火电机组膜式省煤器缺陷分析及改造建议

火电机组膜式省煤器缺陷分析及改造建议

陈久振

大唐七台河发电有限责任公司 黑龙江省七台河市茄子河区154600

摘要：由于长时间运行、煤质逐年劣化和省煤器管排变形严重等原因，膜式省煤器大面积磨损减薄，管排变形后产生的应力造成管子焊口出现裂纹。膜式省煤器存在的这些问题已经严重威胁了机组的安全运行和冬季供热工作。本文对省煤器换型改造的可行性进行了研究。

关键词：省煤器；火电厂改造；H型鳍片省煤器

1.项目背景

七台河公司一期工程2号机组锅炉是哈尔滨锅炉有限责任公司制造的型号为HG-1170/17.4-YM1，自然循环汽包锅炉，采用平衡通风、固态排渣方式，最大连续蒸发量是1170t/h。锅炉为П型单炉膛，框架全部采用钢结构。

锅炉省煤器为非沸腾膜式省煤器，由水平蛇形管组成，在省煤器入口集箱端部和集中下降管之间装有省煤器再循环管。省煤器的作用在于将锅炉给水进行加热，以此从即将离开锅炉的烟气中回收热量。省煤器布置在锅炉尾部竖井烟道下部，省煤器采用膜式省煤器，管径为Φ42×5.5mm，省煤器采用错布置的结构形式，材质为20G。省煤器管屏如图1所示。

图1  省煤器管屏图

给水经过省煤器止回阀和省煤器闸阀进入省煤器入口集箱（仅右侧单侧进入），再进入省煤器蛇形管，省煤器入口联箱规格为Φ406×65mm。水在蛇形管中与烟气成逆流向上流动，以此达到有效的热交换，同时也减小了蛇形管中出现汽泡造成停滞的可能性。给水在省煤器中加热后，经由出口导管引入锅筒。

给水经205片省煤器管屏加热后，进入标高36550mm处的4根Φ219×40mm省煤器吊挂联箱，其中103根由炉前两个联箱进入，102根由炉后两个联箱进入。每个吊挂联箱各引出45根共计180根Φ60×12mm吊挂管，最后进入标高62260mm处的出口集箱，然后由两根Φ273×32mm导管和三根Φ219×25mm的分配管引入汽包。

在省煤器入口集箱端部和集中下水管之间连有省煤器再循环管。锅炉启动时，该管可将循环水引到省煤器，防止省煤器中的水产生汽化。启动时，再循环管路中的阀门必须打开，直到连续供水时再关上。

2.设备运行状况

2.1检查情况

2号锅炉于2002年投产运行，已经连续运行22年，截止至2024年7月，累计运行131820小时。2011年进行了省煤器翻身，使管屏的背风面改为迎风面。

2号锅炉近几年省煤器下放管排检查及数据详见表1，省煤器换管位置较为离散，磨损区域不便于集中防护，同时膜式省煤器管屏存在不同程度的变形，在高度方向、水平方向有严重弯曲出列情况，造成深层管磨损不可控。加装的防磨护瓦易造成间距减小，进一步加剧了深层管的局部磨损，年度检修已不能保证每一根管都在可控范围内。

表1  2018-2024年省煤器换管记录

其中，2018年大修过程中，共计发现省煤器磨损缺陷1891处，共计换管575根，加装防磨护瓦1990块，处理管屏接管焊口缺陷3处。2024年检修过程（最近一次）中，共计发现省煤器磨损缺陷539处，共计换管137根，加装防磨护瓦630块。部分磨损及缺陷如图2所示。

图2  省煤器磨损情况

图3  联箱接管裂纹情况

图4  省煤器管排弯曲变形情况

2.2膜式省煤器管屏存在的问题

因膜式省煤器管屏间采用类似水冷壁的加工工艺，所有管子采用鳍片焊接在一起，管子间存在着较复杂的热应力，由于加工焊接点较多，管屏应力具有方向不同、大小不同、形式不同等特点。

运行中温度升高后，各类型的应力释放后即造成了省煤器管屏的三维扭曲变形。由于各管由鳍片连接成为一个整体，两片屏之间形成隔绝的烟气通道，因此扭曲变形后的两片管屏之间会形成很多距离宽窄不一的小的烟气通道，距离窄的截面烟气流速始终大，并且磨损加剧，距离大的截面烟气流速始终小，磨损较轻。

因此对于膜式省煤器而言，管屏变形后局部通道截面积减小是造成磨损的根本原因。目前七台河公司发现的磨损部位，绝大多数发生在管屏变形后的最窄通流截面处。

另外由于管排扭曲变形后产生的横向应力，极易造成管屏与联箱连接焊口产生裂纹。七台河公司的检查结果也证实了此类问题的存在。

2.3近年来运行煤质情况

近年来的煤质情况与设计煤质对，目前七台河公司燃用煤质热值呈现逐年下降的趋势。与设计值比，2023年煤质热值低于设计值2875kJ/kg，灰分增加3.69个百分点。综合计算后的烟气含尘量(含尘浓度)增加33.4%，意味着磨损速度增加了33.4%。

2.4管排换型的必要性

由于膜式省煤器管屏结构特点，管子及鳍片间存在着较复杂的热应力，造成管屏变形严重。运行时间越长，变形部位越多。由于2号锅炉已经运行22年，管排变形后磨损的风险逐年增多。由于屏式结构的限制，防磨盖板的安装十分困难，十分不利于防磨防爆工作的开展。2018年大修及近几年检修过程发现的缺陷数量足以说明问题的严重性。

