托克托电厂高压加热器泄漏原因分析及防范措施

倪 鑫

(内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，呼和浩特 010206)

0 引 言

大型汽轮机普遍采用回热加热给水系统，利用汽轮机的抽汽来加热锅炉给水，提高给水温度，从而提高电厂的热效率。高压加热器(以下简称高加)的投入率是机组经济指标中非常重要的考核指标。高加切除，将使机组发电煤耗率大约增加7.0 g/(kW·h)[1]。根据中电联对全国200 MW及以上火电机组主要辅机运行可靠性统计分析，2012—2016年高加的可用系数为93.85%[2]。近年来，随着超超临界等大容量、高参数机组大批投运，高加承受的压差和温差越来越大，此外，电网对发电企业的深度调峰、负荷快速跟踪能力日益提高，导致高加承受频繁热疲劳，这些因素都将引起运行中高加管束热疲劳甚至发生泄漏风险。

治理高加故障不仅是技术难题，也是管理课题，是保障辅机设备安全运行与保障主机安全运行的基础之一。

根据2017年全国电力可靠性年度报告分析，引起高加非计划停运的主要技术原因中，排前5位的分别是漏水、腐蚀、磨损泄漏、漏汽和开焊。造成设备故障的主要部件中，前5位分别是高加U型管、管板、疏水管道、筒体、汽侧安全门。对此，以大唐国际托克托电厂11号300 MW机组为例，从高加结构、运行、检修等角度，分析高加泄漏原因，提出相应处理措施，以避免高加泄漏、提高火电机组高加运行安全可靠性。

1 高加结构与设计参数

以托电11号机300 MW机组的高压加热器为例分析高加结构，该机组采用3台东方锅炉(集团)股份有限公司生产制造的单列卧式表面加热器，为典型的三段式结构，高加汽侧分为过热蒸汽冷却段、蒸汽凝结段和疏水冷却段，蒸汽流过U形管外侧，给水流过U形管内侧，如图1所示。采用大旁路给水系统，加热汽源分为1、2、3段抽汽，供1号、2号、3号高压加热器，正常运行时疏水逐级自流至除氧器，故障时通过危急疏水排至凝汽器。

图1 高加结构图

托电11号300 MW机组高压加热器设计参数见表1。

表1 高加设计参数Table 1 Design parameters of high-pressure heater

2 高加泄漏原因

2.1 汽水流动加速腐蚀

通过表1中的数据对比分析，可得知：

1)高加普遍具有汽侧压力低、温度高和给水压力高、温度低的特点；

2)与1号、2号高加相比，3号高加内部钢管管束的内外壁压差、温差最大，热应力最大；

3)与1号、2号高加相比，3号高加的蒸汽侧压力最低，3号高加的连续排空气压力与除氧器运行压力差值小，可能导致不凝结气体积聚而无法及时排出，影响3号高加换热效果，加速腐蚀。

高加管束材质一般为碳钢，而给水pH值为9.2～9.6，流动加速腐蚀理论(Flow-Accelerated Corrosion，FAC)认为，碳钢在弱碱性环境中，表面形成一层Fe3O4氧化层，该氧化层具有渗透性和微溶性，在介质冲刷下加速溶解，其溶解与温度、pH密切相关，如图2所示。

图2 pH和温度对KFAC的影响

图2 中，KFAC为表征流体加速腐蚀速率大小的系数，腐蚀最大区间为120～160 ℃，当温度大于140 ℃时，随着温度增大，流速加速腐蚀降低[3]。结合图1分析，1号、2号、3号高加的水侧温度均大于140 ℃，且依次增大，而3号高加的运行温度(水侧)最低，接近160 ℃，流动加速腐蚀最严重。

