600 MW亞臨界機(jī)組高壓加熱器失效分析及改造

朱永葆

(河北大唐國(guó)際王灘發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 唐山 063610)

0 前 言

某電廠安裝有2×600 MW國(guó)產(chǎn)亞臨界燃煤機(jī)組，汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)及鍋爐分別由哈爾濱三大主機(jī)廠供貨，每臺(tái)機(jī)組配備三臺(tái)高壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱高加)，均由原大連日立寶原機(jī)械設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)、制造。兩臺(tái)機(jī)組在2005年12月通過(guò)168試驗(yàn)并正式投產(chǎn)。

1 高加系統(tǒng)及設(shè)備簡(jiǎn)介

兩臺(tái)機(jī)組均采用八級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組包括四級(jí)低壓加熱器、一級(jí)除氧器和三級(jí)高加；其高加系統(tǒng)采用大旁路，即三臺(tái)高加共用一個(gè)給水旁路，不能單獨(dú)隔離；如果有一臺(tái)高加故障，則1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高加(逆給水流向、從鍋爐往除氧器編號(hào)，抽汽壓力由高到低)需同時(shí)切除，使給水從旁路通過(guò)?；?zé)嵯到y(tǒng)詳情見(jiàn)圖1。

圖1 回?zé)嵯到y(tǒng)布置圖

三臺(tái)高加均為臥式、管殼式，采用三段式布置，即蒸汽冷卻段、凝結(jié)段、疏水冷卻段。三臺(tái)高加主要的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：

表1 三臺(tái)高加的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 高加換熱管失效情況及影響

2.1 高加換熱管失效情況簡(jiǎn)介

該電廠兩臺(tái)機(jī)組自2005年投產(chǎn)以來(lái)，根據(jù)表2所列數(shù)據(jù)，兩臺(tái)機(jī)組的3號(hào)高加堵管數(shù)量及堵管率比較接近，以下情況介紹與分析工作均圍繞1號(hào)機(jī)3號(hào)高加展開(kāi)。該高加在2012年至2020年間多次發(fā)生換熱管泄漏，堵管已接近設(shè)計(jì)的最大允許堵管數(shù)150根(堵管余量5%)，嚴(yán)重制約機(jī)組安全運(yùn)行。高加原設(shè)備外形圖見(jiàn)圖2，高加現(xiàn)場(chǎng)擺放位置(汽輪機(jī)平臺(tái)16.7 m，與主控室相鄰)見(jiàn)圖3，高加換熱管的泄漏位置分布情況見(jiàn)圖4，兩臺(tái)機(jī)組高加堵管數(shù)量及堵管率見(jiàn)表2，1號(hào)機(jī)3號(hào)高加歷次泄漏及堵管數(shù)量見(jiàn)表3。

表2 兩臺(tái)機(jī)組高加堵管數(shù)量及堵管率

表3 1號(hào)機(jī)3號(hào)高加歷次泄漏及堵管數(shù)量

圖2 3號(hào)高加原設(shè)備外形圖

圖3 3號(hào)高加現(xiàn)場(chǎng)位置

圖4 高加換熱管泄漏及堵管位置分布圖

2.2 高加換熱管泄漏對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

高加是汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的最重要的輔機(jī)設(shè)備之一[1]，對(duì)電廠機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常重要的影響。高加的管程是高壓給水，殼程是壓力較低的中壓缸抽汽，并且殼程通過(guò)抽汽管道與汽輪機(jī)缸體相連接。一旦高加換熱管發(fā)生較為嚴(yán)重的爆管事故，管程的給水會(huì)大量涌入殼程，引起殼體內(nèi)部疏水水位急劇升高、疏水也會(huì)嚴(yán)重汽化，如不及時(shí)處理，殼體內(nèi)部滿水后會(huì)造成疏水倒灌進(jìn)入汽輪機(jī)的嚴(yán)重后果，甚至可能導(dǎo)致汽輪機(jī)遭受水沖擊的事故。

