燃機(jī)電廠余熱鍋爐高壓過熱器泄漏的處理

王文龍

(東亞電力(廈門)有限公司，福建 廈門 361102)

0 概況

廈門某燃機(jī)電廠由新加坡某集團(tuán)獨(dú)資建設(shè)，配套中海油2004年在福建省開始投建的LNG(液化天然氣)項(xiàng)目，進(jìn)口印尼東固氣田天然氣，安裝2臺(tái)390 MW單軸燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。該項(xiàng)目是福建省“十一五”的重點(diǎn)建設(shè)工程——LNG一體化項(xiàng)目的主要子項(xiàng)目之一。燃機(jī)采用西門子SGT5-4000F (V94.3A)型機(jī)組，汽機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠LZN135.8-12.23/0.354/564/549型設(shè)備，鍋爐采用杭州鍋爐廠NG-V94.3A-R型設(shè)備。共規(guī)劃設(shè)計(jì)4×390 MW機(jī)組，1期建設(shè)2臺(tái)，已分別于2009年5月和2010年6月投產(chǎn)。

機(jī)組采用的NG-V94.3A-R型鍋爐是在引進(jìn)美國NOOTER/ERIKSEN設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，由杭州鍋爐廠自身開發(fā)研究制造的，為三壓、再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐。鍋爐本體受熱面采用N/E標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)，受熱面管采用高開齒螺旋鰭片管，鍋爐煙囪標(biāo)高65 m，正壓運(yùn)行。沿鍋爐寬度方向各受熱面模塊組成如表1所示。

高壓過熱器分為高壓過熱器1(低溫段)，高壓過熱器2(中溫段)和高壓過熱器3(高溫段)，其中高壓過熱器2(中溫段)和高壓過熱器3(高溫段)布置在模塊1中，高壓過熱器1(低溫段)布置在模塊2中，中間設(shè)置噴水減溫器。

高壓過熱器2橫向排水有132排，縱向排水有2排，為管徑Φ38.1的開齒螺旋鰭片管。管子材料為T91，螺旋鰭片材料為409L。下部集箱規(guī)格：Φ168.3×31.8 mm，材料為12Cr1MoVG。

表1 余熱鍋爐各受熱面模塊

高壓主蒸汽流程如圖1所示，高壓過熱器工質(zhì)流程為全回路，工質(zhì)一次性流過鍋爐寬度方向的一排管子。來自高壓鍋筒的飽和蒸汽通過連接管進(jìn)入高壓過熱器1的進(jìn)口集箱，流經(jīng)2排鰭片管，進(jìn)入高壓過熱器1的出口集箱，由連接管引至1級(jí)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)入高壓過熱器2的進(jìn)口集箱，再流經(jīng)2排鰭片管進(jìn)入高壓過熱器2的出口集箱；經(jīng)連接管進(jìn)入高壓過熱器3的進(jìn)口集箱，再流經(jīng)2排鰭片管進(jìn)入高壓過熱器3的出口集箱；由連接管引至2級(jí)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，再由連接管引至高壓主蒸汽集汽集箱。

1 發(fā)現(xiàn)故障

自2013年開始，該電廠1，2號(hào)鍋爐高壓過熱器2底部聯(lián)箱陸續(xù)出現(xiàn)焊縫開裂漏水缺陷，影響機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。由于每次焊縫開裂處理需要停機(jī)約3天，不僅嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益，也對(duì)電廠設(shè)備的安全可靠性造成了很大影響。

在小修期間，對(duì)1號(hào)機(jī)組高壓過熱器2底部聯(lián)箱焊縫進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)12根焊縫出現(xiàn)了深度不一的裂紋，高壓過熱器2底部聯(lián)箱焊縫薄弱點(diǎn)如圖2所示。沿?zé)煔饬鞣较蚩矗?聯(lián)箱為第2，3，4，5，21，42，43，44根，第2聯(lián)箱為第1，2，44根，第3聯(lián)箱為第44根，共計(jì)12根焊縫出現(xiàn)裂紋。

