高溫爐煙管道水冷系統(tǒng)泄漏原因及對策

周志亮

（上海電力監(jiān)理咨詢有限公司，上海 200031）

0 引言

褐煤的顏色為深褐色，含碳量為25%～35%，水分含量高達(dá)66%，灰分含量為6%～19%，其發(fā)熱量為10 kJ/kg～20 kJ/kg。其作為一種低熱質(zhì)的煤炭，是發(fā)育不完全，處于無煙煤和泥炭之間狀態(tài)的煤。在煤炭資源比較缺乏的地區(qū)應(yīng)用比較廣泛，但由于其含有較多的水分，且易自燃，會增加運輸和儲存成本，因此很少在市場流通。全世界褐煤總儲量約4萬億噸，占全世界煤炭總儲量的40%左右。中國已探明的褐煤保有儲量約1 300億噸，占全國煤炭儲量13%。另有褐煤預(yù)測資源量1 900億噸。在煤炭資源日趨緊張的今天，特別是優(yōu)質(zhì)煤保有量逐年減少，部分需求還依賴進(jìn)口，而電力需求缺口依然很大，現(xiàn)階段我國褐煤利用效率和經(jīng)濟(jì)性相對較低。因此，開發(fā)高效利用褐煤的新途徑勢在必行，膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道工藝可以較好的利用褐煤，通過其干燥作用，能夠有效提高褐煤利用率，其應(yīng)用前景十分廣闊。

1 工藝簡介

該電廠鍋爐使用燃煤為低熱值褐煤，配套為風(fēng)扇磨煤機(jī)，因其熱值低、濕度大，首次選用膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道（已取得專利），每臺機(jī)組設(shè)置8套高溫爐煙管道，爐前布置2根高溫爐煙管道，爐側(cè)各布置 3 根高溫爐煙管道。高溫爐煙管道入口與混合室出口連接，接口中心標(biāo)高為 81.724 m；煙道出口與磨煤機(jī)入口聯(lián)接，標(biāo)高 7.500 m。每根煙道總長約83.000 m?；谖灰啤⒅圃?、檢測、運輸及安裝等方面的考慮，將膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道根據(jù)每根管道的具體走向及支承吊掛點位置等情況分為若干段。整根管道由進(jìn)口橢圓變圓連接段、若干個彎頭、直管段、圓變方磨煤機(jī)接口段和補償器組成。每根煙道道布置14～15個支吊架和7個膨脹節(jié)，以減小煙道進(jìn)出口相鄰設(shè)備對管道的推力，降低煙道工作時因受熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使管系的荷載分布均衡，并保證煙道的密封性能和冷卻水系統(tǒng)暢通可靠。

2 工藝原理

2.1 煙氣流程

在該電廠中制粉系統(tǒng)為3種介質(zhì)（熱煙+熱空氣+冷煙）干燥風(fēng)扇磨直吹式系統(tǒng)。由爐膛出口處抽來的熱煙溫度為1 084.0 ℃，由空預(yù)器出口送來的熱風(fēng)溫度為318.0℃，由鍋爐排煙處抽來的冷煙溫度為 151.0℃。不同溫度與比熱的3種介質(zhì)按熱煙 56.94%、熱風(fēng) 26.02%、冷煙 17.04%的質(zhì)量份額，在混合室混合后作為干燥劑進(jìn)入膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道，混合后的溫度即管道入口干燥劑溫度為759.9℃ 。干燥劑在管道內(nèi)從上往下流經(jīng)長度約為 68.0 m 的上段管道到標(biāo)高23.0 m處時，干燥劑溫度降至 746.2℃ 。煙道在標(biāo)高 23.0 m 處設(shè)有落煤管，煤經(jīng)過落煤管進(jìn)入煙道后被干燥劑快速加熱，約有40%的燃煤水分被蒸發(fā)，高溫爐煙管道出口處干燥劑的溫度為 242.7℃。在風(fēng)扇磨內(nèi)，燃煤被磨制成一定細(xì)度的煤粉，同時煤粉也被進(jìn)一步干燥。在磨煤機(jī)出口，干燥劑與煤粉風(fēng)粉混合物的溫度為 150.0℃。管道內(nèi)平均煙氣流速約 20.0 m/s。

2.2 高溫爐煙管道膜式內(nèi)冷系統(tǒng)流程

膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道冷卻水取自6 號低壓加熱器出口，流經(jīng)總管后由273 mm×10 mm 的環(huán)形給水母管和89 mm×6 mm的進(jìn)口連接管分配至每根高溫爐煙管道冷卻水進(jìn)口集箱。每根高溫爐煙管道冷卻水進(jìn)口連接管上布置截止閥、孔板流量計、單向閥和壓力表各1個。每根爐煙管道冷卻水進(jìn)口集箱上布置1組排污閥。冷卻水流經(jīng)高溫爐煙管道后，進(jìn)入每根高溫爐煙管道冷卻水出口集箱，通過89 mm×6 mm的出口連接管與環(huán)形冷卻水匯集管連通，并通過冷卻水出口總管匯入 5 號低壓加熱器出口管道后，進(jìn)入除氧器。每根高溫爐煙管道冷卻水出口集箱上布置1個排汽閥和鉑電阻溫度計。每根出口連接管上布置手動調(diào)節(jié)閥和手動截止閥各1個。冷卻水出口環(huán)形匯集管上布置排汽閥和安全閥各1個。冷卻水出口總管上布置有增壓水泵和電動調(diào)節(jié)閥。為保證給水系統(tǒng)的水質(zhì)，在出口管道上設(shè)有過濾器旁路，在膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道調(diào)試和投運初期使用。正常運行后，為降低冷卻水流動阻力，切換到直通管路運行[1]。

