聯合循環余熱鍋爐高壓過熱器泄漏原因分析及處理

李志永，左興堂，張宗友

1 機組概況

鋼鐵廠燃用低熱值高爐煤氣燃氣—蒸汽聯合循環發電機組（簡稱CCPP）是當下較先進、技術應用程度廣泛的節能環保技術，為鋼鐵企業煤氣合理利用開辟了新用戶，其最大限度發揮煤氣效能，降低環境污染，實現循環經濟的良性循環，滿足企業提高競爭力的迫切需要[1]。我廠150 MW燃氣—蒸汽聯合循環發電機組，主體設備從日本三菱公司成套引進，由重型燃氣輪機及配套高效軸流煤氣壓縮機，雙壓、雙缸混合冷凝式汽輪機、密閉自循環空冷發電機組成單軸聯合循環機組，機組配套一臺杭州鍋爐廠設計、制造的NG-M701S(DA)-R型余熱鍋爐，機組于2011年1月18日建成并投入運行。

NG-M701S(DA)-R型余熱鍋爐為引進美國N/E公司技術制造的雙壓、帶自身除氧、臥式、無補燃、自然循環燃機余熱鍋爐，采用模塊化、全懸吊單排框架結構，如圖1所示。

余熱鍋爐由5個受熱面模塊、除氧器和高、低壓汽包及附件組成。模塊按照煙氣流向順序布置，各受模塊內的受熱面組成見表1。

表1 各模塊內受熱面組成

余熱鍋爐主要參數如下：

（1）燃機排氣煙氣參數

環境溫度：10.1℃；

大氣壓力：1013.2 hPa；

濕度：55%；

燃機背壓(靜壓)：≤3010 Pa；

燃機排氣流量：1475 t/h；

鍋爐進口煙溫：543℃。

（2）高壓蒸汽主要參數(設計工況)

最大連續蒸發量：176.5 t/h；

額定蒸汽出口壓力：7.39 MPa；

額定蒸汽出口溫度：523℃。

（3）低壓蒸汽主要參數(設計工況)

最大連續蒸發量：33.5 t/h；

額定蒸汽出口壓力：0.81 MPa；

額定蒸汽出口溫度：265℃。

2 高壓過熱器運行中出現的泄漏問題

高壓過熱器分為高壓過熱器2（高溫段）和高壓過熱器1（低溫段），高壓過熱器2和高壓過熱器1布置在模塊1中，中間設置噴水減溫器。高壓過熱器采用吊掛式，整個模塊熱態向下膨脹約144 mm，下部聯箱與底部鋼梁用螺栓鉸接固定。高壓過熱器橫向排數為60排，縱向高、低溫段各4排，為管徑φ38.1的開齒螺旋鰭片管，前后兩排鰭片管鰭片外圓間隔各為24 mm，前兩排與后兩排管鰭片外圓間隔為120 mm；鰭片管長為18.5 m，管子材料為12Cr1MoVG，螺旋鰭片材料為SS409，鰭片管每隔3 m加裝一道防護格柵，共計5道，防護格柵由40mm×24mm×2mm扁鋼做成小方格固定每根鰭片管。

高壓過熱器工質流程為雙回路，工質一次流過鍋爐寬度方向的兩排管子，如圖2所示。

圖2 高壓鍋爐工質流程

來自高壓鍋筒的飽和蒸汽通過連接管進入高壓過熱器1進口集箱，依次流經4排鰭片管，進入高壓過熱器1出口集箱，再由連接管引至噴水減溫器，根據高壓主蒸汽集箱出口汽溫進行噴水減溫后，進入高壓過熱器2進口集箱，又依次流經4排鰭片管進入高壓過熱器2出口集箱，通過連接管至高壓主蒸汽集汽集箱后送入汽輪機。

機組自2011年投產約一年以后，高壓過熱器2開始發生泄漏問題，至2013年底高壓過熱器2共計發生6次引起停爐的泄漏事件，停爐檢查發現防振支架處過熱器鰭片管磨損，鰭片損壞后直接磨損管壁，受熱面打水壓均可發現2～3處泄漏點，集中在下數第2，第3道防振支架的角部，即左數第28～33根管子處（共60根），其間過熱器底部聯箱疏水管發生3次相同位置的焊口斷裂（如圖3所示）嚴重影響機組的正常生產。

圖3 高壓過熱器疏水管斷裂宏觀

3 高過2泄漏原因分析

我廠余熱鍋爐發生的問題主要都集中在高壓過熱器2，高壓過熱器1的情況要好很多，檢查其余模塊受熱面運行良好，沒有發生磨損。與其他型式的鍋爐相比，余熱鍋爐結構比較特殊，運行時極易產生振動，煙氣進入余熱鍋爐后受進口煙道截面形狀的影響，煙氣流的擾動較大，煙氣壓力分布也不均勻，當煙氣橫向沖刷到管束上時會使管子晃動，嚴重時還會造成管子振動。振動最主要原因是，管束外部繞流引起的卡門漩渦脫離頻率和駐波振動頻率比較接近，引起旋渦的誘發振動；模塊內煙氣速度選取過高也是造成管束振動的原因[2]。結合我廠機組運行實際情況，分析認為高過2主要由以下幾點原因引起振動進而磨損泄漏。

