倪 鑫

(內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010206)

0 引 言

大型汽輪機(jī)普遍采用回?zé)峒訜峤o水系統(tǒng)，利用汽輪機(jī)的抽汽來加熱鍋爐給水，提高給水溫度，從而提高電廠的熱效率。高壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱高加)的投入率是機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中非常重要的考核指標(biāo)。高加切除，將使機(jī)組發(fā)電煤耗率大約增加7.0 g/(kW·h)[1]。根據(jù)中電聯(lián)對(duì)全國(guó)200 MW及以上火電機(jī)組主要輔機(jī)運(yùn)行可靠性統(tǒng)計(jì)分析，2012—2016年高加的可用系數(shù)為93.85%[2]。近年來，隨著超超臨界等大容量、高參數(shù)機(jī)組大批投運(yùn)，高加承受的壓差和溫差越來越大，此外，電網(wǎng)對(duì)發(fā)電企業(yè)的深度調(diào)峰、負(fù)荷快速跟蹤能力日益提高，導(dǎo)致高加承受頻繁熱疲勞，這些因素都將引起運(yùn)行中高加管束熱疲勞甚至發(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

治理高加故障不僅是技術(shù)難題，也是管理課題，是保障輔機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行與保障主機(jī)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)之一。

根據(jù)2017年全國(guó)電力可靠性年度報(bào)告分析，引起高加非計(jì)劃停運(yùn)的主要技術(shù)原因中，排前5位的分別是漏水、腐蝕、磨損泄漏、漏汽和開焊。造成設(shè)備故障的主要部件中，前5位分別是高加U型管、管板、疏水管道、筒體、汽側(cè)安全門。對(duì)此，以大唐國(guó)際托克托電廠11號(hào)300 MW機(jī)組為例，從高加結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、檢修等角度，分析高加泄漏原因，提出相應(yīng)處理措施，以避免高加泄漏、提高火電機(jī)組高加運(yùn)行安全可靠性。

1 高加結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)

以托電11號(hào)機(jī)300 MW機(jī)組的高壓加熱器為例分析高加結(jié)構(gòu)，該機(jī)組采用3臺(tái)東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)制造的單列臥式表面加熱器，為典型的三段式結(jié)構(gòu)，高加汽側(cè)分為過熱蒸汽冷卻段、蒸汽凝結(jié)段和疏水冷卻段，蒸汽流過U形管外側(cè)，給水流過U形管內(nèi)側(cè)，如圖1所示。采用大旁路給水系統(tǒng)，加熱汽源分為1、2、3段抽汽，供1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高壓加熱器，正常運(yùn)行時(shí)疏水逐級(jí)自流至除氧器，故障時(shí)通過危急疏水排至凝汽器。

圖1 高加結(jié)構(gòu)圖

托電11號(hào)300 MW機(jī)組高壓加熱器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 高加設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of high-pressure heater

2 高加泄漏原因

2.1 汽水流動(dòng)加速腐蝕

通過表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可得知：

1)高加普遍具有汽側(cè)壓力低、溫度高和給水壓力高、溫度低的特點(diǎn)；

2)與1號(hào)、2號(hào)高加相比，3號(hào)高加內(nèi)部鋼管管束的內(nèi)外壁壓差、溫差最大，熱應(yīng)力最大；

3)與1號(hào)、2號(hào)高加相比，3號(hào)高加的蒸汽側(cè)壓力最低，3號(hào)高加的連續(xù)排空氣壓力與除氧器運(yùn)行壓力差值小，可能導(dǎo)致不凝結(jié)氣體積聚而無法及時(shí)排出，影響3號(hào)高加換熱效果，加速腐蝕。

高加管束材質(zhì)一般為碳鋼，而給水pH值為9.2～9.6，流動(dòng)加速腐蝕理論(Flow-Accelerated Corrosion，F(xiàn)AC)認(rèn)為，碳鋼在弱堿性環(huán)境中，表面形成一層Fe3O4氧化層，該氧化層具有滲透性和微溶性，在介質(zhì)沖刷下加速溶解，其溶解與溫度、pH密切相關(guān)，如圖2所示。

