燃機電廠余熱鍋爐高壓過熱器泄漏的處理

王文龍

(東亞電力(廈門)有限公司，福建 廈門 361102)

0 概況

廈門某燃機電廠由新加坡某集團獨資建設，配套中海油2004年在福建省開始投建的LNG(液化天然氣)項目，進口印尼東固氣田天然氣，安裝2臺390 MW單軸燃氣-蒸氣聯合循環機組。該項目是福建省“十一五”的重點建設工程——LNG一體化項目的主要子項目之一。燃機采用西門子SGT5-4000F (V94.3A)型機組，汽機采用上海汽輪機廠LZN135.8-12.23/0.354/564/549型設備，鍋爐采用杭州鍋爐廠NG-V94.3A-R型設備。共規劃設計4×390 MW機組，1期建設2臺，已分別于2009年5月和2010年6月投產。

機組采用的NG-V94.3A-R型鍋爐是在引進美國NOOTER/ERIKSEN設計技術的基礎上，由杭州鍋爐廠自身開發研究制造的，為三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環余熱鍋爐。鍋爐本體受熱面采用N/E標準設計模塊結構，受熱面管采用高開齒螺旋鰭片管，鍋爐煙囪標高65 m，正壓運行。沿鍋爐寬度方向各受熱面模塊組成如表1所示。

高壓過熱器分為高壓過熱器1(低溫段)，高壓過熱器2(中溫段)和高壓過熱器3(高溫段)，其中高壓過熱器2(中溫段)和高壓過熱器3(高溫段)布置在模塊1中，高壓過熱器1(低溫段)布置在模塊2中，中間設置噴水減溫器。

高壓過熱器2橫向排水有132排，縱向排水有2排，為管徑Φ38.1的開齒螺旋鰭片管。管子材料為T91，螺旋鰭片材料為409L。下部集箱規格：Φ168.3×31.8 mm，材料為12Cr1MoVG。

表1 余熱鍋爐各受熱面模塊

高壓主蒸汽流程如圖1所示，高壓過熱器工質流程為全回路，工質一次性流過鍋爐寬度方向的一排管子。來自高壓鍋筒的飽和蒸汽通過連接管進入高壓過熱器1的進口集箱，流經2排鰭片管，進入高壓過熱器1的出口集箱，由連接管引至1級噴水減溫器。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的進口集箱，再流經2排鰭片管進入高壓過熱器2的出口集箱；經連接管進入高壓過熱器3的進口集箱，再流經2排鰭片管進入高壓過熱器3的出口集箱；由連接管引至2級噴水減溫器，根據高壓主蒸汽集箱出口汽溫進行噴水減溫后，再由連接管引至高壓主蒸汽集汽集箱。

1 發現故障

自2013年開始，該電廠1，2號鍋爐高壓過熱器2底部聯箱陸續出現焊縫開裂漏水缺陷，影響機組連續運行。由于每次焊縫開裂處理需要停機約3天，不僅嚴重影響經濟效益，也對電廠設備的安全可靠性造成了很大影響。

在小修期間，對1號機組高壓過熱器2底部聯箱焊縫進行檢查，發現12根焊縫出現了深度不一的裂紋，高壓過熱器2底部聯箱焊縫薄弱點如圖2所示。沿煙氣流方向看，第1聯箱為第2，3，4，5，21，42，43，44根，第2聯箱為第1，2，44根，第3聯箱為第44根，共計12根焊縫出現裂紋。

圖1 高壓主蒸汽流程

圖2 高壓過熱器2蒸汽流程及受力分析

發現故障后，杭州鍋爐廠技術人員結合現場情況做出打磨、補焊、熱處理的臨時處理方案。該電廠對問題焊縫進行了打磨、補焊以及后續熱處理、著色檢查等處理措施。但在2014年的2次小修和臨修全面檢查中，又發現1號機組高壓過熱器2底部聯箱焊縫出現裂紋，隨后也都按上述方案進行了臨時處理。2014年12月底，在小修期間對2號機組高壓過熱器2底部聯箱焊進行檢查，又發現11根焊縫出現了深度不一的裂紋。

2臺鍋爐在同一部位出現類似故障，說明這不是偶然現象。為此，該電廠成立治理小組并聯手杭州鍋爐廠，詳細分析運行和檢修時測量的數據，查找根本原因。

2 原因分析

《鍋爐使用說明書》減溫器操作規程以及聯合循環啟動期間出口汽溫的控制說明中均明確提出：減溫器給水隔斷閥(中間級和末級)不能在蒸汽出力還沒有達到基本負荷的25 %、減溫器和最終蒸汽溫度與設定溫度差小于13.9 ℃之前打開。蒸汽在飽和溫度附近時，管與管之間產生較大的膨脹差，噴水減溫會導致管子損壞。

從電廠提供的運行數據(見表2)可以看到，機組負荷在40 MW及以下時，2臺機組噴入的減溫水流量和高負荷時相差無幾，此時主蒸汽流量才幾十噸，甚至還沒有達到基本負荷的25 %。如果此時減溫水流量數據為真，這是不符合運行規程的。

