火电机组后屏再热器材质老化原因分析及处理方案

火电机组后屏再热器材质老化原因分析及处理方案

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：锅炉厂在对后屏再热器进行设计时，外数第2圈以后的管圈抗高温能力不足，采用的材质为12Cr1MoVG。加之机组后续改造抽汽的影响及机组运行调整过程中导致的烟气场分布不均的共同作用，造成后屏再热器整体老化。

关键词：再热器；受热面改造；老化

一、情况说明

1.机组简介

大唐七台河发电有限责任公司3、4号锅炉为哈尔滨锅炉厂根据美国ABB—CE燃烧工程公司技术设计、制造的、配600MW汽轮发电机组的亚临界压力一次中间再热控制循环汽包锅炉，锅炉型号为HG-2070/17.5-YM9。采用中速磨煤机正压直吹式送粉系统。锅炉以最大连续负荷(B-MCR)工况为设计参数，最大连续蒸发量2030t/h，过热器、再热器蒸汽出口温度为540℃，给水温度281℃。3、4号机组锅炉后屏再热器位于后屏过热器和后水冷壁悬吊管之间，折焰角的上部，二期每台炉共48屏，管径及壁厚为Φ63×4mm，外数第3-5圈底部U型弯管材质为12Cr1MoV。

2.缺陷说明

2011年9月6日4号炉后屏再热器右数第4排前数第3根底部弯管处发生过长期过热爆管；查检修台账，4号炉后屏再热器在2012年12月份的停备检修中，发现后屏再热器左数第28排前数第3根底部弯管处，存在长期过热情况，同时检查其他管屏的相同部位，发现其他管屏的弯管共15处也存在过热的迹象。2014年11月3号机组检修过程中发现3号炉后屏再热器中段前数第5根存在严重过热脱皮现象（见图1）。2015年10月份对4号炉、2016年3月份对3号炉后屏再热器全部管屏前数第3、4、5根管底部弯头部位的材质提升工作，将底部弯头材质由原12Cr1MoVG变更为T91，弯头两侧直段长度分别为距弯头起弯处500mm（见图2），来提升该位置处管子许用温度。

图1 2014年3号炉后屏再热器管严重过热脱皮

图2 二期机组后屏再热器材质提升示意图

2024年机组检修期间对1、15、16、17、23、24、25、33、41、48共计10屏后屏再热器3、4号管进行金相检验，检验发现所检测部位金相组织球化级别为3-4级（见表1），后屏再热器管屏整体存在金相组织中度球化、完全球化现象。

表1 后屏再热器均布取样球化检查结果

从取样结果可以看出，整个后屏再热器均存在过热老化情况

二.过热老化原因分析

1.原设计管材使用温度低于实际工作温度

后屏再热器位于炉膛出口的折焰角正上方，由于该位置处设置了吹灰器走廊，未布置受热面，造成烟气短路，炉膛出口处的高温烟气未经后屏过热器换热，直接通过该吹灰器走廊进入到折焰角上方，高温烟气直接冲刷后屏再热器底部（原理见图3）。且泄漏位置处于沿锅炉宽度方向上的中心偏右区域，距离火焰中心较近，过热情况较远离中心区域的管屏更为严重。

屏式再热器前U型弯位置的换热强度是仅次于屏式过热器底部的第二高热强度区域。锅炉厂设计后屏过热器出口烟气平均温度为996℃，因为短路高温烟气的存在，导致屏再前U型弯位置的烟气温度远远高于996℃。

按照BMCR工况后屏过热器出口平均烟气温度996℃核算，当屏式再热器出口工质温度超过540℃时，屏式再热器前U型弯的金属外壁温已经超过了580℃，超过了12Cr1MoVG材料的抗氧化温度。

如果假定因折焰角烟气短路影响U型弯位置烟温较后屏过热器出口烟气温度提高100℃核算，即使在50%BMCR况下屏再出口工质温度达到540℃，屏再U型弯位置金属外壁温度也已达到超温的程度。通过上述分析得出结论：在大多数工况下，当屏再出口工质温度达到540℃时，屏式再热器前U型弯区域管壁均存在超温的风险。

