電廠MGGH早期失效原因分析及對(duì)策

嚴(yán)小華, 鮑 聽

(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司， 杭州 311121)

某電廠 2號(hào)燃煤機(jī)組于2015年底完成超低排放改造并投運(yùn)。超低排放系統(tǒng)包含水媒管式GGH(簡(jiǎn)稱MGGH)，其中煙氣冷卻器(共4臺(tái))布置于空氣預(yù)熱器之后、電除塵器之前的煙道上。投運(yùn)僅8個(gè)月，煙氣冷卻器C的換熱管就發(fā)生泄漏，至2017年1月，4臺(tái)煙氣冷卻器均出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。由于該電廠擔(dān)負(fù)著附近工業(yè)園區(qū)的集中供熱任務(wù)，對(duì)機(jī)組可靠性要求很高。因此，分析MGGH泄漏原因并提出解決方案對(duì)提高供熱的可靠性具有重要意義。

筆者通過對(duì)早期泄漏失效的MGGH換熱管和運(yùn)行工況進(jìn)行仔細(xì)研究分析，并對(duì)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了改進(jìn)措施以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

1 MGGH泄漏點(diǎn)宏觀檢查

2號(hào)機(jī)組停機(jī)期間，將4個(gè)煙氣冷卻器全部拆解，對(duì)換熱模塊(共計(jì)128組)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有32組模塊存在泄漏點(diǎn)。根據(jù)水壓試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合冷卻器模塊的隔離記錄，查找出了最早發(fā)生泄漏的模塊，對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)分析。

模塊編號(hào)AB3的泄漏點(diǎn)位于迎煙氣面第1排(見圖1)，靠近支撐隔板位置。泄漏點(diǎn)附近部分區(qū)域的翅片有減薄，翅片最小厚度為0.72 mm(公稱厚度為2 mm)。切開管子觀察發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)區(qū)域的管內(nèi)壁較為光滑，未發(fā)現(xiàn)由內(nèi)向外的腐蝕痕跡。

圖1 泄漏點(diǎn)外壁(模塊編號(hào)AB3)

模塊編號(hào)CA1的泄漏點(diǎn)位于迎煙氣面第2排(見圖2)，位于模塊最底部。泄漏點(diǎn)附近翅片大面積減薄，翅片最小厚度為1 mm(公稱厚度為2 mm)，翅片高度減少到9 mm(公稱高度為14 mm)。切開管子觀察發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)區(qū)域的翅片以及管壁無明顯腐蝕。

圖2 泄漏點(diǎn)外壁(模塊編號(hào)CA1)

2 泄漏管樣理化檢測(cè)分析

2.1 成分分析

分別選取了模塊AB3(ND鋼材質(zhì))、模塊CA1(316L材質(zhì))的管樣進(jìn)行定量光譜檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)分別列于表1、表2。根據(jù)光譜檢測(cè)結(jié)果，這兩個(gè)管樣的成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 ND鋼管樣光譜(OES)分析結(jié)果 %

表2 316L管樣光譜(OES)分析結(jié)果 %

2.2 金相分析

光譜分析結(jié)果顯示，模塊編號(hào)AB3的ND鋼金相組織為珠光體，模塊編號(hào)CA1的ND鋼金相組織為奧氏體，所檢測(cè)的管樣的金相組織正常(見圖3)。

圖3 金相組織

2.3 硬度檢測(cè)

管樣硬度分析結(jié)果見表3。硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，管樣的硬度正常。

表3 管樣硬度分析結(jié)果

3 煙氣流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

2號(hào)機(jī)組的冷卻器受場(chǎng)地區(qū)域原有鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的限制，其布置形式與新建機(jī)組不同：從平面上看，兩側(cè)冷卻器的進(jìn)口煙道傾角遠(yuǎn)大于其他工程；從立面上看，由于靜電除塵器入口前的煙道上部無擴(kuò)展空間(上部正對(duì)脫硝出口煙道)，因此煙氣冷卻器是頂平布置(見圖4)[1-2]。另外冷卻器進(jìn)口煙道導(dǎo)流板布置形式也不同于其他工程。

采用CFD軟件對(duì)煙氣冷卻器建模進(jìn)行流場(chǎng)分析(見圖5)，從煙氣速度分布情況看，煙氣冷卻器入口處局部區(qū)域的煙氣流速明顯偏高。煙氣冷卻器A、B入口煙道處最高煙氣流速達(dá)到20 m/s。