3 膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道各項工藝參數(shù)

冷卻水系統(tǒng)泄漏情況統(tǒng)計表見表1。

4 膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道裝配工藝

為了便于物流運輸、轉(zhuǎn)車接駁、卸貨吊裝和安裝拼接，膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道的直段煙道、彎頭煙道、內(nèi)冷式補償裝置、風(fēng)扇式磨煤機(jī)入口接管、2只環(huán)形集箱間的連接短管以及內(nèi)外側(cè)封板等以裝配部件的形式出廠。每段直段煙道、彎頭煙道和內(nèi)冷式補償器的兩端集箱上均開有8個78 mm 的圓孔，現(xiàn)場安裝時，只需用 8 根78 mm 的同材質(zhì)碳鋼短管與上下2個集箱之間以角焊縫形式焊接連通即可。上下2個集箱之間的 8 根76 mm×6 mm的連通管，在上下兩段煙道對接前應(yīng)采取措施預(yù)先放置并固定，嚴(yán)格防止連接短管掉入下方的集箱中。彎頭煙道與直段煙道相連接時，應(yīng)先將彎頭煙道兩端的直段煙道按圖紙尺寸連接定位，再將彎頭煙道與兩端直段煙道連接。彎頭上下環(huán)形集箱上的 8 個連接管開孔位置要根據(jù)對接直段煙道上的開孔位置現(xiàn)場開孔，可采用氧氣火焰切割。

膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。由高壓鍋爐無縫鋼管與扁鋼焊接組成膜式水冷壁圓筒結(jié)構(gòu)，膜式壁兩端與環(huán)形集箱連接，相鄰管段的集箱之間用短管連接，構(gòu)成膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道受壓元件本體，本體受壓元件筒體節(jié)圓直徑3 145 mm。沿管道圓周方向水冷管為 104 根，水冷管規(guī)格為45 mm×6 mm，扁鋼寬度為 50 mm，厚度為8 mm。膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道水系統(tǒng)的環(huán)形集箱有273 mm×12 mm、219 mm×16 mm、159 mm×16 mm、133 mm×12 mm 等不同的規(guī)格。本體內(nèi)側(cè)設(shè)有絕熱層和耐磨層，外部敷設(shè)保溫材料，煙道內(nèi)徑2 660 mm，外徑3 354 mm。

圖1 膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道結(jié)構(gòu)

5 膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道熱態(tài)運行期間泄漏情況

在拼裝完成膜式內(nèi)冷高溫爐煙管道后，將對其內(nèi)冷系統(tǒng)進(jìn)行1.5倍設(shè)計壓力水壓測試，測試通過后，對各段接口處進(jìn)行耐磨和保溫材料澆筑，澆筑施工結(jié)束后逐根進(jìn)行烘爐干燥，將澆筑料含水率控制在設(shè)計范圍內(nèi)。從鍋爐首次點火至鍋爐適應(yīng)汽輪發(fā)電機(jī)組變負(fù)荷工況狀態(tài)來看，其對褐煤干燥作用、膜式內(nèi)冷熱交換作用、管系膨脹補償作用等均達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。但其冷卻水系統(tǒng)即膜式內(nèi)冷系統(tǒng)多次發(fā)生泄漏，統(tǒng)計情況見表2。

表2 冷卻水系統(tǒng)泄漏情況統(tǒng)計表

6 原因分析

經(jīng)觀察和檢查泄漏位置，98%的泄漏點（極少部分漏點為工廠制作和現(xiàn)場焊縫缺陷導(dǎo)致）出現(xiàn)在2只環(huán)形集箱連接管角焊縫邊緣處，如圖2所示。此連接管道與環(huán)形集箱一側(cè)以接管座（工廠內(nèi)制作安裝）形式承插焊接，一側(cè)直接在集箱對應(yīng)位置開孔承插焊接。