圖2 pH和溫度對(duì)KFAC的影響

圖2 中，KFAC為表征流體加速腐蝕速率大小的系數(shù)，腐蝕最大區(qū)間為120～160 ℃，當(dāng)溫度大于140 ℃時(shí)，隨著溫度增大，流速加速腐蝕降低[3]。結(jié)合圖1分析，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高加的水側(cè)溫度均大于140 ℃，且依次增大，而3號(hào)高加的運(yùn)行溫度(水側(cè))最低，接近160 ℃，流動(dòng)加速腐蝕最嚴(yán)重。

因此，3號(hào)高加工作環(huán)境最為惡劣，最容易發(fā)生泄漏事故，呼熱11號(hào)機(jī)組自2007年投產(chǎn)至今已經(jīng)發(fā)生3次鋼管泄漏事故，最近一次多達(dá)56根管束發(fā)生泄漏。

溫度差和壓力差引起的應(yīng)力不均、工作環(huán)境惡劣及流動(dòng)加速腐蝕嚴(yán)重是3號(hào)高加極易泄漏重要因素。

此外，運(yùn)行、設(shè)計(jì)制造、維護(hù)檢修因素也會(huì)導(dǎo)致高加泄漏。

2.2 在機(jī)組加減負(fù)荷時(shí)，變化速度過快

負(fù)荷變化過快會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)抽汽壓力、溫度迅速變化，而給水溫度變化相應(yīng)滯后，高壓加熱器U型管以及管口焊縫受到激烈的溫度交變熱應(yīng)力而損壞，在機(jī)組緊急甩負(fù)荷或高壓加熱器緊急解列時(shí)，高壓加熱器帶來的熱沖擊更大，U型管長(zhǎng)期受熱疲勞，也是其泄漏的主要原因。

2.3 投停操作不當(dāng)

高壓加熱器投運(yùn)前暖管不充分，汽水混存引起抽汽管道、管束振動(dòng)，在激振力作用下，管束間、管束與管板間的應(yīng)力超過材料的疲勞極限，從而使管子開裂。高壓加熱器投運(yùn)過程中溫升率控制不當(dāng)，引起管板與管束之間受熱不同步，膨脹不均勻，熱應(yīng)力作用下U型管產(chǎn)生熱變形。在高壓加熱器停運(yùn)時(shí)，上側(cè)疏水側(cè)溫降滯后，從而形成較大的溫差，產(chǎn)生熱變形。

2.4 給水水質(zhì)差，攜帶含鹽增多或溶氧超標(biāo)

給水水質(zhì)差，攜帶含鹽增多會(huì)造成高加內(nèi)部受熱面管束結(jié)垢，結(jié)垢會(huì)引起加熱器管束傳熱熱阻增大，傳熱惡化，降低傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)部分管束堵塞。結(jié)垢將導(dǎo)致管束內(nèi)外溫差增大，若部分管束堵塞會(huì)造成流通管束內(nèi)給水流速增大，沖刷磨損加劇。另一方面，機(jī)組運(yùn)行過程中，給水溶氧超標(biāo)(正常給水溶氧<7 μg/L)，或除氧器除氧效果差，勢(shì)必造成高加內(nèi)鋼管管壁腐蝕而變薄，加大了泄漏危險(xiǎn)。

2.5 設(shè)計(jì)制造水平有待提高

2017年全國(guó)電力可靠性年度報(bào)告[4]指出，磨煤機(jī)、給水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和高加等5種主要輔機(jī)國(guó)產(chǎn)率逐年提高，但與進(jìn)口高加相比，國(guó)產(chǎn)同等級(jí)設(shè)備的可用系數(shù)均低于進(jìn)口設(shè)備。在2017年列入統(tǒng)計(jì)的200 MW及以上容量火電機(jī)組輔機(jī)設(shè)備中，國(guó)產(chǎn)高加的非計(jì)劃停運(yùn)率為0.07%，而同期進(jìn)口高加的非計(jì)劃停運(yùn)率僅為0.01%。文獻(xiàn)[5]也報(bào)道過，由于設(shè)計(jì)缺陷，造成進(jìn)水流量分布不均、進(jìn)水流速過大，水流直接沖刷到管板和防沖刷套管上，造成高加新安裝15個(gè)月后即出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏問題。