圖5 煙氣速度分布

從顆粒分布數(shù)值模擬情況看，由于導(dǎo)流板的存在，在導(dǎo)流板后方出現(xiàn)速度較小區(qū)域，而且在導(dǎo)流板與壁面可能存在渦流，這都會(huì)給積灰創(chuàng)造有利條件，導(dǎo)致入口處積灰加重(見圖6)。另外在兩端處換熱管間的煙氣速度與中間換熱管間的煙氣速度存在差異，可能導(dǎo)致渦流，加重高低溫段之間的積灰[3-4]。

圖6 飛灰顆粒分布

下式可反映受熱面管磨損速率的影響因素[5]。

T=C·η·k·ω3·τ

(1)

式中：T為管壁面的磨損量，g/m2；C為比例常數(shù)，代表了灰分的磨損性能，煤種不同飛灰的物化性能不同,對(duì)管壁的磨損也會(huì)不同；η為灰粒質(zhì)量撞擊管壁的幾率；k為煙氣中灰粒質(zhì)量濃度，g/m3；ω為煙氣流速，m/s；τ為作用時(shí)間，s。

由式(1)可以看出：磨損量與煙氣流速的三次方成正比，也就是說，在眾多影響因素中，煙氣流速對(duì)管壁磨損速率的影響最為顯著。在換熱器中，局部煙氣流速的增大，將顯著加劇換熱管的磨損。

現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)流板磨損情況與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。由于導(dǎo)流板傾斜角度過大，導(dǎo)致煙氣進(jìn)入煙氣冷卻器時(shí)局部位置流速加快，加劇了飛灰對(duì)高溫段的迎風(fēng)面翅片管的沖刷磨損，最終導(dǎo)致高溫段部分迎風(fēng)面換熱管被磨穿(見圖7)；煙塵在導(dǎo)流板局部區(qū)域集聚沖刷，加上導(dǎo)流板上的加強(qiáng)筋會(huì)使煙氣流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生渦流，最終造成導(dǎo)流板磨損。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)A冷卻器導(dǎo)流板磨損照片

制造廠在換熱模塊中間設(shè)置了兩塊隔板，起到固定換熱管的作用。現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，隔板附近的換熱管普遍有減薄，這可能是由于隔板阻擋煙氣形成渦流，導(dǎo)致磨損加劇。

4 運(yùn)行工況分析

選取2號(hào)機(jī)組2016年發(fā)生管式煙氣冷卻器泄漏前2季度的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見表4)。

表4 煙氣冷卻器運(yùn)行參數(shù)

由表4可見：

(1) 由于管式煙氣入口無流量測(cè)點(diǎn)，因此選取省煤器出口煙氣量進(jìn)行計(jì)算，按空氣預(yù)熱器漏風(fēng)系數(shù)為6%考慮，管式煙氣入口煙氣量未超過設(shè)計(jì)值。

(2) 2號(hào)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，煙氣冷卻器進(jìn)口溫度基本在106 ℃以上，出口溫度在89 ℃左右，符合設(shè)計(jì)值，未出現(xiàn)低于酸露點(diǎn)的情況[6]，符合設(shè)計(jì)要求。

(3) 吹灰用蒸汽壓力未超過設(shè)計(jì)值，現(xiàn)場(chǎng)檢查也未發(fā)現(xiàn)靠近吹灰器區(qū)域的換熱管有明顯的吹損痕跡。

5 結(jié)語

理化檢測(cè)分析結(jié)果顯示，所取泄漏管樣的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，基本可排除內(nèi)壁腐蝕導(dǎo)致泄漏的可能性。流場(chǎng)數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示，煙氣冷卻器入口段局部煙氣流速較高。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，煙氣擋板局部磨損，換熱管的泄漏點(diǎn)也大多位于迎煙氣面，泄漏點(diǎn)附近存在不同程度的磨損減薄情況。

綜合上述分析，2號(hào)機(jī)組煙氣冷卻器發(fā)生早期泄漏失效的直接原因?yàn)轱w灰磨損，這是由于導(dǎo)流板設(shè)計(jì)和模塊支撐隔板設(shè)計(jì)上存在缺陷所造成。為了解決磨損問題，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性，建議采取以下應(yīng)對(duì)措施:

(1) 改進(jìn)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，解決導(dǎo)流板局部磨穿和局部煙氣流速過高的問題。

(2) 改進(jìn)模塊支撐隔板設(shè)計(jì)，解決隔板周圍區(qū)域翅片管磨損的問題。

(3) 增設(shè)防磨措施，如在高溫段模塊前增設(shè)假管或防磨裝置，降低煙氣對(duì)換熱管的磨損。