500MW塔式炉包墙过热器频繁泄漏原因分析及改造方案

山西大唐国际神头发电有限责任公司 孙志文 闫 锵

中国大唐集团科学技术研究总院有限公司西北电力试验研究院 李梦阳

1 设备概况

某电厂500MW亚临界机组，锅炉为塔式布置、一次中间再热、低倍率强制循环、固态排渣炉，蒸发段设有强制循环泵和小型汽水分离器。

锅炉包墙过热器和水冷壁均为垂直一次上升全密封式膜式管排结构，外部均设计有刚性梁和与主钢架连接的膨胀导向结构。包墙过热器和水冷壁连接处为交错管密封过渡焊接结构，将水冷壁及其连接的设备的重量传递到包墙过热器上。

包墙过热器流向从下而上，顺烟气流方向，入口联箱布置在53m，出口联箱布置在 94m，根据出入口联箱分布，包墙过热器分为A、B、C、D 四路。包墙管设计为φ31.8×5，材质为15Mo3，包墙外侧的刚性梁共13层，与包墙的管中心距为300mm。刚性梁受热部分设计制作在包墙管屏上，每个管屏都有单独的膨胀零点，刚性梁与包墙用销轴和拉杆连接，刚性梁端部与包墙角部转角板用链板及销轴连接。

2 锅炉包墙过热器运行中存在的问题

机组投产后，包墙过热器频繁发生泄漏，尤其在低氮燃烧器改造后，包墙过热器泄漏次数明显增加，严重影响机组的安全稳定运行[1]。根据包墙过热器泄漏位置及现象，主要的情况如下。

一是包墙过热器长期超温导致管材失效，管材表面存在环向裂纹缺陷，机组频繁启动及负荷波动大产生交变应力导致频繁泄漏；二是各联箱固定横梁与包墙焊接部位、刚性梁梳型板固定焊缝、热钢带固定U 型卡焊缝、钢带吊杆固定焊缝存在应力集中导致频繁泄漏；三是包墙过热器穿墙让位弯、人孔门让位弯密封焊缝处存在应力集中频繁泄漏。

3 锅炉包墙过热器频繁泄漏原因分析

包墙过热器泄漏情况如图1所示。

图1 包墙过热器泄漏情况

图2 包墙管金相组织老化分析及表面氧化皮

图3 包墙过热器改造前后流量、阻力、温度、管道壁厚比较

3.1 包墙过热器长期超温，管材力学性能降低

包墙过热器设计材质为15Mo3，该材料受热面管长期使用壁温上限值为480℃。近几年因煤炭供应及经济效益综合因素影响，入炉煤热值在13～16MJ/kg，远低于设计值的18.96MJ/kg。入炉煤热值降低，烟气量增加，导致锅炉包墙过热器发生超温现象。

表1 燃烧器改造前后包墙过热器温度比较

此外为适应超低排放要求，对燃烧器进行改造，采用内浓外淡的旋流燃烧器，目的是推迟燃烧，降低炉膛火焰中心温度，以减少NOx 的生成量，但同时导致火焰中心上移约6～7m，进一步加剧锅炉包墙过热器的超温情况。低氮燃烧器改造后包墙过热器出口蒸汽温度平均值比设计值高41℃，而C 路和D路分别较设计值升高了51℃和82℃，达到了453℃和484 ℃，均超过报警值；过热器减温水量由87t/h 增加至198t/h，再热器减温水量由28t/h 增加至61t/h，均大幅上升。

取样试验分析，包墙过热器管材的抗拉强度、屈服强度、韧性及断面收缩率等力学性能指标不断下降，均低于标准要求下限值。组织珠光体球化等级不断升高，不可逆的组织老化情况不断加剧，部分管材石墨化已达到四级，导致包墙过热器频繁泄漏。

