提高余热锅炉省煤器设计可靠性

锅炉信息网提高余热锅炉省煤器设计可靠性摘要在周期性运行中，省煤器的可靠性与余热锅炉(HRSG)的其它部件同样重要。一台省煤器不能适应热膨胀一尤其是在启动时一可以引起腐蚀疲劳，这是导致管子失效的一个原因。由此而知，在HRSG的周期性运行中，为何有些省煤器设计模式优于其他类型的原因。1周期性运行HRSG省煤器的可靠性问题如今，余热锅炉(HRSG)的操作者所面临的最大问题可能是联合循环机组周期性运行时的长期可靠性。尽管涉及周期性运行机组部件一如过热器和锅筒等一的文章已有很多，但论及省煤器的却不多见。EPRI的《余热锅炉管子失效手册》阐述了腐蚀疲劳是导致余热锅炉管子失效的原因之一。腐蚀疲劳是一种主要发生在省煤器中并与管子循环应力和水质都有关的失效形式。过去有些HRSG设计者没预料到频繁的周期性运行。例如：许多早期的HRSG设计是假定机组在基本负荷下运行，并且启动和停机时由大的热膨胀造成的瞬变过程不是经常性的，所以，使高压、中压省煤器管子共用一个上部和下部集箱。机组操作者发现，许多这样布置的下部集箱必须分成几段，以减少瞬变过程中的热膨胀应力。省煤器中有许多与周期性运行有关的问题，其中流道问应力是非常普遍和众所周知的。在启动瞬间，当开始给水时，热的省煤器一接触冷水就会骤冷，即使温差低于83℃，这种急剧的冷却也会造成损害。管子壁厚不是主要的因素，但管组的几何形状却是主要因素，因为不合理的几何结构会产生不合适的挠性，并且增大应力。省煤器流量分配不均也会造成管子间不同的膨胀。在相同的管子流道内，单根管子水流量会高于或低于平均流量，影响了管子温度。水流经集箱进口接管时可能会正对着某些管子的入口，接管中水流的动量会引起一定程度的流量分配不均。由于上升力的影响，还可能发生反向流。因此，在所有的运行情况下，管子中的水速不应低于0．9m／s，使每个管子流道内形成良好的水流分布和均匀的管子温度。汽化和不合理的排气是造成管子温差的两个潜在因素。正常运行时，由于实际上减少了有效换热面积，在这些情况下就降低了机组的性能。由于水流量分布的不均或局部的排空温度较高，会产生汽化。当一根管子中水流受阻时，该管的温度会高于相邻的管子。HRSG中有关汽化的问题被夸大了，最有可能是因为传统锅炉中省煤器的汽化是一个主要的问题。在每个HRSG的省煤器中，都会发生汽化，特别是在启动时，因此在这种场合省煤器必须能够适应管间的膨胀差异。省煤器问题成为当今工业领域的一个特殊问题，主要是因为许多联合循环机组是周期性运行的(每天启动一次或两次)，而不是原始设计中带基本负荷运行的条件。HRSG的每一次启动会付出一定的代价。在某些情况下，操作者采取了过多的措施来应对这种情况，包括安装省煤器再循环系统，使省煤器出口水返回到除氧器以最大程度减少启动时温度的影响。一台HRSG的设计，应该是耐用的，当实际运行情况变化时，不必用这种方法进行修正。2省煤器的设计类型2．1N／E公司的设计在N／E公司的省煤器设计中，水流通常在横置于烟道的管排中半流程分布。在进口管排，每隔锅炉信息网一根管子与上集箱相连，同时那一排的所有管子与一个下集箱相连。在下集箱中，水从一根管子流出进入相邻的管子。水先向下再向上流经每个管排，见图1。水通过U形弯管，从进口管排流到下一个管排。随着水从第一个u形弯管流出到下一个管排的下集箱，水就流入了相邻的管子——流程中的下一个u形弯管。这个过程一直延续到省煤器出口，在出口处回路改变，形成向上流动的1.5排管排。对进入最后下集箱的最后的每根管子，水流分配到三根管子并直接向上流到出口集箱。