嚴小華, 鮑 聽

(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司， 杭州 311121)

某電廠 2號燃煤機組于2015年底完成超低排放改造并投運。超低排放系統(tǒng)包含水媒管式GGH(簡稱MGGH)，其中煙氣冷卻器(共4臺)布置于空氣預(yù)熱器之后、電除塵器之前的煙道上。投運僅8個月，煙氣冷卻器C的換熱管就發(fā)生泄漏，至2017年1月，4臺煙氣冷卻器均出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。由于該電廠擔(dān)負著附近工業(yè)園區(qū)的集中供熱任務(wù)，對機組可靠性要求很高。因此，分析MGGH泄漏原因并提出解決方案對提高供熱的可靠性具有重要意義。

筆者通過對早期泄漏失效的MGGH換熱管和運行工況進行仔細研究分析，并對煙氣流場進行數(shù)值模擬，提出了改進措施以提高機組運行的可靠性。

1 MGGH泄漏點宏觀檢查

2號機組停機期間，將4個煙氣冷卻器全部拆解，對換熱模塊(共計128組)進行水壓試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有32組模塊存在泄漏點。根據(jù)水壓試驗結(jié)果，結(jié)合冷卻器模塊的隔離記錄，查找出了最早發(fā)生泄漏的模塊，對泄漏點進行檢測分析。

模塊編號AB3的泄漏點位于迎煙氣面第1排(見圖1)，靠近支撐隔板位置。泄漏點附近部分區(qū)域的翅片有減薄，翅片最小厚度為0.72 mm(公稱厚度為2 mm)。切開管子觀察發(fā)現(xiàn)，泄漏點區(qū)域的管內(nèi)壁較為光滑，未發(fā)現(xiàn)由內(nèi)向外的腐蝕痕跡。

圖1 泄漏點外壁(模塊編號AB3)

模塊編號CA1的泄漏點位于迎煙氣面第2排(見圖2)，位于模塊最底部。泄漏點附近翅片大面積減薄，翅片最小厚度為1 mm(公稱厚度為2 mm)，翅片高度減少到9 mm(公稱高度為14 mm)。切開管子觀察發(fā)現(xiàn)，泄漏點區(qū)域的翅片以及管壁無明顯腐蝕。

圖2 泄漏點外壁(模塊編號CA1)

2 泄漏管樣理化檢測分析

2.1 成分分析

分別選取了模塊AB3(ND鋼材質(zhì))、模塊CA1(316L材質(zhì))的管樣進行定量光譜檢測，測試數(shù)據(jù)分別列于表1、表2。根據(jù)光譜檢測結(jié)果，這兩個管樣的成分均符合標準要求。

表1 ND鋼管樣光譜(OES)分析結(jié)果 %

表2 316L管樣光譜(OES)分析結(jié)果 %

2.2 金相分析

光譜分析結(jié)果顯示，模塊編號AB3的ND鋼金相組織為珠光體，模塊編號CA1的ND鋼金相組織為奧氏體，所檢測的管樣的金相組織正常(見圖3)。

圖3 金相組織

2.3 硬度檢測

管樣硬度分析結(jié)果見表3。硬度檢測結(jié)果顯示，管樣的硬度正常。

表3 管樣硬度分析結(jié)果

3 煙氣流場數(shù)值模擬分析

2號機組的冷卻器受場地區(qū)域原有鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的限制，其布置形式與新建機組不同：從平面上看，兩側(cè)冷卻器的進口煙道傾角遠大于其他工程；從立面上看，由于靜電除塵器入口前的煙道上部無擴展空間(上部正對脫硝出口煙道)，因此煙氣冷卻器是頂平布置(見圖4)[1-2]。另外冷卻器進口煙道導(dǎo)流板布置形式也不同于其他工程。

采用CFD軟件對煙氣冷卻器建模進行流場分析(見圖5)，從煙氣速度分布情況看，煙氣冷卻器入口處局部區(qū)域的煙氣流速明顯偏高。煙氣冷卻器A、B入口煙道處最高煙氣流速達到20 m/s。