7 造成泄漏的主要原因

7.1 工藝設(shè)計存在缺陷

7.1.1 工藝設(shè)計與相關(guān)規(guī)程規(guī)范存在偏差

該電廠于2012年開始進(jìn)入施工階段，2015年5月份第一臺機(jī)組啟動并投入商業(yè)運行，2016年2月份3臺機(jī)組全部移交業(yè)主。設(shè)計單位對全廠汽水管道設(shè)計依據(jù)[2]《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》DL/T5054—1996版，在翻閱該規(guī)定時發(fā)現(xiàn)附錄C第C.3章“主管未加強(qiáng)開孔最大允許直徑d的計算”K'（最小壁厚與有效壁厚之比，說明管壁的富裕系數(shù)）計算值為0.22，主管無須補強(qiáng)（K'＜0.4不需補強(qiáng)），而附錄C第4章第4.3.4條“焊制三通結(jié)構(gòu)尺寸的選擇”規(guī)定，焊制三通長度可取2.3倍主管外徑D0，但不應(yīng)小于2倍主管內(nèi)徑Di，高度可取1.2倍主管外徑D0?，F(xiàn)場所設(shè)計使用的主管即環(huán)形集箱外徑D0為133 mm，內(nèi)徑Di為100 mm，連接管即支管長度為132 mm（含插入集箱），明顯不能滿足4.3.4條所規(guī)定的支管長度和高度要求。

圖2 泄漏位置

7.1.2 焊接組裝設(shè)計存在缺陷

角焊縫泄漏位置均靠近相鄰連接管之間的加強(qiáng)板處，兩段爐煙管道（最長7.3 m，重30 t）通過端部環(huán)形集箱連接而成，按照設(shè)計圖紙和設(shè)備安裝方案要求，連接管（8根76×6mm無縫鋼管，材質(zhì)20G，長度132 mm（含插入集箱部分））組對、焊接完成后再進(jìn)行環(huán)向加強(qiáng)板（內(nèi)外各1組）拼裝，加強(qiáng)板（δ=12 mm）與短管及角焊縫均滿焊，相當(dāng)于在原有角焊縫上再次堆焊，造成焊縫處，特別是熱影響區(qū)應(yīng)力過于集中，由于支管長度和高度不符合《規(guī)定》要求，在熱態(tài)運行時無法有效釋放應(yīng)力，導(dǎo)致角焊縫邊緣靠近加強(qiáng)板處屢次發(fā)生泄漏。

7.1.3 焊接組裝施工難度較大

連接管與環(huán)形集箱采用承插式結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加了施工難度，必須按2組、每組2人對稱焊接，特別是內(nèi)側(cè)焊縫必須在高溫爐煙管內(nèi)施焊，焊接完成后受結(jié)構(gòu)限制只能通過PT檢測表面或近表面缺陷，對施工難度和焊接質(zhì)量勢必帶來不利影響。

7.2 維修適應(yīng)性存在瑕疵

7.2.1 一旦泄漏必須停機(jī)處理，影響電廠經(jīng)濟(jì)效益

從熱運行狀態(tài)來看，整個爐煙管道未發(fā)生過煙氣泄漏，說明內(nèi)壁耐磨澆注料的施工質(zhì)量和各膨脹節(jié)的制造質(zhì)量和設(shè)計質(zhì)量完全滿足要求，而膜式內(nèi)冷系統(tǒng)一旦出現(xiàn)內(nèi)部泄漏（外部泄漏可以將整根管道隔離后在線處理），泄漏的水會在一定程度上影響褐煤的干燥作用，因為無法做到有效隔離，所以必須熄火停爐，待爐膛溫度降至50℃以下時方可進(jìn)入管道內(nèi)，從而不可避免地增加了停機(jī)維修時間，勢必影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

7.2.2 維修空間有限，處理難度大，周期長

考慮到煙氣和煤粉的通流性，整根管道內(nèi)部隔熱層內(nèi)壁光滑，導(dǎo)致無腳手架生根點，腳手架必須從地面搭設(shè)，整個管道長達(dá)83 m，從以往處理經(jīng)驗來看，如果在40 m位置出現(xiàn)內(nèi)漏，從開始進(jìn)入到完成后管道封閉，至少需要4 d時間，而且該設(shè)備所設(shè)計的2個斜管段在很大程度上阻礙內(nèi)部維修工作，所以在運行過程中如果發(fā)生冷卻水內(nèi)漏，很難快速處理。

8 結(jié)語

該文優(yōu)化了環(huán)形集箱之間的連接方式，即取消環(huán)形集箱之間連接管，改用鋼板連接，同時在集箱外側(cè)增加接管座（工廠制作），使用彎管或金屬軟管將2個管段集箱對焊連接，焊接工藝較原有設(shè)計得到明顯改善，對接焊縫的質(zhì)量和強(qiáng)度也能得到有效保證，從熱運行角度來看，改進(jìn)后的工藝設(shè)計不僅可以使連接管不承受或承受非常小的應(yīng)力，而且一旦發(fā)生泄漏，也可以在線處理。另外可以在爐煙管適當(dāng)位置增加檢修人孔，以便快速準(zhǔn)確地找到內(nèi)部漏點，同時可以配合深井探測器一并使用（在該電廠使用效果非常好）。為了提高維修效率，可以在爐煙管2個直段的適當(dāng)位置分別設(shè)置一個可移動式檢修段，在快速確定漏點位置后可以使用滑軌拉出，再從段口處搭設(shè)腳手架，可以大大縮短內(nèi)部漏點處理時間。