查询后屏再热器出口工质温度，出口工质温度超过540℃的情况比较常见。表1中19个试样中有9根管子珠光体球化级别达到4级以上，占比达到了47.4%，表明超温过热问题比较普遍。同时也证明了屏再出口工质温度达到540℃时会导致屏再前U型弯管超温过热是可信的。

图3 烟气短路原理示意图

2.烟气场、管内流量分配不均

后屏再热器共48排管屏，共设置了8个金属壁温测点，炉内左侧区域设置壁温测点3个（屏再右45屏、屏再右37屏、屏再右29屏），炉内右侧区域设置壁温测点5个（屏再右21屏、屏再右17屏、屏再右13屏、屏再右9屏、屏再右3屏），右29屏与右21屏、右37屏与右13屏、右45屏与右3屏测点以炉宽方向中心线对称。

调取后屏再热器金属壁温，发现后屏再热器金属壁温在炉膛宽度方向上呈现中间管屏壁温高、两边壁温低，壁温最高点位于炉内中间偏右的位置，右侧壁温高于左侧的规律（见图4.1-4.3）。

图4.1 2024-10-20后屏再热器金属壁温日均值

图4.2 2024-10-30后屏再热器金属壁温日均值

图4.3 2024-11-10后屏再热器金属壁温日均值

（注：横坐标为管屏号数，纵坐标为金属壁温）

对比各排后屏再热器出口温升，右数第17屏管屏温升最大，最外两侧管屏温升最小，各屏间的温升差距巨大，详见表1；虽然沿炉膛中间区域的烟气温度高、流量大，但不足以造成如此大的温升偏差，因此推断中间区域的管排还存在流量偏低的问题。即造成不同管屏温升偏差大是由烟气厂分布和工质分布不均共同造成的。

表2 不同工况下后屏再热器金属日平均壁温及温升情况

3.冷再抽汽的影响

4号机通流改造及新冷再至辅汽管道安装后，冷再抽汽共增加80t/h，需要对冷再抽汽后的再热器管壁温度进行分析。经核算BMCR工况下，冷再抽汽80t/h由864根管子平均分摊后，影响后屏再热器U型弯管壁温增加约6.2℃。

4.影响后屏再热器过热原因主次关系的划分

烟气场、管内流量分配不均只作用于中间区域，不会造成两侧管屏材质出现老化的情况，因此排除了此项过热因素为主要原因；冷再抽汽影响后屏再热器U型弯管壁温增加约6.2℃，影响程度最小。所以认定原设计管材使用温度低于实际工作温度为主要原因。

三、治理方案

1.材质提升改造

对后屏再热器各屏3-5号管U型弯区域改造，将原12Cr1MoVG材质提升为T91,在本次对球化等级为4级的取样管换管过程中，已确定距离底部弯头上方7000mm处球化等级合格，因此拟定在后续的材质提升改造过程中，入口段更换长度为距离底部弯头起向上8米处，出口段更换长度为距离底部弯头向上4.2米处。

2.完善壁温测点

锅炉厂未设计屏再出口壁温测点，七台河公司于2013年由低温过热器拆借8个测点安装于屏再出口管壁上，测点数量少，不能满足对后屏再热器运行期间金属壁温的有效监视，需完善壁温测点布置。为保证能够对全炉壁温做到有效监控。初步拟定对后屏再热器加装壁温测点，总测点数达99点，具体布置格局见下图5所示。

图5 后屏再热器壁温测点布置图

四、总结

经调查分析认为：折焰角烟气短路的影响是是造成管子超温过热的根本原因，屏式再热器管子流量分配不均是导致管子长期过热的另一个重要原因。

冷再管道抽取80t/h蒸汽影响屏式再热器U型弯位置壁温增加幅度小于10℃，不足以构成后屏再热器漏泄的主要原因；同时可排除管子异物堆积堵塞的造成管子超温过热的可能性。

针对以上问题的原因，采取了补充壁温测点、管排改造及扩大抽检范围等措施。