NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器爆管原因分析及解決辦法

張俊偉

(深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引言

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組因其有啟?？?、調峰性能強、發電效率高、排放污染低、建設周期短、系統設備相對少、自動化程度高等優點，近年來在我國發電企業中的應用越來越廣泛。NG-M701F-R型余熱鍋爐，與M701F 燃氣輪機(以下簡稱燃機)相匹配，為三壓、再熱、無補燃、自然循環、臥式露天布置，設計熱效率為86.46%。前灣燃機電廠一期3×390 MW燃氣-蒸汽聯合循環發電機組是與廣東省液化天然氣項目相配合的大型項目之一，各配1臺NG-M701F-R型余熱鍋爐。2005年該廠投產以來，3臺余熱鍋爐的高壓過熱器均出現爆管現象，爆管位置多集中在高壓過熱器2個中間集箱與其進口管束的拉拔管接口焊紋處。據了解，其他采用NG-M701F-R型余熱鍋爐的電廠也存在此問題。因此，準確分析該現象產生的原因，提出有針對性的措施并實施，對于采用該型余熱鍋爐的電廠十分迫切。

1 NG-M701F-R型余熱鍋爐結構概述

NG-M701F-R型余熱鍋爐采用單排框架結構，全懸吊形式，主要由進口煙道、余熱鍋爐本體(本體受熱面和鋼架護板)、出口煙道、主煙囪、高中低壓汽包、汽水管道、平臺扶梯等部件以及給水泵、給水再循環泵、排污擴容器等輔機組成。該型余熱鍋爐的本體受熱面采用N/E標準設計模塊結構，由垂直布置的順列螺旋鰭片管和進出口集箱組成。共包含6個模塊，每個模塊沿余熱鍋爐寬度方向分成左、中、右3個管屏，管屏上端懸掛在頂部懸吊裝置上，管屏下端的集箱采用柔性支撐，便于管屏垂直方向的膨脹和收縮；在各管屏的高度方向設置了防振支架，并在整個模塊寬度方向的不同間距上設置了隔振板，這樣設計的目的是防止高速煙氣沖擊管束引起振動和噪聲[1]。燃機排出的高溫煙氣通過進口煙道進入余熱鍋爐本體，依次沖刷第1至第6模塊，最后通過出口煙道由主煙囪排向大氣。其中，模塊1包括再熱器2、高壓過熱器2，模塊2包括再熱器1、高壓過熱器1。

2 高壓過熱器布置、工質流程及爆管情況

NG-M701F-R型余熱鍋爐的高壓過熱器由高壓過熱器2和高壓過熱器1組成，高壓過熱器2屬高溫段，而高壓過熱器1屬低溫段，它們分別布置在模塊1和模塊2中，中間還設置了噴水減溫器。高壓過熱器2的縱向排數為2排，橫向排數為105排，采用開齒螺旋鰭片管；高壓過熱器2的管子材料為SA213T91，鰭片材料為SS409，鰭片管與中間集箱采用拉拔管對接焊縫形式，中間集箱材質為SA335P91。高壓過熱器1的縱向排數為4排，橫向排數為108排，也采用開齒螺旋鰭片管；高壓過熱器1的管子材料為SA213T22，鰭片材料為SS409。NG-M701F-R型余熱鍋爐的高壓主蒸汽主要設計參數:最大連續蒸發量，276.70 t/h；額定蒸汽出口壓力，10.22 MPa；額定蒸汽出口溫度，540.00 ℃。高壓過熱器的工質采用全回路流程，工質一次流過鍋爐寬度方向的一排管子；來自高壓汽包的飽和蒸汽通過飽和蒸汽連接管進入高壓過熱器1進口集箱，依次流經4排鰭片管后進入高壓過熱器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，再依次流經2排鰭片管后進入高壓過熱器2出口集箱，由連接管引至由高壓主蒸汽集汽集箱，最后由高壓主蒸汽管道進入汽輪機高壓缸[1]。高壓過熱器工質流程如圖 1所示。