為應(yīng)對(duì)這種情況，高加系統(tǒng)設(shè)有可靠的三級(jí)保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)高加換熱管發(fā)生爆管事故時(shí)系統(tǒng)發(fā)出液位報(bào)警，當(dāng)水位繼續(xù)上升，危急疏水調(diào)節(jié)閥迅速動(dòng)作，排出過(guò)高的疏水，如水位不受控制，給水三通、閘閥關(guān)閉，可將給水切換至旁路運(yùn)行，有效隔絕高加的給水進(jìn)口水量，防止發(fā)生汽輪機(jī)進(jìn)水等不安全事故。高加系統(tǒng)切除后，將極大降低高加出口至鍋爐的給水溫度，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[2]。高加系統(tǒng)在連續(xù)最大負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，可以將給水溫度由180 ℃加熱到285 ℃左右，因此任何一臺(tái)高加發(fā)生換熱管泄漏事故時(shí)都會(huì)增加發(fā)電成本，降低電廠發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2020年一年，1號(hào)機(jī)3號(hào)高加就發(fā)生4次泄漏事故，合計(jì)造成煤耗損失費(fèi)用、機(jī)組非停啟動(dòng)費(fèi)用約200萬(wàn)元。

此外，高加的頻繁退出會(huì)造成各部件的溫度應(yīng)力變化，最終出現(xiàn)疲勞裂紋，并逐漸加劇擴(kuò)大，對(duì)機(jī)組安全及運(yùn)行值班員人身安全造成極大隱患。

3 高加換熱管泄漏失效分析

通過(guò)對(duì)1號(hào)機(jī)3號(hào)高加換熱管泄漏情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏的原因主要是機(jī)組運(yùn)行與設(shè)備維護(hù)、高加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工制造等方面的問(wèn)題。

3.1 機(jī)組運(yùn)行與設(shè)備維護(hù)

機(jī)組自建成投運(yùn)以來(lái)，面臨電網(wǎng)調(diào)度要求，負(fù)荷水平無(wú)法維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)約3 000小時(shí)，以月或星期為周期的負(fù)荷波動(dòng)情況出現(xiàn)較多，在一定程度上使得高加所承受的介質(zhì)流量經(jīng)常變化，較為頻繁的機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)高加壽命會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

機(jī)組啟停時(shí)，高加投運(yùn)、退出的溫度變化率過(guò)大，使高加換熱管和管板連接處受到很大熱應(yīng)力，管口焊縫很可能發(fā)生損壞，引起泄漏。

高加事故中疏水調(diào)門開(kāi)啟，高加液位過(guò)低，加熱蒸汽通過(guò)事故疏水管路快速進(jìn)入凝汽器；當(dāng)通過(guò)高加管束間的蒸汽流量超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，流速也相應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使管束發(fā)生振動(dòng)，有時(shí)甚至產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這些振動(dòng)使管束外壁與管板上的管孔發(fā)生碰磨，高加在長(zhǎng)期運(yùn)行后換熱管的薄弱位置便可能發(fā)生泄漏。

高加換熱管發(fā)生泄漏后，因停機(jī)時(shí)間緊張，優(yōu)先封堵可查證的泄漏位置，未對(duì)已知泄漏點(diǎn)周圍的換熱管進(jìn)行預(yù)防性封堵，當(dāng)機(jī)組啟停時(shí)這些可能受損的換熱管容易再次發(fā)生泄漏。

由于機(jī)組停機(jī)時(shí)間有限，高加水室短期內(nèi)難以徹底冷卻、干燥，使得檢修環(huán)境惡劣，檢修人員在施焊時(shí)焊接工藝無(wú)法達(dá)到要求，容易造成焊口應(yīng)力集中，無(wú)法保證封堵的質(zhì)量，機(jī)組啟停過(guò)程或者變工況時(shí)已封堵的管口處容易再次發(fā)生泄漏。

3.2 高加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工制造

高加管束的管子與管板之間采用機(jī)械脹管、管口焊接的方式，可能存在部分換熱管脹接長(zhǎng)度不夠、脹接強(qiáng)度不足等問(wèn)題，制造工藝存在隱患。

高加蒸汽進(jìn)口區(qū)域的防沖擊擋板設(shè)置不合理，通過(guò)對(duì)3號(hào)高加換熱管泄漏位置分布情況進(jìn)行分析，結(jié)合渦流探傷檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏或是減薄較為嚴(yán)重的都是靠近外圈和蒸汽進(jìn)口區(qū)域附近的位置，更加反映出蒸汽擋板遮擋區(qū)域不夠充分的問(wèn)題。