省煤器热端产生的蒸汽向上流经这些管子至出口，然后直接流向锅筒。最后的u形弯管在出口处有一块节流孔板，作为均匀分配水流的额外保证。2．2其它类型的设计各种各样的省煤器设计遍及整个行业。一种设计类型是：每列管排的上部和下部均连接一个小集箱(直径为凹6．2mm)。这种集箱通常有很多接管，接管之所以小是因为集箱直径小(图2)。在这种设计中，水进入省煤器流人两列或更多列管排。在这些管排的底部，集箱与跨接管道相连，跨接管道将管组中前列管排和下一列管排连接到一起。如果水流同时流过两个全流程的管排，跨接管越过相邻管排后连接到下一列管排。此时应注意每列管排的温度是不同的。在管组中管排之间的温度差异产生了应力。带跨接管的管排越多，温差越大，从而应力也越大。在下一个流道中管子顶部也有跨接管道。这种结构较能适应机组周期性运行条件。由于水流分布到一列或两列管排中，管子中水的流速是相当低的。又由于设计的一个目标在于减少接管和跨接管的数量，而由于集箱直径小，从而限制了接管的直径，接管中水流速度会大大提高，高水速的动量又会提高接管后面管中的水速。为排出管组中的空气，需要一个排气系统。排气管连接在集箱之间连接管道的顶部。为了避免水不经过受热面而旁通，每个管排的连接管道必须有一个隔离阀。但对于横穿烟道的类似的连接管道的排气管可共用。另一种类型的省煤器设计也是有与每根管子的上部和下部连接的集箱，见图3。有三排管子与各集箱相连，中间的管排直接连接到集箱，而二个外侧的管排在靠近集箱处有一个弯管。这种类型的设计近集箱端的弯管增加了管子应力。管子上任何轴向的载荷在管子和集箱的连接处都会引起弯曲和轴向的混合应力。前段中所描述的设计，进口处的水流分配到与集箱的进口端相连的管屏的一半管子。水流被集箱中分隔板分流，在底部进入另一半管子。在第一流程的底部管子出口处的水流从一侧流向另一侧时，汇集在下集箱中。当水流进入下一个流程的管子时再进行分流，然后向上流到上集箱。在上集箱中，流程中一个连接管道连接着进口管屏和下一个管屏。从进口到出口集箱，所有的管排的流程都是类似的。排气管与上集箱端部或连接管相连。这些排气管也必须设立单独的隔离阀门以防止水旁路和效率损失。集箱中的分隔板也是一个问题所在，因为水可能通过板泄漏，从而走旁路而不经过受热面。由于每个管子流程中管子的温度不同，分隔板也会产生应力，这些温差必须在管组内部被吸收。最大的管子应力可能出现在分隔板附近，腐蚀疲劳最有可能发生在分隔板附近的弯管处。集和分流起重要作用。在其它的省煤器设计中，水流的汇集和分流会引起管侧水流分布的不合理，如图4所示。这种情况在机组启动和部分负荷运行时的低速流工况下特别容易发生。集箱和连接管道中的高速水流也会增加这些部件冲击腐蚀(HRSG另一种主要的管子失效机理)的危险。3省煤器的可靠性设计3．1流量分配N／E公司设计的最关键目标在于使水流的汇集和分流最小化，并维持水流良好的均匀分布；而其它类型设计必然存在的水流的汇集和分流使流量分布不均，可能导致汽化，产生管子热应力，并降锅炉信息网低整个省煤器的性能。在N／E公司的省煤器设计中，水进入进口接管并均匀分布到进口管程的所有管子。水流只在管组下部才会有相邻管子之问的横向流动。一根管子出口的水流通过一个小直径的中间集箱直接进入下一根管子的进口。在中间集箱中水的流速总是低于管中的水速。水流汇集只会出现在该管组出口集箱处。管内流速和集箱尺寸等因素对水流的汇3．2u形弯管的适应性在N／E公司HRSG设计中U形弯管式省煤器结构已被证明是非常可靠的。原因之一是所有的u形弯管是通过与u形弯管内径相匹配的吊杆吊挂支撑在管组的上部。