圖1 高壓過熱器工質流程示意

Fig.1 Working substance flow of high-pressure superheater

前灣燃機電廠一期余熱鍋爐高壓過熱器的爆管位置多集中在高壓過熱器2中間集箱與其進口管束的拉拔管接口焊紋處；采用同型號余熱鍋爐的其他電廠也存在高壓過熱器爆管問題，且爆管位置也集中在高壓過熱器2中間集箱與其進口管束的拉拔管接口焊紋處。

3 高壓過熱器爆管原因分析

經過與余熱鍋爐廠家及相關技術人員的共同研究分析，認為造成高壓過熱器爆管的原因主要有以下幾方面。

(1)周期性熱應力引起管子疲勞裂紋。余熱鍋爐每次啟、停或調峰運行，管子的壓力和溫度呈周期性交替變化，日積月累，將產生疲勞裂紋。以前灣燃機電廠為例，每臺機組平均年啟、停次數達230～250次；另外，由于燃機啟、停時間短，且升降負荷快，因此燃機電廠也承擔著重要的電網調峰任務。

(2)機組經常帶低負荷運行，且在低負荷運行時高壓過熱器減溫水流量容易超量程。某NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器減溫水情況統計見表1。

由表1可知，當機組負荷≤276.23 MW時，高壓過熱器減溫水流量已超量程(32.15 t/h)。由于NG-M701F-R型余熱鍋爐的高壓過熱器按單級減溫水設計，減溫器后的蒸汽溫度下降相對較大，減溫器后的蒸汽過熱度相對較小，在220.00 MW時減溫器前、后蒸汽溫差甚至達到180.00 ℃，這樣容易造成減溫器后的蒸汽局部帶水嚴重，尤其以高壓過熱器2進口管束最靠近減溫水的管束(左側)帶水程度最為嚴重；進入余熱鍋爐內部檢查時也發現，僅有高壓過熱器2進口管束最靠近減溫水的管束(左側)與中間集箱連接處出現裂紋[2]。高壓過熱器2進口管束最靠近減溫水的管束(左側)受噴水減溫影響最大，溫度過低，而高壓過熱器2進口管束離減溫水較遠的管束(右側)受噴水減溫影響較小，因此該區域的管束溫度相對較高；高壓過熱器2進口管束最靠近減溫水的管束(左側)溫度與高壓過熱器2進口管束離減溫水較遠的管束(右側)溫度有一定的偏差，兩者的熱膨脹量也不同；高壓過熱器2進口管束最靠近減溫水的管束(左側)溫度較低，其熱膨脹量相對較小，所以受到拉力，拉應力集中在高壓過熱器2中間集箱與其進口管束的拉拔管接口焊紋處，當此處拉應力超過其所能承受的最大應力時，就會產生裂紋甚至爆管。

表1 某NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器減溫水情況統計Tab.1 Statistics on desuperheating water in a high-pressure superheater of a NG-M701F-R heat recovery boiler

(3)金相分析發現，個別鰭片管與高壓過熱器2中間集箱的拉拔管對接焊縫焊接和熱處理過程存在偏差，焊接區的缺陷需要局部修復。局部返修后二次加熱，使得靠近焊縫熔合線母材區域的晶粒急劇變大[3]。

(4)管束結構影響。高壓過熱器2中間集箱與其進口管束之間采用90°彎管連接方式，而與其出口管束之間采用直管連接方式。高壓過熱器2中間集箱的出口管束位于煙氣流向的上游，而高壓過熱器2中間集箱的進口管束則位于煙氣流向的下游。高溫煙氣在加熱高壓過熱器2中間集箱的出口管束后，才對高壓過熱器2中間集箱的進口管束進行加熱，因此高壓過熱器2中間集箱的出口管束溫度較高，向下的膨脹量較大，而高壓過熱器2中間集箱的進口管束又受減溫器過來的減溫水的影響，管壁溫度更低，管束向下的膨脹量則相對較小。高壓過熱器2中間集箱進、出口管束膨脹差的存在將形成附加應力。高壓過熱器2中間集箱的進、出口管束溫差越大，膨脹量相差也就越大，附加應力的影響也就越大。當高壓過熱器2中間集箱與其進口管束的拉拔管接口焊紋處附加應力超過其所能承受的最大應力時，就會出現裂紋，甚至爆管。

