罗烨兵 陈阵
四川川投燃气发电有限责任公司
关键词
燃气-蒸汽联合循环机组 余热锅炉设计 设备入厂检验 常见缺陷
前言
当前世界各国都在着力打造绿色经济，治理日益恶化的生态环境。我国在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中提出坚持绿色发展，着力改善生态环境；环境质量是根本目标，污染减排是重要手段。现阶段我国一些主要污染物排放量仍高达2000万吨左右，中央指出只有再减少30%-50%，环境质量才会明显改善。《建议》中明确扩大污染物总量控制范围，将细颗粒物等环境质量指标列入约束性指标。在改善大气污染上，一些发达国家已采用发展天然气发电，开发风能、太阳能，关停用煤企业措施。天然气发电已经是世界发展趋势。
本文就我国M701F级燃气机组余热锅炉的关键设备质量验收、余热锅炉调试及运行中常见缺陷分析处理作简要技术交流，错误和不足之处请指正。
余热锅炉（HRSG）装置用于回收燃气轮机的排气热能，产生可用蒸汽驱动蒸汽轮机带动发动机发电或对外供热。在我国，M701F级燃机广泛采用xx锅炉厂生产的三压、再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉。其主要特点和优点在于采用优化的标准设计，模块化结构，布置合理；适应燃机频繁起停要求，调峰能力强，启动快捷； 采用自然循环方式，安全可靠，系统简洁，运行操作方便；采用开齿螺旋鳍片管，解决了小温差、大流量、低阻力传热困难的问题；采用全疏水结构，锅炉疏排水方便，彻底；锅炉采用单排框架结构，全悬吊形式，受力均匀，热膨胀自由，密封性能好；锅炉受热面的过热器和再热器采用顺列布置，其余受热面采用错列布置，热交换得到优化，并提供了有效的清理空间；优化选择各受热面内工质压降，工质沿锅炉宽度方向流速分布均匀。
一、余热锅炉材料和关键设备的入厂验收
了解、掌握余热锅炉的结构、制造工艺特点，依据相关规范对重要设备（汽包、模块等）进行针对性的验收，确保设备入厂质量。
1.余热锅炉受热面及蒸汽管道材料入厂检测
余热锅炉受热面（模块）及蒸汽管道材料入厂必须进行现场复核或取样检测。受热面（模块）因为制造厂整体加工，无法取样检测，但入厂时需要采用便携式金属检测仪进行材质复核。蒸汽管道安装前需取样送检，进行化学成份分析。
不同受热面（模块）因运行参数不同，其使用材料也会不一样。如果材质出现错用（低带高）将直接影响使用寿命，严重时会导致运行中爆管等，无法正常使用。
同种规格不同材质或同种材质不同化学成份其使用温度、屈服强度、抗拉强度等参数不同（见材料性能表）。所以，重要管道（如“四大”管道）必须进行取样送检进行化学成份分析。同时，入厂检验中查阅供货商提供的材料出厂资料非常重要，特别注意材料符号后缀不能忽略。例如：SA-210A1和SA-210C,其材质一样，只是化学成分中C和Mn含量有所差异，但其屈服强度和抗拉强度不一样（SA-210C优于SA-210A1）。在实际供货中出现忽略后缀造成损失的案例也屡见不鲜。2005年，xx电厂计划采购一批省煤器管道，材质为SA-210C，因采购粗心，误采购回SA-210。去掉后缀“C”后，生产厂家认为是普通用管，未对易出现缺陷的管头进行切除处理。省煤器管屏弯管加工完成后检测发现普遍出现裂纹情况，导致整批管道报废，造成了重大经济损失。
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2 根据加工工艺特点采用针对性验收及缺陷处理
2.1汽包
汽包的验收主要是焊缝的检测，汽包焊缝有环焊缝、纵焊缝、角焊缝。汽包焊缝的验收一般采用对焊缝进行打磨后着色检查和磁粉检查。例：xx公司#1余热锅炉高压汽包进场焊缝磁粉检查时发现焊缝裂纹和焊缝中夹杂气泡超过标准，经过了现场修复处理。