这种结构可防止局部的集中载荷或扭曲，允许U形弯管的每个支管在没有限制的情况下沿垂直方向自由膨胀。在N／E公司的半流程省煤器设计中，U形弯管的两个支管连接到分开的两个下集箱上。这点非常重要，因为当水流经管圈时，随着水由后向前的流动使水受热向上，每个支管会有微小的温差。结果是每个支管会产生不同的膨胀率。如果不能适应这种不同的膨胀，就会产生热应力。N／E公司认为，使管组最大程度地适应这些内部温差是可靠设计的关键。当u形弯管受热以及管组的重量推向外部集箱时，U形弯管承受的应力仅稍有增加。只有开始启动，第一、二排管温度较低时，这种情况才确实存在。当达到平衡后，这些应力就会消失。再循环系统可以减少或完全消除应力。3．3空气的排空与带上部u形弯管的省煤器有关的问题是u形弯管会形成气塞，致使个别的u形弯管故障。在N／E公司的设计中，省煤器设计时维持了最低的管侧水流速，该流速足以排除残留的空气，因此这些管子是自行排空的。用集箱代替u形弯管的设计需要采用机械方式来排气。由于实际上取决于部件什么时候和以什么方式来排气，因此管组或连接管道的空气可能不会完全排尽。如果排气管设在连接管道上，空气必须逆着管组给水流动的方向上升到连接管的顶部，水流会阻止气泡到达排气管。由于位于集箱一端的排气管可能不会完全排尽集箱另一端的空气，因此集箱上的排气管也可能产生滞留的空气。最后一个有关的问题是上部排气管会使水绕过管组或部分管组而直接旁路掉。如果个别的排气管道彼此没有隔离，大量的水会绕过管组而被旁路，减少了HRSG的能量回收。因为所有的排气阀通常不是远程操作的，操作者有可能难以接近某些个别的排气阀，特别是当阀门位于机组上部时。3．4汽化问题对于周期性运行HRSG中省煤器的汽化问题，N／E公司将温度最高的一排半管子设计成向上流动。这些管排中产生的蒸汽上升并流到锅筒，经过这两排省煤器管子的出口温度通常等于或低于沸点。其他设计采用排气管将最后一至两个省煤器集箱连接到锅筒。当到达汽化条件时，排气管有一个自动阀门可远程开启。然而，这种设计在向下流的管子中是毫无帮助的，由水流产生的力可能抵消了蒸汽的浮力。管子中发生汽化将阻碍管子内水的流动。对这种情况，在管子中设计为低流速是非常有效的。由于管中的流速低，一旦排气管阀门关闭也不必对汽化采取预防措施。另外，有些排气阀门的锅炉信息网设计只用于充水，并不为汽化工况时使用。3．5降低热应力启动状态水流刚形成时，由于急剧的温度变化，所有的进口集箱都产生了应力。此时，应力和不理想的水质会促成腐蚀疲劳。腐蚀疲劳失效一般发生在省煤器的进口。N／E公司的设计将省煤器管子的应力减至最小，特别是在进口集箱和管子的连接处。N／E的设计采用直管连接到进口集箱，由于管子径向设置，直接插入集箱，就不会产生弯曲载荷导致扩大该连接处的局部应力。3．6运行和维护N／E提供的省煤器是高度模块化设计的(图5)，每个管组带有一个进口和出口接管。因为这种设计不需排气，因此在机组顶部就没有排气管道、隔离阀、控制器或其他配件。此外，操作者不必记牢给管组排气。如有必要对管组进行维修，可以切开管组底部的小口径疏水管线用来分离下部集箱(图6)。分开了下部集箱就可以进入到u形弯管的两端。在机组顶部不需搭建脚手架就可将下部集箱的u形弯管的两端塞住。如果上部u形弯管还需进行维修，则可通过顶棚进入。有的省煤器设计每个管排都带有上下集箱，维护人员进入中间管束的泄漏处时非常困难，到达泄漏处需要割掉并重焊整个管区，或者切割并重焊大口径的连接管道。HRSG的可靠性是极其重要的。机组设计中的最薄弱环节将导致被迫停机。优良的省煤器设计会致力于研究HRSG的管子失效的所有潜在机理。