的管段全部更換，切實(shí)保證鍋爐可靠運(yùn)行。

1.3 低溫再熱器增加受熱面

由于武漢鍋爐廠低再側(cè)和低過(guò)側(cè)的煙氣擋板開(kāi)度各為50%時(shí)，無(wú)法達(dá)到再熱器出口設(shè)計(jì)溫度（設(shè)計(jì)值為535℃），為提高再熱器出口溫度和鍋爐熱效率，曾采取將低再側(cè)與低過(guò)側(cè)煙氣擋板開(kāi)度分別調(diào)至70%和30%，增加低再側(cè)煙氣流量的措施。但煙氣流量增加的同時(shí)煙氣流速也加大，由于煙氣中灰顆粒對(duì)受熱面管子的磨損量與煙氣流速的三次方成正比，這就造成低再管壁的磨損加劇，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性。在歷次的檢修過(guò)程中也采取過(guò)大面積加裝防磨護(hù)瓦、防磨噴涂等措施，但并未從根本上解決問(wèn)題。為了達(dá)到既能提高再熱器出口溫度，又能均衡兩側(cè)豎井煙道內(nèi)的煙氣流量，減輕低再側(cè)受熱面磨損的目的，該廠與江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司共同研究決定采取增加低再受熱面，也就是增加再熱器吸熱面積的方法來(lái)滿足上述要求，受熱面增加示意圖如圖1。

注：圖中低再虛線部分為原管排布置，細(xì)實(shí)線部分為受熱面增加部分，打叉部分為割除被取代的原管排。受熱面增加部分高度為6m，寬度為2m，共計(jì)104屏，每屏8管圈。

通過(guò)改造，兩側(cè)煙氣流量得到均衡，低再受熱面磨損情況得到改善，同時(shí)也能滿足各種負(fù)荷下再熱器出口溫度達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值，降低了鍋爐排煙溫度，提高了機(jī)組效率，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4（℃）。

2 改造后效果分析

鍋爐受熱面的安全可靠直接影響到電廠機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)一系列的改造將最大程度地延長(zhǎng)機(jī)組設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備利用率和鍋爐熱效率。改造后機(jī)組未發(fā)生一起因材質(zhì)或因過(guò)熱引起的爆管事故，為鍋爐長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到大幅提升。

3 改造后可能產(chǎn)生的負(fù)面影響及建議

通過(guò)一系列的改造后機(jī)組安全性得到保證，但同時(shí)也有可能產(chǎn)生以下幾方面的負(fù)面影響。

鍋爐受熱面材料參差不齊，異種鋼焊接的幾率增大，極有可能在今后的檢修過(guò)程中發(fā)生取材失誤，建議對(duì)爐內(nèi)管屏進(jìn)行統(tǒng)計(jì)造冊(cè)，以免在檢修過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)領(lǐng)錯(cuò)用管材、焊材的情況。鋼材市場(chǎng)發(fā)展可能會(huì)導(dǎo)致例如T91一類的鋼材價(jià)格異動(dòng)，從而造成電廠維護(hù)成本的增加，加上燃煤等不確定因素導(dǎo)致電廠經(jīng)濟(jì)效益的滑坡，建議在適當(dāng)時(shí)機(jī)儲(chǔ)備部分鋼材，以利檢修維護(hù)。繼續(xù)做好“四管”防磨防爆檢查工作，不能掉以輕心，始終要將這一工作作為重中之重，嚴(yán)密監(jiān)視受熱面組織性能的發(fā)展變化。

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