下面就xx公司汽包修复方案作简要叙述。汽包材质SA516Gr70，汽包修复工艺标准：DL/T734-2000标准、NB/T47015-2011、ASME第Ⅱ卷低合金材料和第Ⅸ卷QW-290等。
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缺陷产生原因：
气孔产生原因是施焊过程中，焊接电弧过长导致外界气体侵入；接管侧夹渣原因是施焊过程中，焊条与接管夹角不当及层间清渣不彻底；裂纹原因是施焊完成后保温不足，焊缝淬硬层收缩。
2.2模块
模块设计上下集箱或中间集箱，集箱之间采用薄壁管（鳍片管）连接形成换热件。管道与集箱采用直插角焊缝焊接。集箱焊接后热处理采用工件放在支架上整体入炉。
根据模块设计、加工工艺特点，入厂验收应着重焊缝、外形检查。在xx公司模块入厂检查中发现了角焊缝裂纹、成型较差等缺陷。
处理方案：
对焊缝成形较差的进行打磨，平滑过渡。角焊缝裂纹处理采用相关材质（SA-213T91）焊接工艺规范：焊前用履带式加热器预热，控制焊接层间温度，焊后保温缓冷，MT检测合格。
二、余热锅炉调试阶段及运行中常见缺陷处理
1.安装调试阶段高压给水泵滤网堵塞预防措施
机组吹管进入燃机燃烧调整阶段，很多电厂多次出现高压给水泵滤网堵塞清理不及时导致被迫停机或滤网压差跳机现象。比如浙江某燃气电厂在调试期间曾出现一天内3次高压给水泵滤网差压跳机事件，给机组调试造成了不小的困扰。引起滤网堵塞的主要原因是模块（水侧）中锈渣等杂物没有清理干净，随介质不断流经低压汽包、给水泵滤网。锈渣堆积、板结于下部集箱中，这些杂物很难通过冲洗、化学清洗清理干净（蒸汽侧可以通过吹管清理干净）。在xx电厂，他们采用安装期间内窥镜检查人工清理、化学清洗前加温冲洗和化学清洗后切管检查的措施，很好的预防了类似事件的发生。
措施：在模块下部放水、疏水管焊接前，利用内窥镜对下部集箱进行检查，对杂物采用吸尘器进行清理。酸洗前，在化学清洗系统母管接入启动锅炉来蒸汽，对模块冲洗水进行加热至100～120℃，反复循环冲洗2～3次，每次循环冲洗时间3～4小时，见冲洗水明显好转即可。化学清洗后需打开低压汽包、中压汽包和高压汽包进行杂物清理。为了确定冲洗效果和化学清洗钝化效果，最好在化学清洗后切割下部集箱（加热器、省煤器）疏水或放水管，对集箱进行内窥镜检查。需注意的是凝汽器化学清洗后也必须对内部杂物进行彻底清除，防止其杂物进入余热锅炉系统。
2.模块热应力作用爆管及预防措施
燃气-蒸汽联合循环机组与燃煤机组最大的优点就是启停快，一般电力调度部门也是将燃气机组用于每天的调峰（日启停）。余热锅炉模块在启停过程中受热面因热应力不均爆管的情况时有发生，给企业带来极大的困扰。模块管道应力不均很大程度是由模块加工工艺质量和操作不当造成。
模块集中布置在余热锅炉水平烟道内（卧式），模块进出口设计集箱（上集箱、下集箱），管道与集箱的连接采用直插式焊接。管道采用薄壁管（外设开齿螺旋鳍片），管壁一般在2.5～4mm，模块结构（见模块示意图），本模块共有8排（图中A～H），上下各布置有2个和4个集箱。
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模块的加工工序：管道下料、管道弯管制作、管道尺寸校核及校正、模块组装（与集箱焊接）。组装一般在平台上进行，焊接采用逐排焊接。从模块的制作工艺可以看出其存在如下缺陷：管道受力不能控制一致（定尺管插入集箱深度不能有效控制见下图）；现有的焊缝检测手段不能对中间管排角焊缝进行检查，焊缝质量无法控制。
分析：
