500MW塔式爐包墻過(guò)熱器頻繁泄漏原因分析及改造方案

山西大唐國(guó)際神頭發(fā)電有限責(zé)任公司 孫志文 閆 鏘

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院 李夢(mèng)陽(yáng)

1 設(shè)備概況

某電廠500MW亞臨界機(jī)組，鍋爐為塔式布置、一次中間再熱、低倍率強(qiáng)制循環(huán)、固態(tài)排渣爐，蒸發(fā)段設(shè)有強(qiáng)制循環(huán)泵和小型汽水分離器。

鍋爐包墻過(guò)熱器和水冷壁均為垂直一次上升全密封式膜式管排結(jié)構(gòu)，外部均設(shè)計(jì)有剛性梁和與主鋼架連接的膨脹導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。包墻過(guò)熱器和水冷壁連接處為交錯(cuò)管密封過(guò)渡焊接結(jié)構(gòu)，將水冷壁及其連接的設(shè)備的重量傳遞到包墻過(guò)熱器上。

包墻過(guò)熱器流向從下而上，順煙氣流方向，入口聯(lián)箱布置在53m，出口聯(lián)箱布置在 94m，根據(jù)出入口聯(lián)箱分布，包墻過(guò)熱器分為A、B、C、D 四路。包墻管設(shè)計(jì)為φ31.8×5，材質(zhì)為15Mo3，包墻外側(cè)的剛性梁共13層，與包墻的管中心距為300mm。剛性梁受熱部分設(shè)計(jì)制作在包墻管屏上，每個(gè)管屏都有單獨(dú)的膨脹零點(diǎn)，剛性梁與包墻用銷軸和拉桿連接，剛性梁端部與包墻角部轉(zhuǎn)角板用鏈板及銷軸連接。

2 鍋爐包墻過(guò)熱器運(yùn)行中存在的問(wèn)題

機(jī)組投產(chǎn)后，包墻過(guò)熱器頻繁發(fā)生泄漏，尤其在低氮燃燒器改造后，包墻過(guò)熱器泄漏次數(shù)明顯增加，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。根據(jù)包墻過(guò)熱器泄漏位置及現(xiàn)象，主要的情況如下。

一是包墻過(guò)熱器長(zhǎng)期超溫導(dǎo)致管材失效，管材表面存在環(huán)向裂紋缺陷，機(jī)組頻繁啟動(dòng)及負(fù)荷波動(dòng)大產(chǎn)生交變應(yīng)力導(dǎo)致頻繁泄漏；二是各聯(lián)箱固定橫梁與包墻焊接部位、剛性梁梳型板固定焊縫、熱鋼帶固定U 型卡焊縫、鋼帶吊桿固定焊縫存在應(yīng)力集中導(dǎo)致頻繁泄漏；三是包墻過(guò)熱器穿墻讓位彎、人孔門讓位彎密封焊縫處存在應(yīng)力集中頻繁泄漏。

3 鍋爐包墻過(guò)熱器頻繁泄漏原因分析

包墻過(guò)熱器泄漏情況如圖1所示。

圖1 包墻過(guò)熱器泄漏情況

圖2 包墻管金相組織老化分析及表面氧化皮

圖3 包墻過(guò)熱器改造前后流量、阻力、溫度、管道壁厚比較

3.1 包墻過(guò)熱器長(zhǎng)期超溫，管材力學(xué)性能降低

包墻過(guò)熱器設(shè)計(jì)材質(zhì)為15Mo3，該材料受熱面管長(zhǎng)期使用壁溫上限值為480℃。近幾年因煤炭供應(yīng)及經(jīng)濟(jì)效益綜合因素影響，入爐煤熱值在13～16MJ/kg，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的18.96MJ/kg。入爐煤熱值降低，煙氣量增加，導(dǎo)致鍋爐包墻過(guò)熱器發(fā)生超溫現(xiàn)象。

表1 燃燒器改造前后包墻過(guò)熱器溫度比較

此外為適應(yīng)超低排放要求，對(duì)燃燒器進(jìn)行改造，采用內(nèi)濃外淡的旋流燃燒器，目的是推遲燃燒，降低爐膛火焰中心溫度，以減少NOx 的生成量，但同時(shí)導(dǎo)致火焰中心上移約6～7m，進(jìn)一步加劇鍋爐包墻過(guò)熱器的超溫情況。低氮燃燒器改造后包墻過(guò)熱器出口蒸汽溫度平均值比設(shè)計(jì)值高41℃，而C 路和D路分別較設(shè)計(jì)值升高了51℃和82℃，達(dá)到了453℃和484 ℃，均超過(guò)報(bào)警值；過(guò)熱器減溫水量由87t/h 增加至198t/h，再熱器減溫水量由28t/h 增加至61t/h，均大幅上升。

取樣試驗(yàn)分析，包墻過(guò)熱器管材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、韌性及斷面收縮率等力學(xué)性能指標(biāo)不斷下降，均低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值。組織珠光體球化等級(jí)不斷升高，不可逆的組織老化情況不斷加劇，部分管材石墨化已達(dá)到四級(jí)，導(dǎo)致包墻過(guò)熱器頻繁泄漏。

