聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐高壓過(guò)熱器泄漏原因分析及處理

李志永，左興堂，張宗友

1 機(jī)組概況

鋼鐵廠燃用低熱值高爐煤氣燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（簡(jiǎn)稱CCPP）是當(dāng)下較先進(jìn)、技術(shù)應(yīng)用程度廣泛的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，為鋼鐵企業(yè)煤氣合理利用開(kāi)辟了新用戶，其最大限度發(fā)揮煤氣效能，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)，滿足企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的迫切需要[1]。我廠150 MW燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，主體設(shè)備從日本三菱公司成套引進(jìn)，由重型燃?xì)廨啓C(jī)及配套高效軸流煤氣壓縮機(jī)，雙壓、雙缸混合冷凝式汽輪機(jī)、密閉自循環(huán)空冷發(fā)電機(jī)組成單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組配套一臺(tái)杭州鍋爐廠設(shè)計(jì)、制造的NG-M701S(DA)-R型余熱鍋爐，機(jī)組于2011年1月18日建成并投入運(yùn)行。

NG-M701S(DA)-R型余熱鍋爐為引進(jìn)美國(guó)N/E公司技術(shù)制造的雙壓、帶自身除氧、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)燃機(jī)余熱鍋爐，采用模塊化、全懸吊單排框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

余熱鍋爐由5個(gè)受熱面模塊、除氧器和高、低壓汽包及附件組成。模塊按照煙氣流向順序布置，各受模塊內(nèi)的受熱面組成見(jiàn)表1。

表1 各模塊內(nèi)受熱面組成

余熱鍋爐主要參數(shù)如下：

（1）燃機(jī)排氣煙氣參數(shù)

環(huán)境溫度：10.1℃；

大氣壓力：1013.2 hPa；

濕度：55%；

燃機(jī)背壓(靜壓)：≤3010 Pa；

燃機(jī)排氣流量：1475 t/h；

鍋爐進(jìn)口煙溫：543℃。

（2）高壓蒸汽主要參數(shù)(設(shè)計(jì)工況)

最大連續(xù)蒸發(fā)量：176.5 t/h；

額定蒸汽出口壓力：7.39 MPa；

額定蒸汽出口溫度：523℃。

（3）低壓蒸汽主要參數(shù)(設(shè)計(jì)工況)

最大連續(xù)蒸發(fā)量：33.5 t/h；

額定蒸汽出口壓力：0.81 MPa；

額定蒸汽出口溫度：265℃。

2 高壓過(guò)熱器運(yùn)行中出現(xiàn)的泄漏問(wèn)題

高壓過(guò)熱器分為高壓過(guò)熱器2（高溫段）和高壓過(guò)熱器1（低溫段），高壓過(guò)熱器2和高壓過(guò)熱器1布置在模塊1中，中間設(shè)置噴水減溫器。高壓過(guò)熱器采用吊掛式，整個(gè)模塊熱態(tài)向下膨脹約144 mm，下部聯(lián)箱與底部鋼梁用螺栓鉸接固定。高壓過(guò)熱器橫向排數(shù)為60排，縱向高、低溫段各4排，為管徑φ38.1的開(kāi)齒螺旋鰭片管，前后兩排鰭片管鰭片外圓間隔各為24 mm，前兩排與后兩排管鰭片外圓間隔為120 mm；鰭片管長(zhǎng)為18.5 m，管子材料為12Cr1MoVG，螺旋鰭片材料為SS409，鰭片管每隔3 m加裝一道防護(hù)格柵，共計(jì)5道，防護(hù)格柵由40mm×24mm×2mm扁鋼做成小方格固定每根鰭片管。

高壓過(guò)熱器工質(zhì)流程為雙回路，工質(zhì)一次流過(guò)鍋爐寬度方向的兩排管子，如圖2所示。

圖2 高壓鍋爐工質(zhì)流程

來(lái)自高壓鍋筒的飽和蒸汽通過(guò)連接管進(jìn)入高壓過(guò)熱器1進(jìn)口集箱，依次流經(jīng)4排鰭片管，進(jìn)入高壓過(guò)熱器1出口集箱，再由連接管引至噴水減溫器，根據(jù)高壓主蒸汽集箱出口汽溫進(jìn)行噴水減溫后，進(jìn)入高壓過(guò)熱器2進(jìn)口集箱，又依次流經(jīng)4排鰭片管進(jìn)入高壓過(guò)熱器2出口集箱，通過(guò)連接管至高壓主蒸汽集汽集箱后送入汽輪機(jī)。