2.6 長(zhǎng)期運(yùn)行磨損、老化

高加由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給水在入口水室進(jìn)入管束，水流截面驟然縮小，管口處必然形成局部流速很大的束流和渦流，換熱管將承受較大的沖擊破壞和磨損。

2.7 管理不當(dāng)，檢修質(zhì)量不良

機(jī)組停運(yùn)時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)加強(qiáng)機(jī)組高加查漏的工作，尤其是檢查高加管板與U型鋼管連接的部分，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，避免運(yùn)行時(shí)發(fā)生高加泄漏事故。避免進(jìn)行查漏工作時(shí)，檢修人查漏不認(rèn)真，或者堵焊水平低，堵頭與管束材質(zhì)不匹配造成焊接效果差、抗腐蝕高溫性能差，從而給機(jī)組安全運(yùn)行帶來重大安全隱患。

3 高加泄漏危害

高加是利用機(jī)組中間級(jí)后的抽汽來加熱給水溫度，提高機(jī)組熱效率的重要設(shè)備。由于高加水側(cè)壓力遠(yuǎn)大于汽側(cè)壓力，當(dāng)高加管束發(fā)生泄漏時(shí)，給水將立刻竄入高加抽汽管道，從而造成高加水位快速上漲，導(dǎo)致高加內(nèi)部傳熱惡化，對(duì)機(jī)組的影響分析如下。

1)高加泄漏會(huì)導(dǎo)致周圍管束沖擊振動(dòng)，泄漏逐步擴(kuò)大，引起事故擴(kuò)大。若水位保護(hù)未動(dòng)作或保護(hù)不正確，水位將迅速淹沒抽汽進(jìn)口管道，蒸汽帶水將返回到蒸汽管道，蒸汽管道發(fā)生猛烈振動(dòng)，甚至進(jìn)入高中壓缸發(fā)生嚴(yán)重的汽輪機(jī)水沖擊事故，因此必須緊急停止高加運(yùn)行。

2)燃煤機(jī)組高加大多采用大旁路系統(tǒng)，即任一高加泄漏需要隔離，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高加將整體切除，高加整體解列將導(dǎo)致進(jìn)入鍋爐給水溫度大幅度降低(110 ℃左右)，為了獲得額定壓力、溫度的蒸汽，鍋爐必須增加燃料量，文獻(xiàn)[1]計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加約7.0 g/(kW·h)。另一方面，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，處理高加泄漏平均用時(shí)大約為100 h，如果機(jī)組出現(xiàn)老化、系統(tǒng)閥門不嚴(yán)、隔離不徹底時(shí)，就會(huì)延長(zhǎng)管束冷卻時(shí)間，嚴(yán)重影響機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性。

3)高加停運(yùn)期間，汽輪機(jī)工況偏離設(shè)計(jì)工況，流經(jīng)汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片流量嚴(yán)重變大，葉片侵蝕增大，嚴(yán)重影響葉片壽命，危及機(jī)組安全運(yùn)行。

4 高加泄漏預(yù)防措施

預(yù)防高加泄漏，應(yīng)從正常運(yùn)行、投停操作、停運(yùn)維護(hù)3個(gè)方面著手采取措施。

4.1 高加正常運(yùn)行中注意事項(xiàng)

1)保證高加傳熱端差最佳值。由于3號(hào)高加的疏水量最大，壓差又小，在抽汽壓力、抽汽量發(fā)生變化以及3號(hào)高加正常疏水調(diào)門失靈的情況下導(dǎo)致疏水門關(guān)小或誤關(guān)，易造成疏水不暢，使水位升高，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視檢查，聯(lián)系熱工人員調(diào)整，必須及時(shí)打開事故疏水閥快速降低高加水位，維持高加水位正常值。若高加水位明顯上升，且給水泵的出力不正常地快速增大，表明加熱器存在泄漏，應(yīng)盡快停止加熱器運(yùn)行，避免造成泄漏管束數(shù)目擴(kuò)大。