對(duì)鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)，從配煤摻燒、制粉系統(tǒng)、配風(fēng)方式、磨煤機(jī)組合方式、一二次配比等方面對(duì)鍋爐各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鍋爐在低氮燃燒器改造后，爐內(nèi)缺氧燃燒，整體火焰中心上移，導(dǎo)致一級(jí)過(guò)熱器、高溫再熱器吸熱量偏高。且低氮燃燒器改造后煤質(zhì)適應(yīng)性變差，鍋爐在燃用低位熱值17MJ/kg 以上的煤質(zhì)時(shí)，基本上能保證機(jī)組帶負(fù)荷能力，超溫問(wèn)題也能得到緩解。但是近年入爐煤熱值平均不到15MJ/kg，因此超溫問(wèn)題難以緩解，燃燒器不能滿足安全穩(wěn)定帶負(fù)荷的要求。

3.2 包墻過(guò)熱器剛性梁固定方式不合理

包墻過(guò)熱器承受附加荷載導(dǎo)致管屏變形嚴(yán)重；剛性梁梳型板固定焊縫、熱鋼帶固定U 型卡焊縫、剛性梁吊桿、聯(lián)箱固定橫梁與包墻過(guò)熱器固定焊縫存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。包墻過(guò)熱器只設(shè)計(jì)水平剛性梁而未設(shè)計(jì)豎向剛性梁，水平剛性梁采用斜拉桿吊掛，斜拉桿生根在墻體上，斜拉桿除承受剛性梁的重量外，在墻體的膨脹和收縮過(guò)程中還要承受其他的附加應(yīng)力。該設(shè)計(jì)不利于水平剛性梁的糾偏，一旦出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，勢(shì)必造成冷熱鋼帶的不平行，滑塊移位受阻，成為一個(gè)新的膨脹死點(diǎn)。鍋爐膨脹量考慮不足，如平臺(tái)、剛梁、立柱、吊架、拉桿對(duì)鍋爐膨脹的限制，進(jìn)而造成拉桿受力不均，出現(xiàn)拉桿拉斷現(xiàn)象。

3.3 其他原因

一是包墻過(guò)熱器穿墻讓位彎、人孔門讓位彎密封焊接設(shè)計(jì)不合理，鰭片與讓位彎焊接部位在彎頭起弧處，應(yīng)力集中易發(fā)生泄漏。二是包墻過(guò)熱器管道設(shè)計(jì)尺寸為φ31.8×5，管壁較薄，強(qiáng)度不足；而管道間鰭片厚度為6mm，鰭片厚度大于管壁厚度，在同樣的受力情況下，管壁容易先拉裂。三是煤粉細(xì)度整體超設(shè)計(jì)值較多，部分磨煤機(jī)分離器擋板無(wú)法調(diào)整，粉管出口煤粉分配偏差較大，煤粉分配不均勻。

4 鍋爐改造方案

4.1 對(duì)鍋爐包墻過(guò)熱器管進(jìn)行改造

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，鍋爐包墻過(guò)熱器泄漏的位置主要集中在53～83m，也是超溫集中區(qū)域。綜合考慮，對(duì)此區(qū)域的包墻過(guò)熱器管進(jìn)行改造，其材質(zhì)由15Mo3升級(jí)為12Cr1MoV，管材規(guī)格尺寸由φ31.8×5改為φ31.8×6.5，壁厚增加1.5mm，同時(shí)增加壁溫測(cè)點(diǎn)。12Cr1MoV 作為小口徑受熱面管，其最高許用溫度可達(dá)到560～580℃，能夠滿足鍋爐的實(shí)際運(yùn)行溫度需要。

4.2 對(duì)包墻過(guò)熱器的剛性梁進(jìn)行調(diào)平、熱鋼帶固定卡進(jìn)行修復(fù)

對(duì)水冷壁、包墻過(guò)熱器的二十七層剛性梁進(jìn)行全面檢查，更換已斷裂的斜拉桿，在53～83m 的水平剛性梁中間加裝豎向剛性梁；調(diào)整較核現(xiàn)有的膨脹指示器，并根據(jù)實(shí)際情況在角部加裝膨脹指示器；消除膨脹死點(diǎn)，使?fàn)t本體自由膨脹。

表2 管道材質(zhì)對(duì)應(yīng)各參數(shù)要求

4.3 將讓位彎密封焊改為密封盒形式

從新設(shè)計(jì)包墻過(guò)熱器穿墻讓位彎、人孔門讓位彎，將讓位彎處的密封焊接改為密封盒與澆鑄料的方式，減少讓位彎密封焊接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5 改造效果

鍋爐包墻過(guò)熱器提材質(zhì)改造后，在滿負(fù)荷工況下，包墻過(guò)熱器各溫度測(cè)點(diǎn)處的運(yùn)行溫度比改造前降低10℃左右，分析為管徑變細(xì)流速加快致使換熱效果增強(qiáng)而引起；同時(shí)因12Cr1MoV 的許用溫度為560～580℃，未發(fā)生因超溫限負(fù)荷現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

鍋爐受熱面泄漏是一個(gè)綜合問(wèn)題，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行全面分析，針對(duì)不同原因采取不同的措施，在日常檢修維護(hù)時(shí)加強(qiáng)防磨防爆檢查，運(yùn)行時(shí)做好摻配煤并及時(shí)進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，再實(shí)施有針對(duì)性的技術(shù)改造，確保鍋爐實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。