同时，近年来煤质的连续恶化，使烟气含尘量逐年上升，磨损速度逐年加快。另外，七台河公司2号锅炉已经连续运行22年，根据检修经验，自然磨损情况下的金属减薄量也已经达到更换的程度。根据近几年的换管数量推断，省煤器的磨损范围是大面积的，检修工作已经找不到重点方向和规律，省煤器的防磨防爆工作中“人的因素”已经无法保证机组的安全运行。

通过以上几方面的分析，表明七台河公司的省煤器换型改造是必要的。首先通过更换新的省煤器，解决省煤器寿命的问题，其次通过选择新型的省煤器结构设计，解决省煤器磨损突出的问题。

3.省煤器换型的技术路线对比

3.1光管式省煤器

光管式省煤器即为常规的普通省煤器，整个管屏均由光管弯制、焊接而成，如图5所示。一般可制成单管圈和双管圈，也有制做成3管圈结构形式。

图5  光管式省煤器

优点：

因省煤器材质多数为20G，一般均为冷弯加工，不需要回火工艺，具有制做工艺简单的优点。

缺点：

换热性能差、同性能下受热面布置空间大，金属耗量大；同时管排整体刚性弱，管排易变形，防磨性能差。

3.2膜式省煤器

由焊接鳍片管、轧制鳍片管或用钢板焊接在相邻管间所组成的省煤器，称膜式省煤器，如图6所示。膜式省煤器类似膜式水冷壁结构，一般可制成单管圈和双管圈。2号锅炉原设计即为膜式省煤器结构。

图6  膜式省煤器

优点：

（1）以薄钢板代替了部分主材，使承压元件耗量和金属耗量都减少，节省金属材料。一般承压元件比光管可节省26%，包括固定装置在内的总金属耗量可节约10%左右；

（2）充分节省有效空间，有利于尾部受热面的布置，降低管组高度；

（3）简化支撑结构，增强管排刚性，便于安装；

（4）较光管省煤器可减轻积灰和磨损；

（5）降低水侧和烟气侧阻力。一般烟气侧阻力可减少约13%左右。

缺点：

（1）整排管连接在一起，管子间存在复杂的应力，管子易撕裂；

（2）管排易扭曲变形，一般呈现弯曲或球状变形，变形后反而加剧了最小截面处的局部磨损。

3.3H型鳍片省煤器

鳍片管，又称翅片管或肋片管，英文名字为Fin-Tube,也称Extended Surface Tube，就是在原有的光管表面上增加了鳍片，使原有的表面得到扩展，如图7所示。H型鳍片管在烟气侧换热中使用率最高。

图7  H型鳍片省煤器

H型鳍片管是将两片中间有圆弧的钢片对称地与基管焊接在一起而形成的翅片管，正面形状像字母H，故意称为H型鳍片管。H型鳍片管是应用于烟气侧换热较多的结构形式。H型鳍片采用闪光电焊工艺，焊缝熔合率高，抗拉强度大，具有良好的热传导性能。

优点：

（1）与膜式结构类似，以薄钢板代替了部分主材，使承压元件耗量和金属耗量都减少，节省金属材料；

（2）和同长度光管相比，H型鳍片管受面积增加，可减少管排数量，降低管组高度，充分节省有效空间，有利于尾部受热面的布置；

（3）当烟气流经鳍片时，烟气发生绕流，灰粒在水平方向上发生位移向通道的中间集中，减轻受热面的磨损，另外，鳍片管之间的间隙小，将大烟道分成若干小烟道，使烟气速度和浓度更趋于均匀，可减轻烟气的冲刷作用；

（4）较光管省煤器可减轻积灰和磨损；

缺点：

（1）加工工艺困难，吨造价较光管及膜式省煤器高；

（2）安装后由于鳍片间间隙小，检修作业困难。

3.4技术方案对比与选择

3.4.1技术方案数据对比分析

三种不同技术方案数据对比详见表2。

表2  技术方案数据对比表

3.4.2技术方案对比分析

（1）光管式省煤器检修作业容易，但防磨损性能最差；因此并不符合本次更换的目的。

（2）原膜式省煤器结构存在应力变形的问题原因，极易造成省煤器的磨损，因此也不符合本次省煤器更换的目的。

（3）H型鳍片省煤器具有较强的防磨性能，符合本次省煤器更型的目的。

因此本次省煤器换型选择H型鳍片管省煤器结构设计。

4.总结

目前的火电机组锅炉省煤器，有三种结构设计比较常见，分别为常规的光管式省煤器、膜式省煤器和H型翅片管式省煤器。常规的光管式省煤器加工简单，但金属耗量及安装空间大，防磨性能较差；膜式省煤器和翅片式省煤器虽然加工复杂，但附加受热面积可大大减少金属的消耗量和减小安装空间的优势，同时具有光管不具备的防磨损性而被广泛推广。

膜式省煤器普遍反映出的问题是由于膜式省煤器加工、安装及运行时存在较大的温差应力，导致运行中管排变形严重、直鳍片根部环状裂纹等问题的发生。由此引发的膜式省煤器的磨损及漏泄的问题仍较为突出。因此目前推荐最多的结构为翅片结构的省煤器，具有防磨特性强及换热效率高的优异性能而越来越被广泛采用。