某廠WG670T/h鍋爐受熱面改造

顧青

摘 要：電站鍋爐安全、經濟運行，直接影響全廠的安全經濟性，而鍋爐承壓部件的可靠性決定了鍋爐是否能夠長期安全運行。該文主要介紹了某廠WG670T/h鍋爐投產至今的一系列受熱面運行問題和改造方案。

關鍵詞：鍋爐 受熱面 熱偏差 許用溫度 改造

中圖分類號：TK229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0083-02

江蘇華電戚墅堰發電有限公司現役兩臺220MW煤機和兩臺390MW 9F級燃氣輪機，其中兩臺煤機為武漢鍋爐廠設計制造的WG670/13.7—3（4）型超高壓中間再熱自然循環煤粉鍋爐。這兩臺鍋爐采取中間倉儲式，熱風送粉，四角直流切圓燃燒的方式。設計煤種為貧瘦煤。分別被稱為#11爐和#12爐，于1992年9月和1993年6月投產，并于2000年和2001年進行了通流部分改造，使單臺機組裝機容量從200MW增加至220MW。經過十幾年的運行，受熱面承壓部件逐步暴露出一系列問題（表1）。

針對上述暴露的問題，認為受熱面故障排除一些人為或偶然的因素，主要是由于金屬材料本身不足和鍋爐設計存在缺陷兩大因素造成的。

一般來講，鋼材在高溫高壓的工作環境下最容易發生的是蠕變、疲勞。蠕變在低溫或室溫時就會隨時間的增加而產生，但此時塑性變形產生速度非常小，可以忽略不計，當溫度高于0.3Tf（Tf為鋼材熔點的熱力學溫度）時，蠕變才開始較為明顯。碳素鋼在溫度超過300～350℃、合金鋼在溫度超過400～450℃時，在一定的應力作用下，就會發生明顯的蠕變。溫度越高、應力越大、蠕變就越明顯。鋼材在承受周期性變化的應力或應變作用下對斷裂的抗力稱為鋼材的疲勞強度。由于周期性變化應力或應變的作用，鋼材的疲勞強度將低于靜荷時的強度，且與所作用應力或應變的周期性變化次數及形式有關，應力或應變的變化次數越多，鋼材的疲勞強度就越低。此處的疲勞主要是指高溫疲勞。高溫疲勞是蠕變條件下的疲勞問題，通常發生在溫度高于0.5～0.6Tfshi 4，此時疲勞極限往往會急劇下降，且同時存在著疲勞及蠕變的作用。而設計上的缺陷與很多因素相關聯：設計煤種與實際煤種是否相符；機組說處的環境變化；安裝過程中是否存在隱患等。經過長時間的探索和研究，通過局部的改造，機組安全穩定運行的能力得到了極大的提高，下面是該研究者參與和組織的幾項改造任務。

1 改造原因分析，改造設計及改造過程

1.1 高溫過熱器的改造

對于整個鍋爐受熱面來說，高溫過熱器處于溫度最高，壓力相對較高的區域，由于武漢鍋爐廠的高溫過熱器存在結構偏差，第1、2管圈屬于U型布置，第3、4管圈屬于W型布置，所以四組管圈的長度差較大，如表2所示。

從表2中可見高過第3、4管圈的管長是第1、2管圈的2倍多，因而造成同屏熱偏差較大。針對這一問題通過前期改造，于2004年采用在高過出口管段增加節流圈的方法降低同屏管段的吸熱偏差，改造后一段時間內確實能達到預期的目的，壁溫實測數據如表3（℃）。

機組穩定運行一年后，分別至2005年初和2006年初，該廠#12爐、#11爐先后各連續爆管2次，爆管位置均位于高過第3、4管圈彎頭處，爆口特征顯示為長期過熱。分析原因為節流圈改造前第3、4管圈（材質為鋼研102）已長期處于接近鋼研102材料最高許用溫度（620℃）的工況下，而且鋼研102材料的特點就是抗氧化能力較差，管子內壁氧化物較多，影響了傳熱，使管子更容易過熱。另由于彎頭制作中形成的管壁減薄引起管子超溫工況下許用應力的下降，造成管材使用壽命的縮短。在處理爆管的過程中我們發現處于同一環境同一工況下同屏管段上T91材質的管段并未發生氧化剝皮和脹粗現象。

綜合以上情況，鑒于T91材質在實際運行過程中的良好表現決定在保留原有節流圈的基礎上將高過爐內管屏全部更換為T91材質，許用溫度提高至640℃，運行至今未發生一起爐管爆破事故，保證了機組安全運行。

