某660 MW超超临界机组省煤器出口导管膨胀异常原因分析

2023-11-28孙中元孟春生张瑞峰

山西电力 2023年5期

孙中元，孟春生，张瑞峰

（1.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004；2.苏晋塔山发电有限公司，山西大同 037001）

0 引言

四大管道是发电厂主蒸汽管道、高温再热管道、低温再热管道、主给水管道的统称，其安全性是电厂安全性的重要组成部分[1]，是设计院、发电厂等相关单位最重视的管道。由于四大管道均为金属材质，在高温下会发生热膨胀，因此在管道设计时都要进行管系设计，布设合适的支吊架，以避免管道应力超标，并具有一定的刚度[2-3]。近年来，四大管道的支吊架故障率较高，与支吊架相关的四大管道安全隐患不断出现，较多机组出现了四大管道膨胀异常等问题。四大管道在长期运行条件下的健康状态堪忧[4]，引起了行业内的关注[5]，不少学者从管道设计、现场运行、支吊架荷载性能等方面进行了探讨，提出了设计优化、更换支吊架等多种方案[6-7]，大幅度地提升了四大管道的安全性。而对于锅炉炉外连接管道，它的运行参数与四大管道的参数相近，但受到的重视程度远不如四大管道，致使锅炉炉外管道膨胀异常问题引起的破坏性更大，应引起充分的重视。

1 管道膨胀异常

某660 MW火力发电厂机组2016年投产。锅炉省煤器出口导管自省煤器出口连至水冷壁分配集箱入口，管道材质为SA-106C，管径规格为d 559 mm×85 mm/75 mm和d 406 mm×55 mm，设计温度340 ℃，压力31 MPa。管道布置如图1所示。图1中，X向为炉左至炉右方向，Y向为汽机指向锅炉方向，Z向为垂直向上方向，数值的含义与其后表1中的序号相同。

表1 省煤器出口导管支吊架运行时（热态）和停机后（冷态）的运行状态

图1 省煤器出口导管及支吊架布置示意图

在进行管道支吊架常规检查时发现省煤器出口导管支吊架运行刻度异常，部分恒力弹簧支吊架（简称恒吊）处于上极限位置，与设计状态存在较大差异。省煤器出口导管支吊架运行时（热态）和停机后（冷态）的运行状态如表1所示。从表1可以看出，除省煤器出口导管1号恒吊刻度变化约40，2号恒吊刻度变化约30外，其他恒吊变化较小，甚至冷态、热态未发生变化。恒吊刻度的变化反映了管道的热膨胀情况。省煤器出口导管支吊架刻度变化情况表明相应的高温高压管道实际膨胀与设计存在极大差异，管道存在膨胀异常的情况，极大影响了省煤器出口导管的应力安全状态。

2 初步原因分析

2.1 现场详细勘察

2.2 支吊架荷载性能测试

管道支吊架的荷载性能直接影响了管道的应力安全性，对管道的实际膨胀产生显著影响[12-14]。因此，在机组检修时，对省煤器出口导管支吊架进行了荷载测试。限于现场条件，仅对立管7号恒力弹簧吊架进行了荷载偏差测试（拔销荷载），未进行恒定度测试，测试结果如表2所示。现场测试采用了电阻应变计，由应变计算支吊架的荷载。测试结果表明，弹簧荷载偏差符合规范要求[15-16]。

表2 省煤器出口导管支吊架运行状态表

2.3 设计比对

为分析省煤器出口导管膨胀异常原因，对管道的设计进行了现场验证。现场勘察结果表明，管道布局与设计一致，支吊架布置与设计一致。现场抽检了部分支吊架的铭牌，结果显示铭牌参数与设计参数一致。查阅管道外径及壁厚测量数据与设计基本一致。现场勘察结果表明未发现与设计不一致的情况。

3 管道多工况应力分析

为分析省煤器出口导管膨胀异常的根本原因，对省煤器出口导管进行了全面应力分析。管道材质为SA-106C，管径规格为d 559 mm×85 mm/75 mm，d 406 mm×55 mm。设计温度340 ℃，设计压力31 MPa，对应的流体密度为672.3 kg/m3，保温厚度取150 mm，保温密度取180 kg/m3。根据锅炉膨胀图，省煤器出口端点附加位移取（43，90，-192），分配集箱中炉前侧端点附加位移取（0，-52.5，-422），炉后侧端点附加位移取（0，-6.3，-422），生根于锅炉钢构的弹簧根部的垂向附加位移取-412 mm。应力分析中考虑了限位框架的设计间隙，忽略了其他小管道的影响。采用CAESAR II软件建立的模形如图2所示，模型中坐标系与图1中的坐标系一致。

图2 管系应力分析模型图

3.1 设计工况下管系应力分析

在设计工况下，除变力弹簧外，其他恒吊均指定为设计荷载（已扣除管夹及连接件的附加质量），此时应力分析结果如表3所示。

表3 省煤器出口导管设计工况下最大应力水平汇总表

在设计工况下，管道的最高一次应力水平和最高二次应力水平分别为63.7和16.9，一次应力最大点位于2号恒吊上游（沿介质方向）第一个弯头处，二次应力最大点位于省煤器出口处。一次应力和二次应力水平均适中，安全裕量较大。

设计工况下各节点的冷位移情况如表4所示。此时管道发生大的垂向冷位移（向上），最大冷位移点位于6号、7号恒吊处（锅炉三层地面附近），最大冷位移约170 mm（向上）。这表明管道的支吊架荷载偏大，管道有向上提升的趋势。当机组停机后，省煤器出口导管内流体放空后，管系自重进一步降低，将加重向上提升的趋势，现场表现为恒吊顶死，与现场冷态检查结果相符。