因此，3号高加工作环境最为恶劣，最容易发生泄漏事故，呼热11号机组自2007年投产至今已经发生3次钢管泄漏事故，最近一次多达56根管束发生泄漏。

温度差和压力差引起的应力不均、工作环境恶劣及流动加速腐蚀严重是3号高加极易泄漏重要因素。

此外，运行、设计制造、维护检修因素也会导致高加泄漏。

2.2 在机组加减负荷时，变化速度过快

负荷变化过快会导致相应抽汽压力、温度迅速变化，而给水温度变化相应滞后，高压加热器U型管以及管口焊缝受到激烈的温度交变热应力而损坏，在机组紧急甩负荷或高压加热器紧急解列时，高压加热器带来的热冲击更大，U型管长期受热疲劳，也是其泄漏的主要原因。

2.3 投停操作不当

高压加热器投运前暖管不充分，汽水混存引起抽汽管道、管束振动，在激振力作用下，管束间、管束与管板间的应力超过材料的疲劳极限，从而使管子开裂。高压加热器投运过程中温升率控制不当，引起管板与管束之间受热不同步，膨胀不均匀，热应力作用下U型管产生热变形。在高压加热器停运时，上侧疏水侧温降滞后，从而形成较大的温差，产生热变形。

2.4 给水水质差，携带含盐增多或溶氧超标

给水水质差，携带含盐增多会造成高加内部受热面管束结垢，结垢会引起加热器管束传热热阻增大，传热恶化，降低传热效率，严重时部分管束堵塞。结垢将导致管束内外温差增大，若部分管束堵塞会造成流通管束内给水流速增大，冲刷磨损加剧。另一方面，机组运行过程中，给水溶氧超标(正常给水溶氧<7 μg/L)，或除氧器除氧效果差，势必造成高加内钢管管壁腐蚀而变薄，加大了泄漏危险。

2.5 设计制造水平有待提高

2017年全国电力可靠性年度报告[4]指出，磨煤机、给水泵、送风机、引风机和高加等5种主要辅机国产率逐年提高，但与进口高加相比，国产同等级设备的可用系数均低于进口设备。在2017年列入统计的200 MW及以上容量火电机组辅机设备中，国产高加的非计划停运率为0.07%，而同期进口高加的非计划停运率仅为0.01%。文献[5]也报道过，由于设计缺陷，造成进水流量分布不均、进水流速过大，水流直接冲刷到管板和防冲刷套管上，造成高加新安装15个月后即出现严重泄漏问题。

2.6 长期运行磨损、老化

高加由于结构特点，给水在入口水室进入管束，水流截面骤然缩小，管口处必然形成局部流速很大的束流和涡流，换热管将承受较大的冲击破坏和磨损。

2.7 管理不当，检修质量不良

机组停运时应当及时加强机组高加查漏的工作，尤其是检查高加管板与U型钢管连接的部分，发现问题及时处理，避免运行时发生高加泄漏事故。避免进行查漏工作时，检修人查漏不认真，或者堵焊水平低，堵头与管束材质不匹配造成焊接效果差、抗腐蚀高温性能差，从而给机组安全运行带来重大安全隐患。

3 高加泄漏危害

高加是利用机组中间级后的抽汽来加热给水温度，提高机组热效率的重要设备。由于高加水侧压力远大于汽侧压力，当高加管束发生泄漏时，给水将立刻窜入高加抽汽管道，从而造成高加水位快速上涨，导致高加内部传热恶化，对机组的影响分析如下。

1)高加泄漏会导致周围管束冲击振动，泄漏逐步扩大，引起事故扩大。若水位保护未动作或保护不正确，水位将迅速淹没抽汽进口管道，蒸汽带水将返回到蒸汽管道，蒸汽管道发生猛烈振动，甚至进入高中压缸发生严重的汽轮机水冲击事故，因此必须紧急停止高加运行。