2)加強(qiáng)鍋爐給水品質(zhì)的監(jiān)測(cè)。機(jī)組運(yùn)行中，保證化學(xué)取樣、加藥可靠連續(xù)運(yùn)行，調(diào)整給水pH、溶氧、含鹽量在合適范圍內(nèi)，防止給水品質(zhì)不合格造成加熱器受熱面管束結(jié)垢。

3)保證負(fù)荷變化平穩(wěn)、避免突變。在機(jī)組啟動(dòng)、停用或AGC投入情況下，負(fù)荷變化過快會(huì)引起高加抽汽壓力、溫度以及給水量快速變化，高加將承受更大的熱應(yīng)力、熱變形，為防高加熱應(yīng)力而產(chǎn)生的熱變形，必須做到以下幾點(diǎn)：a.機(jī)組啟動(dòng)、停用過程緩慢，避免大幅度操作。鍋爐正常運(yùn)行時(shí)要保持燃燒穩(wěn)定，使?fàn)t內(nèi)受熱均勻，火焰中心適當(dāng)，平衡通風(fēng)，保持風(fēng)煤比例協(xié)調(diào); b.AGC投入時(shí)，負(fù)荷變動(dòng)率的確定，需綜合考慮高加、鍋爐受熱面的熱應(yīng)力變化;c.在機(jī)組高加緊急停運(yùn)時(shí)，應(yīng)先切斷供汽，并檢查抽汽逆止閥、抽汽電動(dòng)門是否關(guān)嚴(yán)，否則手動(dòng)校嚴(yán)。防止切斷給水后，蒸汽繼續(xù)進(jìn)入殼體加熱不流動(dòng)的給水，引起管子熱變形。

4.2 高加在投停時(shí)注意事項(xiàng)

1) 為防止高加投入過程中產(chǎn)生的熱沖擊，高加應(yīng)隨機(jī)啟動(dòng)投入。

2) 加熱器投停過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制高加出水溫度變化率小于2 ℃/min。

3) 投高加時(shí)應(yīng)遵循從低壓到高壓的原則，停時(shí)相反。

4) 投入高加汽側(cè)時(shí)，必須對(duì)抽汽管道充分疏水，避免管道振動(dòng)。

5) 高加啟動(dòng)時(shí)全開高加啟動(dòng)放空氣門，排除漏入高加的不凝結(jié)氣體，防止不凝結(jié)氣體在高加內(nèi)積聚、惡化傳熱。高加正常運(yùn)行時(shí)連續(xù)排氣全開，防止不凝結(jié)的氧氣造成管束腐蝕。

4.3 高加停運(yùn)時(shí)注意事項(xiàng)

機(jī)組停運(yùn)較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)機(jī)組高加查漏的工作，檢查入口管束沖擊磨損情況，檢查進(jìn)口側(cè)整流板對(duì)流場(chǎng)改善效果，避免局部流速過高、加速磨損。

提高檢修水平，在高加堵漏檢修作業(yè)時(shí)，采用與原管束材料線膨脹系數(shù)、剛性等特性相近的材料，條件允許時(shí)，采用ABAQUS、COMSOL、ANSYS等成熟商用有限元分析軟件，模擬不同堵頭工藝熱應(yīng)力特性，從理論上對(duì)比分析，合理確定堵漏方案，減少因堵漏、堆焊工藝控制不良造成高加再次泄漏[6-7]。

5 結(jié) 語

高加泄漏對(duì)機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性均有著重要的影響，因此必須對(duì)高加泄漏原因及高加泄漏處理的全過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，從運(yùn)行、啟停操作、檢修維護(hù)等方面采取相應(yīng)的措施，確保機(jī)組的安全高效運(yùn)行。自2017年6月至今，11號(hào)機(jī)組嚴(yán)格執(zhí)行以上措施，經(jīng)歷多次啟停操作，累計(jì)運(yùn)行近800天，未發(fā)生一起泄漏故障。實(shí)踐證明，所采用的高壓加熱器防范泄漏措施可靠有效，可減少高加泄漏次數(shù)。