1.2 高溫再熱器的改造

該廠鍋爐高溫再熱器共116屏，每屏6管圈U型布置，原設計最外圈采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，第2～6管圈為鋼研102。投產以來，只發生過一起因備用減溫器噴嘴因長期交變應力作用斷裂進入高再進口小聯箱造成局部管段瞬時過熱引起的爆管事故，但在歷次的“四管”防磨防爆檢查中均發現高再管屏表面存在大面積氧化剝皮的現象，已接近換管標準。由于檢修時間的局限，當時只能采取臨時措施，在爐外增加20個測點用于監控壁溫變化。此后運行中也發生過幾次管屏超溫情況。根據監控壁溫測量數據，運行中采用降溫運行的措施，但效果并不明顯。于是在下次檢修中對有超溫記錄的管段進行詳細檢查，發現管段脹粗并不明顯，但氧化剝皮現象仍很嚴重，氧化層厚度達0.5～0.6mm。割管作金相組織分析表明碳化物球化已達4級（超過4級必須更換），常溫力學強度降低，塑性變壞。然而與此同時第1管圈不銹鋼管材除局部變形外，未發生任何組織性能的變化。

綜合考慮鋼材市場的價格波動和管屏所處工作環境的差異，該廠于2005年#12爐大修中在保留第1管圈不銹鋼的基礎上將第2、3管圈改為T91，第4～6管圈全部更換新的鋼研102管子。2006年#11爐大修中同樣保留第1管圈不銹鋼，第2、3管圈則改為不銹鋼，第4～6管圈全部更換新的鋼研102管子。通過這一改造將接近管材使用壽命的管段全部更換，切實保證鍋爐可靠運行。

1.3 低溫再熱器增加受熱面

由于武漢鍋爐廠低再側和低過側的煙氣擋板開度各為50%時，無法達到再熱器出口設計溫度（設計值為535℃），為提高再熱器出口溫度和鍋爐熱效率，曾采取將低再側與低過側煙氣擋板開度分別調至70%和30%，增加低再側煙氣流量的措施。但煙氣流量增加的同時煙氣流速也加大，由于煙氣中灰顆粒對受熱面管子的磨損量與煙氣流速的三次方成正比，這就造成低再管壁的磨損加劇，嚴重影響機組運行的安全性。在歷次的檢修過程中也采取過大面積加裝防磨護瓦、防磨噴涂等措施，但并未從根本上解決問題。為了達到既能提高再熱器出口溫度，又能均衡兩側豎井煙道內的煙氣流量，減輕低再側受熱面磨損的目的，該廠與江蘇省電力試驗研究院有限公司共同研究決定采取增加低再受熱面，也就是增加再熱器吸熱面積的方法來滿足上述要求，受熱面增加示意圖如圖1。

注：圖中低再虛線部分為原管排布置，細實線部分為受熱面增加部分，打叉部分為割除被取代的原管排。受熱面增加部分高度為6m，寬度為2m，共計104屏，每屏8管圈。

通過改造，兩側煙氣流量得到均衡，低再受熱面磨損情況得到改善，同時也能滿足各種負荷下再熱器出口溫度達到或接近設計值，降低了鍋爐排煙溫度，提高了機組效率，實測數據見表4（℃）。

2 改造后效果分析

鍋爐受熱面的安全可靠直接影響到電廠機組運行的安全性、可靠性和經濟性，通過一系列的改造將最大程度地延長機組設備的使用壽命，提高設備利用率和鍋爐熱效率。改造后機組未發生一起因材質或因過熱引起的爆管事故，為鍋爐長期安全運行提供了強有力的保障，機組運行經濟性得到大幅提升。

3 改造后可能產生的負面影響及建議

通過一系列的改造后機組安全性得到保證，但同時也有可能產生以下幾方面的負面影響。

鍋爐受熱面材料參差不齊，異種鋼焊接的幾率增大，極有可能在今后的檢修過程中發生取材失誤，建議對爐內管屏進行統計造冊，以免在檢修過程中發生錯領錯用管材、焊材的情況。鋼材市場發展可能會導致例如T91一類的鋼材價格異動，從而造成電廠維護成本的增加，加上燃煤等不確定因素導致電廠經濟效益的滑坡，建議在適當時機儲備部分鋼材，以利檢修維護。繼續做好“四管”防磨防爆檢查工作，不能掉以輕心，始終要將這一工作作為重中之重，嚴密監視受熱面組織性能的發展變化。

參考文獻

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