对锅炉进行燃烧调整试验，从配煤掺烧、制粉系统、配风方式、磨煤机组合方式、一二次配比等方面对锅炉各项参数进行了优化。试验发现锅炉在低氮燃烧器改造后，炉内缺氧燃烧，整体火焰中心上移，导致一级过热器、高温再热器吸热量偏高。且低氮燃烧器改造后煤质适应性变差，锅炉在燃用低位热值17MJ/kg 以上的煤质时，基本上能保证机组带负荷能力，超温问题也能得到缓解。但是近年入炉煤热值平均不到15MJ/kg，因此超温问题难以缓解，燃烧器不能满足安全稳定带负荷的要求。

3.2 包墙过热器刚性梁固定方式不合理

包墙过热器承受附加荷载导致管屏变形严重；刚性梁梳型板固定焊缝、热钢带固定U 型卡焊缝、刚性梁吊杆、联箱固定横梁与包墙过热器固定焊缝存在应力集中现象。包墙过热器只设计水平刚性梁而未设计竖向刚性梁，水平刚性梁采用斜拉杆吊挂，斜拉杆生根在墙体上，斜拉杆除承受刚性梁的重量外，在墙体的膨胀和收缩过程中还要承受其他的附加应力。该设计不利于水平刚性梁的纠偏，一旦出现局部应力集中，势必造成冷热钢带的不平行，滑块移位受阻，成为一个新的膨胀死点。锅炉膨胀量考虑不足，如平台、刚梁、立柱、吊架、拉杆对锅炉膨胀的限制，进而造成拉杆受力不均，出现拉杆拉断现象。

3.3 其他原因

一是包墙过热器穿墙让位弯、人孔门让位弯密封焊接设计不合理，鳍片与让位弯焊接部位在弯头起弧处，应力集中易发生泄漏。二是包墙过热器管道设计尺寸为φ31.8×5，管壁较薄，强度不足；而管道间鳍片厚度为6mm，鳍片厚度大于管壁厚度，在同样的受力情况下，管壁容易先拉裂。三是煤粉细度整体超设计值较多，部分磨煤机分离器挡板无法调整，粉管出口煤粉分配偏差较大，煤粉分配不均匀。

4 锅炉改造方案

4.1 对锅炉包墙过热器管进行改造

根据统计分析，锅炉包墙过热器泄漏的位置主要集中在53～83m，也是超温集中区域。综合考虑，对此区域的包墙过热器管进行改造，其材质由15Mo3升级为12Cr1MoV，管材规格尺寸由φ31.8×5改为φ31.8×6.5，壁厚增加1.5mm，同时增加壁温测点。12Cr1MoV 作为小口径受热面管，其最高许用温度可达到560～580℃，能够满足锅炉的实际运行温度需要。

4.2 对包墙过热器的刚性梁进行调平、热钢带固定卡进行修复

对水冷壁、包墙过热器的二十七层刚性梁进行全面检查，更换已断裂的斜拉杆，在53～83m 的水平刚性梁中间加装竖向刚性梁；调整较核现有的膨胀指示器，并根据实际情况在角部加装膨胀指示器；消除膨胀死点，使炉本体自由膨胀。

表2 管道材质对应各参数要求

4.3 将让位弯密封焊改为密封盒形式

从新设计包墙过热器穿墙让位弯、人孔门让位弯，将让位弯处的密封焊接改为密封盒与浇铸料的方式，减少让位弯密封焊接处的应力集中现象。

5 改造效果

锅炉包墙过热器提材质改造后，在满负荷工况下，包墙过热器各温度测点处的运行温度比改造前降低10℃左右，分析为管径变细流速加快致使换热效果增强而引起；同时因12Cr1MoV 的许用温度为560～580℃，未发生因超温限负荷现象。

6 结语

锅炉受热面泄漏是一个综合问题，需根据实际情况进行全面分析，针对不同原因采取不同的措施，在日常检修维护时加强防磨防爆检查，运行时做好掺配煤并及时进行燃烧优化调整，再实施有针对性的技术改造，确保锅炉实现长期安全稳定运行。