圖1 高壓主蒸汽流程

圖2 高壓過熱器2蒸汽流程及受力分析

發(fā)現(xiàn)故障后，杭州鍋爐廠技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況做出打磨、補(bǔ)焊、熱處理的臨時(shí)處理方案。該電廠對(duì)問題焊縫進(jìn)行了打磨、補(bǔ)焊以及后續(xù)熱處理、著色檢查等處理措施。但在2014年的2次小修和臨修全面檢查中，又發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組高壓過熱器2底部聯(lián)箱焊縫出現(xiàn)裂紋，隨后也都按上述方案進(jìn)行了臨時(shí)處理。2014年12月底，在小修期間對(duì)2號(hào)機(jī)組高壓過熱器2底部聯(lián)箱焊進(jìn)行檢查，又發(fā)現(xiàn)11根焊縫出現(xiàn)了深度不一的裂紋。

2臺(tái)鍋爐在同一部位出現(xiàn)類似故障，說明這不是偶然現(xiàn)象。為此，該電廠成立治理小組并聯(lián)手杭州鍋爐廠，詳細(xì)分析運(yùn)行和檢修時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，查找根本原因。

2 原因分析

《鍋爐使用說明書》減溫器操作規(guī)程以及聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)期間出口汽溫的控制說明中均明確提出：減溫器給水隔斷閥(中間級(jí)和末級(jí))不能在蒸汽出力還沒有達(dá)到基本負(fù)荷的25 %、減溫器和最終蒸汽溫度與設(shè)定溫度差小于13.9 ℃之前打開。蒸汽在飽和溫度附近時(shí)，管與管之間產(chǎn)生較大的膨脹差，噴水減溫會(huì)導(dǎo)致管子損壞。

從電廠提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)(見表2)可以看到，機(jī)組負(fù)荷在40 MW及以下時(shí)，2臺(tái)機(jī)組噴入的減溫水流量和高負(fù)荷時(shí)相差無幾，此時(shí)主蒸汽流量才幾十噸，甚至還沒有達(dá)到基本負(fù)荷的25 %。如果此時(shí)減溫水流量數(shù)據(jù)為真，這是不符合運(yùn)行規(guī)程的。

分析高壓過熱器2的設(shè)計(jì)圖可知，在正常情況下，第1排管子與第2排管子之間的膨脹差，是通過第2排管子上方的恒力彈簧吊架來吸收的；第2排管子之間的膨脹差，只能通過底部彎頭來吸收，如圖2所示。

在鍋爐啟動(dòng)過程中，蒸汽溫度上升速度快，但蒸汽流量上升速度慢，此時(shí)減溫水設(shè)置是過熱度大于13.9 ℃時(shí)開啟。此時(shí)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)整仍是按照正常運(yùn)行時(shí)開啟，開啟減溫水調(diào)節(jié)閥容易造成減溫水過量，導(dǎo)致部分減溫水無法汽化進(jìn)入高壓過熱器2第2排管道。出現(xiàn)上述情況時(shí)，鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，噴入了大量減溫水，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不足以將減溫水完全霧化；沒有霧化的減溫水進(jìn)入就近的受熱面管子，使得第2排部分受熱面管子帶水，管子之間的膨脹差增大。一旦薄弱點(diǎn)的上側(cè)承受的壓應(yīng)力及下側(cè)承受的拉應(yīng)力超出允許應(yīng)力，管子上下側(cè)就會(huì)彎曲變形，甚至斷裂。

表2 機(jī)組啟動(dòng)高壓過熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)

燃?xì)鈾C(jī)組作為主流的調(diào)峰機(jī)組，經(jīng)常是早啟晚停，甚至備用幾天后冷態(tài)啟動(dòng)。由于機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行，每天啟停，受啟停冷熱交變應(yīng)力的影響，引起管子根部疲勞裂紋。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自投產(chǎn)到2013年9月底，1號(hào)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行16 701 h，共啟動(dòng)970次，其中冷態(tài)啟動(dòng)52次，熱態(tài)啟動(dòng)918次。由此可看出，電廠機(jī)組啟停次數(shù)相當(dāng)頻繁。

3 處理方案

3.1 運(yùn)行方式調(diào)整

杭州鍋爐廠專家根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)提出了1個(gè)疑問：機(jī)組在啟動(dòng)階段發(fā)電負(fù)荷40 MW以下時(shí)，是否噴入了大量的減溫水？

