600 MW亞臨界機組高壓加熱器失效分析及改造

朱永葆

(河北大唐國際王灘發(fā)電有限責任公司，河北 唐山 063610)

0 前 言

某電廠安裝有2×600 MW國產(chǎn)亞臨界燃煤機組，汽輪機、汽輪發(fā)電機及鍋爐分別由哈爾濱三大主機廠供貨，每臺機組配備三臺高壓加熱器(以下簡稱高加)，均由原大連日立寶原機械設備有限公司設計、制造。兩臺機組在2005年12月通過168試驗并正式投產(chǎn)。

1 高加系統(tǒng)及設備簡介

兩臺機組均采用八級回熱系統(tǒng)，每臺機組包括四級低壓加熱器、一級除氧器和三級高加；其高加系統(tǒng)采用大旁路，即三臺高加共用一個給水旁路，不能單獨隔離；如果有一臺高加故障，則1號、2號、3號高加(逆給水流向、從鍋爐往除氧器編號，抽汽壓力由高到低)需同時切除，使給水從旁路通過?；責嵯到y(tǒng)詳情見圖1。

圖1 回熱系統(tǒng)布置圖

三臺高加均為臥式、管殼式，采用三段式布置，即蒸汽冷卻段、凝結(jié)段、疏水冷卻段。三臺高加主要的設計和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：

表1 三臺高加的設計及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 高加換熱管失效情況及影響

2.1 高加換熱管失效情況簡介

該電廠兩臺機組自2005年投產(chǎn)以來，根據(jù)表2所列數(shù)據(jù)，兩臺機組的3號高加堵管數(shù)量及堵管率比較接近，以下情況介紹與分析工作均圍繞1號機3號高加展開。該高加在2012年至2020年間多次發(fā)生換熱管泄漏，堵管已接近設計的最大允許堵管數(shù)150根(堵管余量5%)，嚴重制約機組安全運行。高加原設備外形圖見圖2，高加現(xiàn)場擺放位置(汽輪機平臺16.7 m，與主控室相鄰)見圖3，高加換熱管的泄漏位置分布情況見圖4，兩臺機組高加堵管數(shù)量及堵管率見表2，1號機3號高加歷次泄漏及堵管數(shù)量見表3。

表2 兩臺機組高加堵管數(shù)量及堵管率

表3 1號機3號高加歷次泄漏及堵管數(shù)量

圖2 3號高加原設備外形圖

圖3 3號高加現(xiàn)場位置

圖4 高加換熱管泄漏及堵管位置分布圖

2.2 高加換熱管泄漏對機組運行的影響

高加是汽輪機回熱系統(tǒng)的最重要的輔機設備之一[1]，對電廠機組的安全、經(jīng)濟運行有著非常重要的影響。高加的管程是高壓給水，殼程是壓力較低的中壓缸抽汽，并且殼程通過抽汽管道與汽輪機缸體相連接。一旦高加換熱管發(fā)生較為嚴重的爆管事故，管程的給水會大量涌入殼程，引起殼體內(nèi)部疏水水位急劇升高、疏水也會嚴重汽化，如不及時處理，殼體內(nèi)部滿水后會造成疏水倒灌進入汽輪機的嚴重后果，甚至可能導致汽輪機遭受水沖擊的事故。

為應對這種情況，高加系統(tǒng)設有可靠的三級保護系統(tǒng)。當高加換熱管發(fā)生爆管事故時系統(tǒng)發(fā)出液位報警，當水位繼續(xù)上升，危急疏水調(diào)節(jié)閥迅速動作，排出過高的疏水，如水位不受控制，給水三通、閘閥關(guān)閉，可將給水切換至旁路運行，有效隔絕高加的給水進口水量，防止發(fā)生汽輪機進水等不安全事故。高加系統(tǒng)切除后，將極大降低高加出口至鍋爐的給水溫度，影響機組運行的經(jīng)濟性[2]。高加系統(tǒng)在連續(xù)最大負荷工況運行時，可以將給水溫度由180 ℃加熱到285 ℃左右，因此任何一臺高加發(fā)生換熱管泄漏事故時都會增加發(fā)電成本，降低電廠發(fā)電的經(jīng)濟效益。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2020年一年，1號機3號高加就發(fā)生4次泄漏事故，合計造成煤耗損失費用、機組非停啟動費用約200萬元。

此外，高加的頻繁退出會造成各部件的溫度應力變化，最終出現(xiàn)疲勞裂紋，并逐漸加劇擴大，對機組安全及運行值班員人身安全造成極大隱患。

3 高加換熱管泄漏失效分析

通過對1號機3號高加換熱管泄漏情況進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)導致?lián)Q熱管泄漏的原因主要是機組運行與設備維護、高加的結(jié)構(gòu)設計與加工制造等方面的問題。

3.1 機組運行與設備維護

機組自建成投運以來，面臨電網(wǎng)調(diào)度要求，負荷水平無法維持長時間的穩(wěn)定，年平均運行小時數(shù)約3 000小時，以月或星期為周期的負荷波動情況出現(xiàn)較多，在一定程度上使得高加所承受的介質(zhì)流量經(jīng)常變化，較為頻繁的機組負荷變化對高加壽命會產(chǎn)生不利的影響。