高加疏水容積不足，3號(hào)高加承接了同一機(jī)組三臺(tái)高加的疏水量，其內(nèi)徑與其他兩臺(tái)的一致，可容納疏水的空間不足會(huì)導(dǎo)致3號(hào)高加殼體內(nèi)部的水位異常波動(dòng)，極有可能造成疏水冷卻段內(nèi)部發(fā)生汽液兩相的問(wèn)題，換熱管會(huì)受到?jīng)_擊破壞。

通過(guò)使用說(shuō)明書等資料和高加檢修時(shí)的實(shí)物對(duì)照，發(fā)現(xiàn)高加換熱管和管板的焊接接頭位于管板端面的管孔內(nèi)部，結(jié)合堵管過(guò)程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，這類焊接接頭的型式與國(guó)內(nèi)主流廠家通用的換熱管與管板焊接接頭的有較大差異；通過(guò)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)主流廠家生產(chǎn)的高加所采用的換熱管與管板焊接接頭型式，在運(yùn)行中較少發(fā)生類似管口破壞的事故，更為成熟、可靠。兩種型式的管板與換熱管焊接接頭對(duì)比(詳見(jiàn)圖5)。

圖5 兩種型式的管板與換熱管焊接接頭對(duì)比

4 高加設(shè)備改進(jìn)措施

通過(guò)上述分析，電廠運(yùn)維人員應(yīng)著力提升現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)水平，避免使用不當(dāng)，應(yīng)更換新高加并對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[3]。經(jīng)過(guò)細(xì)致調(diào)研，擬采用國(guó)內(nèi)主流動(dòng)力設(shè)備制造商供貨的產(chǎn)品，并且新高加應(yīng)切實(shí)滿足以下幾個(gè)方面的要求：

根據(jù)原熱力平衡圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的校核計(jì)算，以確保高加能夠承受機(jī)組負(fù)荷變化帶來(lái)的影響。

新高加的換熱管壁厚應(yīng)不小于原設(shè)備的設(shè)計(jì)值，如有必要應(yīng)要求對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的換熱管壁厚進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，以提升其抗沖擊能力。

嚴(yán)格控制高加換熱管內(nèi)的給水流速上限，要求在保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝的前提下，將流速控制在2.4 m/s以內(nèi)，如有必要應(yīng)適當(dāng)增加換熱管數(shù)量。

要求高加廠家提供防止高加管束受流體誘導(dǎo)振動(dòng)的詳細(xì)措施并提供管束整體的防振設(shè)計(jì)和計(jì)算依據(jù)，確保管束安全性。

對(duì)高加蒸汽進(jìn)口區(qū)域的防沖刷擋板要求進(jìn)行優(yōu)化，擋板選用不銹鋼，充分覆蓋下方管束，增加擋板厚度及支撐(如有必要)，同理其他如疏水進(jìn)口處的防沖擊措施也應(yīng)加強(qiáng)。

5 結(jié) 論

1號(hào)機(jī)3號(hào)高加自運(yùn)行以來(lái)頻繁發(fā)生換熱管泄漏事故，至今堵管率已接近設(shè)計(jì)壽命。通過(guò)對(duì)換熱管多次泄漏的情況進(jìn)行匯總和分析，可以發(fā)現(xiàn)一方面是由于運(yùn)行、維護(hù)的不到位、不及時(shí)，換熱管泄漏問(wèn)題無(wú)法得到很好的處理；另一方面由于原高加固有的一些問(wèn)題，如局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造過(guò)程中可能存在的一些缺陷，高加在使用過(guò)程中難免發(fā)生換熱器泄漏，且隨著運(yùn)行時(shí)間的推移越發(fā)頻繁。

鑒于該高加的壽命已屆使用上限，繼續(xù)運(yùn)行的損壞率將不斷提高，為了配合機(jī)組運(yùn)行，需要對(duì)該高加更換改造。新高加的更換，要重點(diǎn)關(guān)注選型優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化，即根據(jù)機(jī)組最新的熱平衡圖并結(jié)合日常運(yùn)行的實(shí)際情況，對(duì)新高加進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，尤其要關(guān)注換熱管尺寸、制造工藝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面。在客觀、充分的調(diào)研工作的基礎(chǔ)上，依托國(guó)內(nèi)主流動(dòng)力設(shè)備廠家，在其完善的技術(shù)服務(wù)下，提升現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維和檢修水平，減少因換熱管泄漏導(dǎo)致的非停，提高設(shè)備的可用小時(shí)數(shù)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。