(5)旋轉煙氣流的影響。燃機的轉速為3 000 r/min，燃機透平的排氣流量為2 343.36 t/h，燃機透平的排氣溫度為588.00 ℃，燃機透平的排氣壓力為3.30 kPa，燃機透平的排氣經燃機排氣段、余熱鍋爐進口煙道后，仍將以一定的流速旋轉進入余熱鍋爐本體受熱面。因此作用到余熱鍋爐本體受熱面管子上的力可分為2種，一種是煙氣往余熱鍋爐方向流動時產生的軸向作用力，另一種是煙氣流旋轉產生的剪切力。從燃機往余熱鍋爐側看，煙氣流順時針旋轉。根據余熱鍋爐本體受熱面管屏的懸吊和管子布置方式可知，在剪切力的作用下，從燃機往余熱鍋爐側看，管屏會往左擺動，同時在自身重力作用下又會向右擺動；在軸向力的作用下，管屏將向煙氣流動方向擺，同時在自身重力作用下又會沿煙氣流動反方向擺動。由于余熱鍋爐模塊1(再熱器2、高壓過熱器2)位于余熱鍋爐內煙氣流向上的最首端，因此其受到的軸向力和剪切力最大[4]。若余熱鍋爐內防振支架強度不夠的話，易引起防振支架損壞，而一旦防振支架損壞，則會加劇余熱鍋爐本體內各模塊管子的損壞。另外，旋轉煙氣流也會使進入管屏前的煙氣流場不均勻，管屏或管子因受熱不均而形成熱偏差，產生熱應力，日積月累，從而導致管子損壞。

4 高壓過熱器爆管的應對措施

針對高壓過熱器爆管的原因，提出了以下應對措施并實施。高壓過熱器2原始結構如圖2所示，高壓過熱器2改進后結構如圖3所示。

(1)優化機組運行方式。加強與電力調度機構的緊密聯系，最大限度地爭取機組連續運行的時間；機組不宜長時間在較低負荷下調峰運行，通過與電力調度機構進行交流和溝通，機組按不低于70% 額定負荷進行調峰運行，即夏季不低于250.00 MW、冬季不低于280.00 MW[2]；對原三菱設定的燃機溫控線進行優化，適當降低燃機的排煙溫度，從而使高壓過熱器的減溫水流量不超量程。

圖2 高壓過熱器2原始結構示意

Fig.2 Original structure of the No.2 highpressure superheater

圖3 高壓過熱器2改進后結構示意

Fig.3 Improved structure of the No.2 highpressure superheater

(2)加強高壓過熱器檢修工作的管理，嚴格控制檢修質量。參加設備檢修的人員應注意現場檢修裝配工藝和順序，必須按照工藝要求實施裝配、焊接及焊后熱處理。焊口質量必須經射線探傷檢驗合格[5]。相關技術監督人員應制定詳細、科學、合理的監督計劃，并嚴格按計劃跟蹤監督好高壓過熱器檢修工作中的各個環節，確保各環節檢修質量優秀。

(3)為減小模塊1中高壓過熱器2中間集箱的進、出口管束膨脹差，減少高壓過熱器2中間集箱與其進口管束的拉拔管接口焊紋處附加應力，增加其補償能力，在高壓過熱器2第2排管束進入中間集箱處增加一個補償彎管。

(4)為防止燃機運行過程中排放旋轉煙氣流引起余熱鍋爐各模塊管屏振動導致管子的損壞，不僅加固了余熱鍋爐模塊的防振支架，還裝設了防振梁。

5 結束語

周期性熱應力、減溫水流量超量程、焊接質量不合格、管束結構不合理、旋轉煙氣流是導致高壓過熱器爆管的主要原因。為解決高壓過熱器爆管問題，前灣燃機電廠采取的措施包括：(1)優化機組運行方式；(2)加強高壓過熱器檢修工作的管理；(3)在高壓過熱器2第2排管束進入中間集箱處增加一個補償彎管；(4)加固余熱鍋爐模塊的防振支架并裝設防振梁。在采取上述4項措施后，前灣燃機電廠一期3臺發電機組的余熱鍋爐高壓過熱器運行狀況一直良好，表明對高壓過熱器爆管的原因分析及采取的措施是科學、合理的。NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器爆管問題的解決，可為其他同類型設備電廠的安全運行提供參考。