圖5 煙氣速度分布

從顆粒分布數(shù)值模擬情況看，由于導(dǎo)流板的存在，在導(dǎo)流板后方出現(xiàn)速度較小區(qū)域，而且在導(dǎo)流板與壁面可能存在渦流，這都會給積灰創(chuàng)造有利條件，導(dǎo)致入口處積灰加重(見圖6)。另外在兩端處換熱管間的煙氣速度與中間換熱管間的煙氣速度存在差異，可能導(dǎo)致渦流，加重高低溫段之間的積灰[3-4]。

圖6 飛灰顆粒分布

下式可反映受熱面管磨損速率的影響因素[5]。

T=C·η·k·ω3·τ

(1)

式中：T為管壁面的磨損量，g/m2；C為比例常數(shù)，代表了灰分的磨損性能，煤種不同飛灰的物化性能不同,對管壁的磨損也會不同；η為灰粒質(zhì)量撞擊管壁的幾率；k為煙氣中灰粒質(zhì)量濃度，g/m3；ω為煙氣流速，m/s；τ為作用時間，s。

由式(1)可以看出：磨損量與煙氣流速的三次方成正比，也就是說，在眾多影響因素中，煙氣流速對管壁磨損速率的影響最為顯著。在換熱器中，局部煙氣流速的增大，將顯著加劇換熱管的磨損。

現(xiàn)場導(dǎo)流板磨損情況與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。由于導(dǎo)流板傾斜角度過大，導(dǎo)致煙氣進入煙氣冷卻器時局部位置流速加快，加劇了飛灰對高溫段的迎風(fēng)面翅片管的沖刷磨損，最終導(dǎo)致高溫段部分迎風(fēng)面換熱管被磨穿(見圖7)；煙塵在導(dǎo)流板局部區(qū)域集聚沖刷，加上導(dǎo)流板上的加強筋會使煙氣流動時產(chǎn)生渦流，最終造成導(dǎo)流板磨損。

圖7 現(xiàn)場A冷卻器導(dǎo)流板磨損照片

制造廠在換熱模塊中間設(shè)置了兩塊隔板，起到固定換熱管的作用?，F(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)，隔板附近的換熱管普遍有減薄，這可能是由于隔板阻擋煙氣形成渦流，導(dǎo)致磨損加劇。

4 運行工況分析

選取2號機組2016年發(fā)生管式煙氣冷卻器泄漏前2季度的運行數(shù)據(jù)進行分析(見表4)。

表4 煙氣冷卻器運行參數(shù)

由表4可見：

(1) 由于管式煙氣入口無流量測點，因此選取省煤器出口煙氣量進行計算，按空氣預(yù)熱器漏風(fēng)系數(shù)為6%考慮，管式煙氣入口煙氣量未超過設(shè)計值。

(2) 2號機組穩(wěn)定運行時，煙氣冷卻器進口溫度基本在106 ℃以上，出口溫度在89 ℃左右，符合設(shè)計值，未出現(xiàn)低于酸露點的情況[6]，符合設(shè)計要求。

(3) 吹灰用蒸汽壓力未超過設(shè)計值，現(xiàn)場檢查也未發(fā)現(xiàn)靠近吹灰器區(qū)域的換熱管有明顯的吹損痕跡。

5 結(jié)語

理化檢測分析結(jié)果顯示，所取泄漏管樣的化學(xué)成分均符合標準要求，內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，基本可排除內(nèi)壁腐蝕導(dǎo)致泄漏的可能性。流場數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示，煙氣冷卻器入口段局部煙氣流速較高。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，煙氣擋板局部磨損，換熱管的泄漏點也大多位于迎煙氣面，泄漏點附近存在不同程度的磨損減薄情況。

綜合上述分析，2號機組煙氣冷卻器發(fā)生早期泄漏失效的直接原因為飛灰磨損，這是由于導(dǎo)流板設(shè)計和模塊支撐隔板設(shè)計上存在缺陷所造成。為了解決磨損問題，提高機組運行的可靠性，建議采取以下應(yīng)對措施:

(1) 改進導(dǎo)流板設(shè)計，解決導(dǎo)流板局部磨穿和局部煙氣流速過高的問題。

(2) 改進模塊支撐隔板設(shè)計，解決隔板周圍區(qū)域翅片管磨損的問題。

(3) 增設(shè)防磨措施，如在高溫段模塊前增設(shè)假管或防磨裝置，降低煙氣對換熱管的磨損。