機(jī)組自2011年投產(chǎn)約一年以后，高壓過(guò)熱器2開(kāi)始發(fā)生泄漏問(wèn)題，至2013年底高壓過(guò)熱器2共計(jì)發(fā)生6次引起停爐的泄漏事件，停爐檢查發(fā)現(xiàn)防振支架處過(guò)熱器鰭片管磨損，鰭片損壞后直接磨損管壁，受熱面打水壓均可發(fā)現(xiàn)2～3處泄漏點(diǎn)，集中在下數(shù)第2，第3道防振支架的角部，即左數(shù)第28～33根管子處（共60根），其間過(guò)熱器底部聯(lián)箱疏水管發(fā)生3次相同位置的焊口斷裂（如圖3所示）嚴(yán)重影響機(jī)組的正常生產(chǎn)。

圖3 高壓過(guò)熱器疏水管斷裂宏觀

3 高過(guò)2泄漏原因分析

我廠余熱鍋爐發(fā)生的問(wèn)題主要都集中在高壓過(guò)熱器2，高壓過(guò)熱器1的情況要好很多，檢查其余模塊受熱面運(yùn)行良好，沒(méi)有發(fā)生磨損。與其他型式的鍋爐相比，余熱鍋爐結(jié)構(gòu)比較特殊，運(yùn)行時(shí)極易產(chǎn)生振動(dòng)，煙氣進(jìn)入余熱鍋爐后受進(jìn)口煙道截面形狀的影響，煙氣流的擾動(dòng)較大，煙氣壓力分布也不均勻，當(dāng)煙氣橫向沖刷到管束上時(shí)會(huì)使管子晃動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成管子振動(dòng)。振動(dòng)最主要原因是，管束外部繞流引起的卡門漩渦脫離頻率和駐波振動(dòng)頻率比較接近，引起旋渦的誘發(fā)振動(dòng)；模塊內(nèi)煙氣速度選取過(guò)高也是造成管束振動(dòng)的原因[2]。結(jié)合我廠機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況，分析認(rèn)為高過(guò)2主要由以下幾點(diǎn)原因引起振動(dòng)進(jìn)而磨損泄漏。

(1)余熱鍋爐設(shè)計(jì)不合理

我廠余熱鍋爐鰭片管長(zhǎng)為18.5 m，比杭鍋同型號(hào)的燃機(jī)高出了4 m，鰭片管越長(zhǎng)剛性越差，管間需要增加更多、更為牢固的防振隔板，以提高駐波振動(dòng)頻率，使其與卡門漩渦振動(dòng)頻率交錯(cuò)，避免共振。另外燃機(jī)出口到高過(guò)二受熱面僅10.3 m，距離太短，沒(méi)有過(guò)度煙道，燃機(jī)出口螺旋的煙氣無(wú)法穩(wěn)流，旋轉(zhuǎn)的煙氣直接沖擊高過(guò)2受熱面，隨燃機(jī)負(fù)荷不同，煙氣的沖擊中心不斷變化，加劇了管屏的振動(dòng)。

(2)機(jī)組運(yùn)行方式不當(dāng)

受鋼鐵企業(yè)主流程生產(chǎn)特性影響，為配合公司煤氣動(dòng)態(tài)調(diào)整，機(jī)組需要頻繁升降負(fù)荷參與煤氣調(diào)峰工作，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組升、降負(fù)荷的速度比燃煤機(jī)組快得多，從滿負(fù)荷調(diào)整至半負(fù)荷僅需約25 min，負(fù)荷調(diào)整期間燃機(jī)排氣流量、溫度、壓力變化速率很大，對(duì)鰭片管的材料與結(jié)構(gòu)特性提出較大考驗(yàn)，疲勞破壞、交變應(yīng)力等引起的問(wèn)題不可避免。

(3)模塊防振措施不足，防振格柵強(qiáng)度不夠

我廠余熱鍋爐高壓過(guò)熱器沿管束長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)安裝有5道由40mm×24mm×2mm扁鋼制作的防振格柵，格柵為梳齒狀采用點(diǎn)焊固定。實(shí)際運(yùn)行中高過(guò)2受面工作環(huán)境最為惡劣，受煙氣直接沖擊，防振格柵強(qiáng)度不足，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)高過(guò)2第2、3、4道防護(hù)格柵完全松動(dòng)脫落，防振格柵脫落后進(jìn)一步加劇管束及管屏的整體晃動(dòng)。管束的自由晃動(dòng)，加劇了鰭片管的磨損情況，鰭片磨光后直接磨損管壁，從面造成高過(guò)2鰭片管磨損泄漏；而整體管屏的晃動(dòng)造成底部聯(lián)箱連接件螺栓松動(dòng)脫落，加劇疏水管晃動(dòng)，造成疏水管斷裂。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)以上原因，我廠結(jié)合機(jī)組中修機(jī)會(huì)，分兩次對(duì)高過(guò)2鰭片管進(jìn)行整體更換，與廠家技術(shù)人員反復(fù)論證檢修方案，采取對(duì)應(yīng)措施以降低過(guò)熱器管束及管屏的整體晃動(dòng)，避免管束磨損。