在机组启动过程中由于启动速度过快，模块管道膨胀不一致，受热较差的管道将接受整块模块和介质重量以及其他管道的膨胀应力，容易导致将其与集箱的角焊缝拉裂爆管；燃机停运或余热锅炉干锅后立即启动给水泵上冷水，模块流阻最小的高温管道（模块中间管道，见模块水流图）最先冷却收缩，而同排的其它换热管冷却速度没有同步跟进，产生较大的膨胀差，使得冷速度最快的换热管承受模块重量和拉力，严重时换热管在作用力下焊缝裂纹或断裂、爆管。
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例1：xx电厂在对燃机水洗后烘干运行时，余热锅炉给水系统未运行，高压省煤器内介质高温汽化、汽包水位下降，在高温状态下运行启动给水泵上水，导致高压省煤器管道急剧冷却，模块管道在热应力作用下拉裂、爆管。
例2：xx电厂余热锅炉高压汽包干锅后立即上水，高压蒸发器管道因热应力作用导致7根管拉裂、爆管。
应对措施：
1) 冷态启动时，应尽可能减缓燃机初始阶段启动速度，确保模块缓慢膨胀。停机时注意余热锅炉保温，缓慢降温。
2）运行精心操作，避免介质温度、压力等参数宽幅震荡。
3.烟道尾部模块低温腐蚀及应对措施
余热锅炉为了提高换热效率，出口烟温都控制得较低，一般在90℃以下，低于硫酸和水蒸汽混合露点（硫酸露点在138℃左右、相关实验证明水蒸气与硫酸蒸汽混合露点会提高到100℃左右）。混合蒸汽结露附着于管外壁将对管道造成低温腐蚀，影响受热面使用寿命。
硫酸生成过程：S+O2→SO2 SO2+O2→SO3 SO3+H2O→H2SO4
管道腐蚀过程：
（1）Fe+H2SO4→FeSO4+H2
（2）FeSO4→FeS+O2
（3）FeS+O2→Fe2O3+S
（4）Fe2O3+O2→Fe3O4
由此可以看出，腐蚀产物分三层，从里到外分别为FeS、Fe2O3和Fe3O4，随着Fe3O4不断剥离，腐蚀逐渐深入。
预防低温腐蚀的措施探讨：
（1）增加烟气排放温度。由于增加排烟温度会牺牲换热效率，一般企业不愿采用该方案。
（2）采用耐低温腐蚀性能良好的ND管代替碳钢管（SA-210A1）。
ND钢（09CrCuSb）是一种低合金钢，其含C量小于0.10%，含Sb小于0.10%。因含C小于0.4%，具有焊接冷裂倾向小、无淬硬倾向，焊接后不需加热。下面是常用管材70℃、50% H2SO4溶液浸泡24h腐蚀实验数据：
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在不同温度参数下ND钢与碳钢的耐腐蚀性能曲线：
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从表中可以看出，ND钢的耐酸腐蚀性能是20G（与SA-210A1相近）的14倍。在80℃以上，ND钢抗低温腐蚀性能明显高于碳钢。采用ND钢材料可以有效减小低温腐蚀。
结束语
随着世界各国把环境治理和发展清洁能源放到最重要位置，纷纷关停污染大的燃煤机组，天然气发电必将得到快速发展。现在，高效利用燃机排烟热能有了较为成熟的设计。但是，随着市场需求的增加，余热锅炉设备制造缺陷有明显上升趋势，给使用单位造成了较大经济损失。同时，机组的快速、频繁启停和运行操作不当，余热锅炉模块爆管事件也时常发生。因此，我们必须加强设备监造和入厂验收，确保设备质量。并根据余热锅炉设计和设备制造工艺特点制定可靠的运行操作规程，保证机组安全稳定运行。
参考资料
1.余热锅炉露点温度设计【J】 黑龙江电力
2.烟道式余热锅炉设计导则 JB/T 7603-94
3.余热锅炉研究与设计【M】 中国标准出版社
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