(1)余熱鍋爐設計不合理

我廠余熱鍋爐鰭片管長為18.5 m，比杭鍋同型號的燃機高出了4 m，鰭片管越長剛性越差，管間需要增加更多、更為牢固的防振隔板，以提高駐波振動頻率，使其與卡門漩渦振動頻率交錯，避免共振。另外燃機出口到高過二受熱面僅10.3 m，距離太短，沒有過度煙道，燃機出口螺旋的煙氣無法穩流，旋轉的煙氣直接沖擊高過2受熱面，隨燃機負荷不同，煙氣的沖擊中心不斷變化，加劇了管屏的振動。

(2)機組運行方式不當

受鋼鐵企業主流程生產特性影響，為配合公司煤氣動態調整，機組需要頻繁升降負荷參與煤氣調峰工作，聯合循環機組升、降負荷的速度比燃煤機組快得多，從滿負荷調整至半負荷僅需約25 min，負荷調整期間燃機排氣流量、溫度、壓力變化速率很大，對鰭片管的材料與結構特性提出較大考驗，疲勞破壞、交變應力等引起的問題不可避免。

(3)模塊防振措施不足，防振格柵強度不夠

我廠余熱鍋爐高壓過熱器沿管束長度方向設計安裝有5道由40mm×24mm×2mm扁鋼制作的防振格柵，格柵為梳齒狀采用點焊固定。實際運行中高過2受面工作環境最為惡劣，受煙氣直接沖擊，防振格柵強度不足，檢修時發現高過2第2、3、4道防護格柵完全松動脫落，防振格柵脫落后進一步加劇管束及管屏的整體晃動。管束的自由晃動，加劇了鰭片管的磨損情況，鰭片磨光后直接磨損管壁，從面造成高過2鰭片管磨損泄漏；而整體管屏的晃動造成底部聯箱連接件螺栓松動脫落，加劇疏水管晃動，造成疏水管斷裂。

4 改進措施

針對以上原因，我廠結合機組中修機會，分兩次對高過2鰭片管進行整體更換，與廠家技術人員反復論證檢修方案，采取對應措施以降低過熱器管束及管屏的整體晃動，避免管束磨損。

(1)強化防振格柵、設計制作格柵處管束防磨套管

結合檢修換管重新制作加固的防振格柵，新格柵用寬80 mm厚18 mm的不銹鋼板代替原設計寬40 mm厚2 mm的扁鋼作為橫柵，固定鰭片管的格柵用寬24 mm厚6 mm的不銹鋼板切割成90 mm小塊后與橫柵進行焊接，把每根鰭片管固定在小方格內。為避免防振格柵與管束間的磨損，將防振格柵處300 mm長的鰭片管局部管束更換為光管，在光管 上 焊 接 保 護 套 管 （φ51×5.5mm， 材 質12Cr1MoVG），套管上焊導向塊（規格 20×12mm，材質1Cr18Ni9Ti），消弭管束與防振支架之間的間隙及磨損，管束固定點結構如圖4所示。

圖4 管束固定點結構

(2)加裝防振橫梁，增加模塊整體強度

分別在高過2前、后與高過1前、后的管束防振格柵位置設計加裝防振橫梁。防振橫梁截面長200 mm寬150 mm，由12 mm厚不銹鋼板制作而成，防振梁靠在防振橫格柵上，中心高與各層橫柵熱態膨脹后的中心相同，使橫梁推板中心在爐子熱態時，正好靠在鰭片管防振橫柵中心；高過2后與高過1前的防振橫梁間每隔一定距離裝有加強版，將防振橫梁連接為一個整體，提高受熱管屏的整體強度。橫梁兩端支撐處切開鍋爐側墻H型鋼保溫，用不銹鋼板做成#字型馬蹬焊接在H型鋼上，馬蹬上焊接不銹鋼板制作的方盒子，橫梁放在方盒子里，各方向留出足夠膨脹間隙，過熱器間防振橫梁結構如圖5。

圖5 過熱器間防振橫梁宏觀結構

(3)過熱器底部聯箱連接件加固

余熱鍋爐原設計每個下聯箱有兩道連接件，共計四道。模塊為運輸吊裝方便，在每個聯箱兩端焊有護板，安裝后切除，檢修時在剩余護板上焊接不銹鋼板，按照原設計重新加裝四道過熱器下聯箱連接件，使下聯箱連接件增加一倍，共計八道連接件，進一步固定管屏下部聯箱，防止聯箱晃動，同時將所有連接件的鉸接螺栓焊接固定，防止脫落。

另外結合公司生產實際對機組運行方式進行優化調整，聯合循環機組不作為配合鋼鐵主流程煤氣平衡的主要調峰機組，維持高負荷穩定運行，同時制定機組負荷調整管理規定，如確需進行負荷調整，明確在不同負荷區間內的調整速率及時間間隔，避免機組頻繁升降負荷及負荷升降速率過快造成燃機排氣溫度、壓力、流量的急劇變化，減緩對余熱鍋爐安全穩定運行造成的不利影響。

5 效果評價

機組大修后距今運行已接近2年，通過對過熱器管束及管屏整體防振方案的創新改進，運行期間余熱鍋爐再未發生過熱器管束泄漏問題，結合例修停爐檢查各防振措施未見異常，運行良好，說明檢修方案技術處理得當，為聯合循環機組的安全運行打下了良好的基礎。

[1]楊順虎．燃氣—蒸汽聯合循環發電設備及運行[M]．北京：中國電力出版社，2003．

[2]葉向群等.聯合循環余熱鍋爐管束振動的原因及防治措施[J].發電設備,2012(26):37-39.