(1)強(qiáng)化防振格柵、設(shè)計(jì)制作格柵處管束防磨套管

結(jié)合檢修換管重新制作加固的防振格柵，新格柵用寬80 mm厚18 mm的不銹鋼板代替原設(shè)計(jì)寬40 mm厚2 mm的扁鋼作為橫柵，固定鰭片管的格柵用寬24 mm厚6 mm的不銹鋼板切割成90 mm小塊后與橫柵進(jìn)行焊接，把每根鰭片管固定在小方格內(nèi)。為避免防振格柵與管束間的磨損，將防振格柵處300 mm長(zhǎng)的鰭片管局部管束更換為光管，在光管 上 焊 接 保 護(hù) 套 管 （φ51×5.5mm， 材 質(zhì)12Cr1MoVG），套管上焊導(dǎo)向塊（規(guī)格 20×12mm，材質(zhì)1Cr18Ni9Ti），消弭管束與防振支架之間的間隙及磨損，管束固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管束固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)

(2)加裝防振橫梁，增加模塊整體強(qiáng)度

分別在高過(guò)2前、后與高過(guò)1前、后的管束防振格柵位置設(shè)計(jì)加裝防振橫梁。防振橫梁截面長(zhǎng)200 mm寬150 mm，由12 mm厚不銹鋼板制作而成，防振梁靠在防振橫格柵上，中心高與各層橫柵熱態(tài)膨脹后的中心相同，使橫梁推板中心在爐子熱態(tài)時(shí)，正好靠在鰭片管防振橫柵中心；高過(guò)2后與高過(guò)1前的防振橫梁間每隔一定距離裝有加強(qiáng)版，將防振橫梁連接為一個(gè)整體，提高受熱管屏的整體強(qiáng)度。橫梁兩端支撐處切開(kāi)鍋爐側(cè)墻H型鋼保溫，用不銹鋼板做成#字型馬蹬焊接在H型鋼上，馬蹬上焊接不銹鋼板制作的方盒子，橫梁放在方盒子里，各方向留出足夠膨脹間隙，過(guò)熱器間防振橫梁結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 過(guò)熱器間防振橫梁宏觀結(jié)構(gòu)

(3)過(guò)熱器底部聯(lián)箱連接件加固

余熱鍋爐原設(shè)計(jì)每個(gè)下聯(lián)箱有兩道連接件，共計(jì)四道。模塊為運(yùn)輸?shù)跹b方便，在每個(gè)聯(lián)箱兩端焊有護(hù)板，安裝后切除，檢修時(shí)在剩余護(hù)板上焊接不銹鋼板，按照原設(shè)計(jì)重新加裝四道過(guò)熱器下聯(lián)箱連接件，使下聯(lián)箱連接件增加一倍，共計(jì)八道連接件，進(jìn)一步固定管屏下部聯(lián)箱，防止聯(lián)箱晃動(dòng)，同時(shí)將所有連接件的鉸接螺栓焊接固定，防止脫落。

另外結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際對(duì)機(jī)組運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組不作為配合鋼鐵主流程煤氣平衡的主要調(diào)峰機(jī)組，維持高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)制定機(jī)組負(fù)荷調(diào)整管理規(guī)定，如確需進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，明確在不同負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的調(diào)整速率及時(shí)間間隔，避免機(jī)組頻繁升降負(fù)荷及負(fù)荷升降速率過(guò)快造成燃機(jī)排氣溫度、壓力、流量的急劇變化，減緩對(duì)余熱鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的不利影響。

5 效果評(píng)價(jià)

機(jī)組大修后距今運(yùn)行已接近2年，通過(guò)對(duì)過(guò)熱器管束及管屏整體防振方案的創(chuàng)新改進(jìn)，運(yùn)行期間余熱鍋爐再未發(fā)生過(guò)熱器管束泄漏問(wèn)題，結(jié)合例修停爐檢查各防振措施未見(jiàn)異常，運(yùn)行良好，說(shuō)明檢修方案技術(shù)處理得當(dāng)，為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的安全運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]楊順虎．燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運(yùn)行[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2003．

[2]葉向群等.聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐管束振動(dòng)的原因及防治措施[J].發(fā)電設(shè)備,2012(26):37-39.