分析高壓過熱器2的設計圖可知，在正常情況下，第1排管子與第2排管子之間的膨脹差，是通過第2排管子上方的恒力彈簧吊架來吸收的；第2排管子之間的膨脹差，只能通過底部彎頭來吸收，如圖2所示。

在鍋爐啟動過程中，蒸汽溫度上升速度快，但蒸汽流量上升速度慢，此時減溫水設置是過熱度大于13.9 ℃時開啟。此時調節閥開度調整仍是按照正常運行時開啟，開啟減溫水調節閥容易造成減溫水過量，導致部分減溫水無法汽化進入高壓過熱器2第2排管道。出現上述情況時，鍋爐低負荷運行，噴入了大量減溫水，鍋爐產生的蒸汽不足以將減溫水完全霧化；沒有霧化的減溫水進入就近的受熱面管子，使得第2排部分受熱面管子帶水，管子之間的膨脹差增大。一旦薄弱點的上側承受的壓應力及下側承受的拉應力超出允許應力，管子上下側就會彎曲變形，甚至斷裂。

表2 機組啟動高壓過熱器運行數據

燃氣機組作為主流的調峰機組，經常是早啟晚停，甚至備用幾天后冷態啟動。由于機組調峰運行，每天啟停，受啟停冷熱交變應力的影響，引起管子根部疲勞裂紋。據不完全統計，自投產到2013年9月底，1號機組累計運行16 701 h，共啟動970次，其中冷態啟動52次，熱態啟動918次。由此可看出，電廠機組啟停次數相當頻繁。

3 處理方案

3.1 運行方式調整

杭州鍋爐廠專家根據機組運行數據提出了1個疑問：機組在啟動階段發電負荷40 MW以下時，是否噴入了大量的減溫水？

針對專家提出的問題，機務專業會同熱控專業查看歷史曲線。經核實：減溫水的控制邏輯符合鍋爐廠要求，負荷在40 MW以下時，過熱器減溫水隔斷閥和調節閥處于關閉狀態，不會有大量的減溫水噴入。在此情況下若顯示有減溫水，應該是孔板式流量計在小流量時顯示數據不準確，但不能排除在閥門內漏情況下造成少量減溫水噴入的情況。

由于機組頻繁啟停，在停機狀態下，會有蒸汽冷凝，造成底部聯箱蒸汽含水。為了進一步消除疏水對高壓過熱器2的影響，對其疏水方式進行改進。具體措施為：機組啟動前，HP DRAIN(高壓疏水)投自動，燃機點火后高過Ⅱ疏水閥自動開啟，延時1 min關閉，保證蒸汽進入高壓過熱器2第2排管道時，在減溫水未完全氣化的情況下可通過疏水排出。試運、觀察一段時間后，再根據疏水量和實際效果進行優化調整。

為了防止鍋爐啟動過程中減溫水噴放過量，重新調整減溫水的設定溫度(不能按照過熱度大于13.9 ℃時噴放減溫水)。調整設定為比蒸汽額定溫度低30—50 ℃時再打開減溫水調節閥，且在調節閥打開過程中，不允許大幅度調整開度，而應逐步增加或者減少。同時，加強減溫器后疏水，防止減溫水噴放過量進入過熱器管道。

3.2 結構形式改造

考慮到原有管道經過補焊后不再滲漏，但無法消除疲勞應力的產生，為了保證不再頻繁發生泄漏，制造廠提供了2套方案。

(1) 方案1。更換目前已經疲勞的彎管，要求尺寸、型式不變。這種方案比較簡單，工作量相對較小，費用相對較低；但不治本，預計運行3—4年后依然會發生裂紋。

(2) 方案2。由高壓過熱器2第2排管道采用管道彎頭吸收管排膨脹差的設計原理可知，當膨脹差超過彎頭的吸收能力時，便會破壞管道焊縫結構，產生裂縫。為了提高管道吸收膨脹差的能力，使管道無論在何種減溫水噴放情況下都能有足夠的吸收能力，提供了第2種改造方案，即在第2排管道底部加裝一段“S”型管道，改造效果如圖3所示。

圖3 高壓過熱器2“S”型彎管改造效果

與方案1相比，方案2雖然較復雜，實施較為困難，備件和施工綜合費用較高，但可以補償2排管子間的膨脹差，延長管子的使用壽命，且同類設備有改造先例。

4 結束語

針對余熱鍋爐高壓過熱器焊縫出現泄漏問題，該電廠聯合杭州鍋爐廠觀察1年多時間，嘗試多種處理方案，最終找到了故障原因并采用增加“S”型彎管的方法進行改造。

改造后，多次焊縫著色檢查表明：高壓過熱器2的焊縫泄漏問題得到了根本治理，設備的安全可靠性得到了大幅度提升，鍋爐運行效果良好。此次改造措施以及整改經驗為處理此類缺陷治理提供了參考，具有一定的指導意義。