2)燃煤机组高加大多采用大旁路系统，即任一高加泄漏需要隔离，1号、2号、3号高加将整体切除，高加整体解列将导致进入锅炉给水温度大幅度降低(110 ℃左右)，为了获得额定压力、温度的蒸汽，锅炉必须增加燃料量，文献[1]计算得出标准煤耗增加约7.0 g/(kW·h)。另一方面，根据文献[4]，处理高加泄漏平均用时大约为100 h，如果机组出现老化、系统阀门不严、隔离不彻底时，就会延长管束冷却时间，严重影响机组一段时间内的经济性。

3)高加停运期间，汽轮机工况偏离设计工况，流经汽轮机末几级叶片流量严重变大，叶片侵蚀增大，严重影响叶片寿命，危及机组安全运行。

4 高加泄漏预防措施

预防高加泄漏，应从正常运行、投停操作、停运维护3个方面着手采取措施。

4.1 高加正常运行中注意事项

1)保证高加传热端差最佳值。由于3号高加的疏水量最大，压差又小，在抽汽压力、抽汽量发生变化以及3号高加正常疏水调门失灵的情况下导致疏水门关小或误关，易造成疏水不畅，使水位升高，此时应加强监视检查，联系热工人员调整，必须及时打开事故疏水阀快速降低高加水位，维持高加水位正常值。若高加水位明显上升，且给水泵的出力不正常地快速增大，表明加热器存在泄漏，应尽快停止加热器运行，避免造成泄漏管束数目扩大。

2)加强锅炉给水品质的监测。机组运行中，保证化学取样、加药可靠连续运行，调整给水pH、溶氧、含盐量在合适范围内，防止给水品质不合格造成加热器受热面管束结垢。

3)保证负荷变化平稳、避免突变。在机组启动、停用或AGC投入情况下，负荷变化过快会引起高加抽汽压力、温度以及给水量快速变化，高加将承受更大的热应力、热变形，为防高加热应力而产生的热变形，必须做到以下几点：a.机组启动、停用过程缓慢，避免大幅度操作。锅炉正常运行时要保持燃烧稳定，使炉内受热均匀，火焰中心适当，平衡通风，保持风煤比例协调; b.AGC投入时，负荷变动率的确定，需综合考虑高加、锅炉受热面的热应力变化;c.在机组高加紧急停运时，应先切断供汽，并检查抽汽逆止阀、抽汽电动门是否关严，否则手动校严。防止切断给水后，蒸汽继续进入壳体加热不流动的给水，引起管子热变形。

4.2 高加在投停时注意事项

1) 为防止高加投入过程中产生的热冲击，高加应随机启动投入。

2) 加热器投停过程中，应严格控制高加出水温度变化率小于2 ℃/min。

3) 投高加时应遵循从低压到高压的原则，停时相反。

4) 投入高加汽侧时，必须对抽汽管道充分疏水，避免管道振动。

5) 高加启动时全开高加启动放空气门，排除漏入高加的不凝结气体，防止不凝结气体在高加内积聚、恶化传热。高加正常运行时连续排气全开，防止不凝结的氧气造成管束腐蚀。

4.3 高加停运时注意事项

机组停运较长时，应当加强机组高加查漏的工作，检查入口管束冲击磨损情况，检查进口侧整流板对流场改善效果，避免局部流速过高、加速磨损。

提高检修水平，在高加堵漏检修作业时，采用与原管束材料线膨胀系数、刚性等特性相近的材料，条件允许时，采用ABAQUS、COMSOL、ANSYS等成熟商用有限元分析软件，模拟不同堵头工艺热应力特性，从理论上对比分析，合理确定堵漏方案，减少因堵漏、堆焊工艺控制不良造成高加再次泄漏[6-7]。

5 结 语

高加泄漏对机组的安全性、经济性均有着重要的影响，因此必须对高加泄漏原因及高加泄漏处理的全过程进行系统分析，从运行、启停操作、检修维护等方面采取相应的措施，确保机组的安全高效运行。自2017年6月至今，11号机组严格执行以上措施，经历多次启停操作，累计运行近800天，未发生一起泄漏故障。实践证明，所采用的高压加热器防范泄漏措施可靠有效，可减少高加泄漏次数。