針對(duì)專家提出的問題，機(jī)務(wù)專業(yè)會(huì)同熱控專業(yè)查看歷史曲線。經(jīng)核實(shí)：減溫水的控制邏輯符合鍋爐廠要求，負(fù)荷在40 MW以下時(shí)，過熱器減溫水隔斷閥和調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，不會(huì)有大量的減溫水噴入。在此情況下若顯示有減溫水，應(yīng)該是孔板式流量計(jì)在小流量時(shí)顯示數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，但不能排除在閥門內(nèi)漏情況下造成少量減溫水噴入的情況。

由于機(jī)組頻繁啟停，在停機(jī)狀態(tài)下，會(huì)有蒸汽冷凝，造成底部聯(lián)箱蒸汽含水。為了進(jìn)一步消除疏水對(duì)高壓過熱器2的影響，對(duì)其疏水方式進(jìn)行改進(jìn)。具體措施為：機(jī)組啟動(dòng)前，HP DRAIN(高壓疏水)投自動(dòng)，燃機(jī)點(diǎn)火后高過Ⅱ疏水閥自動(dòng)開啟，延時(shí)1 min關(guān)閉，保證蒸汽進(jìn)入高壓過熱器2第2排管道時(shí)，在減溫水未完全氣化的情況下可通過疏水排出。試運(yùn)、觀察一段時(shí)間后，再根據(jù)疏水量和實(shí)際效果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

為了防止鍋爐啟動(dòng)過程中減溫水噴放過量，重新調(diào)整減溫水的設(shè)定溫度(不能按照過熱度大于13.9 ℃時(shí)噴放減溫水)。調(diào)整設(shè)定為比蒸汽額定溫度低30—50 ℃時(shí)再打開減溫水調(diào)節(jié)閥，且在調(diào)節(jié)閥打開過程中，不允許大幅度調(diào)整開度，而應(yīng)逐步增加或者減少。同時(shí)，加強(qiáng)減溫器后疏水，防止減溫水噴放過量進(jìn)入過熱器管道。

3.2 結(jié)構(gòu)形式改造

考慮到原有管道經(jīng)過補(bǔ)焊后不再滲漏，但無法消除疲勞應(yīng)力的產(chǎn)生，為了保證不再頻繁發(fā)生泄漏，制造廠提供了2套方案。

(1) 方案1。更換目前已經(jīng)疲勞的彎管，要求尺寸、型式不變。這種方案比較簡(jiǎn)單，工作量相對(duì)較小，費(fèi)用相對(duì)較低；但不治本，預(yù)計(jì)運(yùn)行3—4年后依然會(huì)發(fā)生裂紋。

(2) 方案2。由高壓過熱器2第2排管道采用管道彎頭吸收管排膨脹差的設(shè)計(jì)原理可知，當(dāng)膨脹差超過彎頭的吸收能力時(shí)，便會(huì)破壞管道焊縫結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生裂縫。為了提高管道吸收膨脹差的能力，使管道無論在何種減溫水噴放情況下都能有足夠的吸收能力，提供了第2種改造方案，即在第2排管道底部加裝一段“S”型管道，改造效果如圖3所示。

圖3 高壓過熱器2“S”型彎管改造效果

與方案1相比，方案2雖然較復(fù)雜，實(shí)施較為困難，備件和施工綜合費(fèi)用較高，但可以補(bǔ)償2排管子間的膨脹差，延長(zhǎng)管子的使用壽命，且同類設(shè)備有改造先例。

4 結(jié)束語

針對(duì)余熱鍋爐高壓過熱器焊縫出現(xiàn)泄漏問題，該電廠聯(lián)合杭州鍋爐廠觀察1年多時(shí)間，嘗試多種處理方案，最終找到了故障原因并采用增加“S”型彎管的方法進(jìn)行改造。

改造后，多次焊縫著色檢查表明：高壓過熱器2的焊縫泄漏問題得到了根本治理，設(shè)備的安全可靠性得到了大幅度提升，鍋爐運(yùn)行效果良好。此次改造措施以及整改經(jīng)驗(yàn)為處理此類缺陷治理提供了參考，具有一定的指導(dǎo)意義。