機組啟停時，高加投運、退出的溫度變化率過大，使高加換熱管和管板連接處受到很大熱應力，管口焊縫很可能發(fā)生損壞，引起泄漏。

高加事故中疏水調(diào)門開啟，高加液位過低，加熱蒸汽通過事故疏水管路快速進入凝汽器；當通過高加管束間的蒸汽流量超過設計值時，流速也相應超過設計值，嚴重時會使管束發(fā)生振動，有時甚至產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這些振動使管束外壁與管板上的管孔發(fā)生碰磨，高加在長期運行后換熱管的薄弱位置便可能發(fā)生泄漏。

高加換熱管發(fā)生泄漏后，因停機時間緊張，優(yōu)先封堵可查證的泄漏位置，未對已知泄漏點周圍的換熱管進行預防性封堵，當機組啟停時這些可能受損的換熱管容易再次發(fā)生泄漏。

由于機組停機時間有限，高加水室短期內(nèi)難以徹底冷卻、干燥，使得檢修環(huán)境惡劣，檢修人員在施焊時焊接工藝無法達到要求，容易造成焊口應力集中，無法保證封堵的質(zhì)量，機組啟停過程或者變工況時已封堵的管口處容易再次發(fā)生泄漏。

3.2 高加的結(jié)構(gòu)設計與加工制造

高加管束的管子與管板之間采用機械脹管、管口焊接的方式，可能存在部分換熱管脹接長度不夠、脹接強度不足等問題，制造工藝存在隱患。

高加蒸汽進口區(qū)域的防沖擊擋板設置不合理，通過對3號高加換熱管泄漏位置分布情況進行分析，結(jié)合渦流探傷檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏或是減薄較為嚴重的都是靠近外圈和蒸汽進口區(qū)域附近的位置，更加反映出蒸汽擋板遮擋區(qū)域不夠充分的問題。

高加疏水容積不足，3號高加承接了同一機組三臺高加的疏水量，其內(nèi)徑與其他兩臺的一致，可容納疏水的空間不足會導致3號高加殼體內(nèi)部的水位異常波動，極有可能造成疏水冷卻段內(nèi)部發(fā)生汽液兩相的問題，換熱管會受到?jīng)_擊破壞。

通過使用說明書等資料和高加檢修時的實物對照，發(fā)現(xiàn)高加換熱管和管板的焊接接頭位于管板端面的管孔內(nèi)部，結(jié)合堵管過程中的實際經(jīng)驗，這類焊接接頭的型式與國內(nèi)主流廠家通用的換熱管與管板焊接接頭的有較大差異；通過實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)主流廠家生產(chǎn)的高加所采用的換熱管與管板焊接接頭型式，在運行中較少發(fā)生類似管口破壞的事故，更為成熟、可靠。兩種型式的管板與換熱管焊接接頭對比(詳見圖5)。

圖5 兩種型式的管板與換熱管焊接接頭對比

4 高加設備改進措施

通過上述分析，電廠運維人員應著力提升現(xiàn)場運行維護水平，避免使用不當，應更換新高加并對設備結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[3]。經(jīng)過細致調(diào)研，擬采用國內(nèi)主流動力設備制造商供貨的產(chǎn)品，并且新高加應切實滿足以下幾個方面的要求：

根據(jù)原熱力平衡圖進行優(yōu)化設計，結(jié)合現(xiàn)場運行特點對設備進行必要的校核計算，以確保高加能夠承受機組負荷變化帶來的影響。

新高加的換熱管壁厚應不小于原設備的設計值，如有必要應要求對重點區(qū)域的換熱管壁厚進行加厚設計，以提升其抗沖擊能力。

嚴格控制高加換熱管內(nèi)的給水流速上限，要求在保證現(xiàn)場設備安裝的前提下，將流速控制在2.4 m/s以內(nèi)，如有必要應適當增加換熱管數(shù)量。

要求高加廠家提供防止高加管束受流體誘導振動的詳細措施并提供管束整體的防振設計和計算依據(jù)，確保管束安全性。

對高加蒸汽進口區(qū)域的防沖刷擋板要求進行優(yōu)化，擋板選用不銹鋼，充分覆蓋下方管束，增加擋板厚度及支撐(如有必要)，同理其他如疏水進口處的防沖擊措施也應加強。

5 結(jié) 論

1號機3號高加自運行以來頻繁發(fā)生換熱管泄漏事故，至今堵管率已接近設計壽命。通過對換熱管多次泄漏的情況進行匯總和分析，可以發(fā)現(xiàn)一方面是由于運行、維護的不到位、不及時，換熱管泄漏問題無法得到很好的處理；另一方面由于原高加固有的一些問題，如局部結(jié)構(gòu)設計不合理、制造過程中可能存在的一些缺陷，高加在使用過程中難免發(fā)生換熱器泄漏，且隨著運行時間的推移越發(fā)頻繁。

鑒于該高加的壽命已屆使用上限，繼續(xù)運行的損壞率將不斷提高，為了配合機組運行，需要對該高加更換改造。新高加的更換，要重點關(guān)注選型優(yōu)化、設計優(yōu)化，即根據(jù)機組最新的熱平衡圖并結(jié)合日常運行的實際情況，對新高加進行全新設計，尤其要關(guān)注換熱管尺寸、制造工藝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面。在客觀、充分的調(diào)研工作的基礎上，依托國內(nèi)主流動力設備廠家，在其完善的技術(shù)服務下，提升現(xiàn)場運維和檢修水平，減少因換熱管泄漏導致的非停，提高設備的可用小時數(shù)，保證機組安全穩(wěn)定運行。