表4 省煤器出口导管设计工况下冷位移汇总表单位：mm

3.2 模拟实际工况下管系应力分析

在实际运行工况下，取运行温度303 ℃，运行压力27.7 MPa，此时流体密度为741.9 kg/m3，其他参数不变。考虑到实际运行时，3号恒吊和7号恒吊的刻度冷热态均几乎未发生变化，因此将两处恒吊模拟为刚性吊架（+Z向约束），此时应力分析结果如表5所示。

表5 省煤器出口导管模拟实际工况下最大应力水平汇总表

在模拟实际运行工况下，此时管道的最高一次应力水平和最高二次应力水平分别为43.1和34.2，一次应力最大点位于锅炉三层三通处，二次应力最大点位于2号恒吊上游（沿介质方向）弯头处。一次应力和二次应力水平均适中，安全裕量较大。

模拟实际工况下将3号恒吊和7号恒吊模拟为刚性吊架，各节点的冷位移情况如表6所示，各节点的热位移情况如表7所示。此时管道垂向冷位移较小，未见异常。3号刚吊与7号刚吊的冷态荷载分别为104.2 kN与151.9 kN，3号和7号刚吊的原始设计荷载较模拟实际工况下的荷载偏大了48.6 kN和48.8 kN，共偏大97.4 kN。

表6 省煤器出口导管模拟实际工况下冷位移汇总表单位：mm

恒力弹簧的刻度变化量反映了支吊架所在管道的实际膨胀量。通过绘制的恒吊在实际工况下刻度的百分比变化量曲线与模拟实际工况下各节点计算热位移的变化曲线如图3所示。从图3可以看出，2条曲线变化趋势基本一致，表明模拟工况与实际运行工况基本一致。

图3 模拟实际工况下计算热位移与恒吊实际变化曲线图

3.3 自选工况下管系应力分析

为分析3号和7号恒吊的荷载情况，在实际运行工况下，取运行温度303 ℃，运行压力27.7 MPa，此时流体密度为741.9 kg/m3，其他参数不变，3号、7号恒吊的荷载为软件自适应计算。此时应力分析结果如表8所示。

表8 省煤器出口导管自选工况下最大应力水平汇总表

在自选工况下，管道的最高一次应力水平和最高二次应力水平分别为42.4、13.1，一次应力最大点位于锅炉三层三通处，二次应力最大点位于省煤器出口处。一次应力和二次应力水平均适中，安全裕量较大。

此时管道垂向冷位移较小，未见异常。相较于模拟实际运行工况，管系二次应力有所降低。3号与7号恒吊的自选荷载分别为104.2 kN和152.4 kN，3号和7号恒吊的原始设计荷载较自选工况下的荷载偏大了48.6 kN和48.3 kN，共约96.9 kN。此差值与模拟运行工况的差值基本一致。

4 膨胀异常原因分析与处理建议

4.1 膨胀异常原因分析

根据现场检查和支吊架荷载性能测试，省煤器出口导管无明显膨胀受阻，管道支吊架的安装位置以及铭牌荷载与设计一致，支吊架实际荷载偏差抽检基本正常，因此前述因素不是管道膨胀异常的原因。

根据多工况管系应力分析结果，在设计工况下，管系存在较大向上的冷位移，表明管系支吊架荷载与管系自重不匹配，支吊架荷载过重，管系支吊架出现大量顶死的情况，与现场支吊架检查结果一致。模拟实际工况的应力分析结果表明，3号与7号恒吊假设为刚吊后，管系的计算热位移变化趋势与现场恒吊的实际变化趋势一致，表明3号与7号恒吊设计荷载偏大是主要原因。通过模拟计算表明3号与7号恒吊的设计总荷载偏大，约96.9 kN。

4.2 处理建议

a）支吊架荷载暂不做优化。分析结果表明，省煤器出口导管3号、7号恒吊的总荷载较大，大约96.9 kN。若直接进行更换，由于3号、7号恒吊的荷载较大，施工难度大，且经济性较差。同时在模拟实际工况下，将3号和7号恒吊模拟为刚吊时（与现场刻度无变化的情况一致），省煤器出口导管应力余量较大，且管系在运行时无其他异常情况，因此在端口推力合格时（需征求锅炉厂意见），建议维持现状。

b）支吊架运维策略优化。虽然省煤器出口导管的大量恒吊运行状态异常，但管道的多工况应力分析结果表明，管道的应力水平合格且余量较大。考虑到省煤器出口导管在不同工况时，自身质量变化较大的实际情况，同时省煤器出口导管属于锅炉设备内管道，因此建议优化省煤器导管支吊架的运维策略，对部分恒吊在特定工况下处于极限位置的情况进行特殊说明。

c）对于弯头、三通、省煤器出口焊缝等敏感部位予以重点关注。

d）锅炉厂在进行设备内管道设计时，应合理设置约束装置，加强管系稳定性。

对于省煤器出口导管，其运行工况多变，内部流体密度随运行参数不断变化，导致管系整体自重处于不断变化中。由于恒吊理论刚吊为零，对于存在大量恒吊的管系，其适应荷载变化能力较弱，管系稳定性较差。因此，在管系设计时，应合理设置约束装置，加强管系稳定性。同时对于特殊情况下，对管系支吊架的非正常运行状态应进行额外说明。