高比能hrsg余熱鍋爐設(shè)計(jì)

高比能hrsg余熱鍋爐設(shè)計(jì)

由于其高效化、建設(shè)速度快、環(huán)境保護(hù)條件好、安裝周期長、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，中國的天然氣和蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電項(xiàng)目正在開發(fā)中。發(fā)電功率高達(dá)390MW的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組,以杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司引進(jìn)美國N/E公司的先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的9F級余熱鍋爐為例,聯(lián)合循環(huán)效率將達(dá)到國際先進(jìn)水平。燃機(jī)電廠硫氧化物和氮氧化物排放量,水資源消耗量遠(yuǎn)低于常規(guī)燃煤電廠,優(yōu)越的調(diào)峰性能可緩解電力的供應(yīng)緊張。該余熱鍋爐為9F級三壓(低壓,中壓,高壓)系統(tǒng),一次再熱無補(bǔ)燃,臥式布置自然循環(huán)余熱鍋爐。鍋爐高壓蒸汽,再熱蒸汽,中壓蒸汽,低壓蒸汽設(shè)計(jì)流量分別為280.1t/h、303.7t/h、35.4t/h和37t/h;蒸汽壓力分別為9.8MPa、2.15MPa、2.29MPa和0.38MPa;相應(yīng)的蒸汽溫度分別為565.8℃、565.5℃、300.6℃和293.6℃。HRSG主要有進(jìn)口煙道、鍋爐本體(本體受熱面和鋼架護(hù)板)、出口煙道及主煙囪、高中低壓鍋筒、管道、平臺扶梯等部件以及給水泵、加藥裝置、取樣裝置、排污擴(kuò)容器等輔機(jī)組成。并采用優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),模塊化結(jié)構(gòu),布置合理,性能先進(jìn),高效節(jié)能;采用高效傳熱元件——開齒螺旋鰭片管,解決了小溫差、大流量、低阻力傳熱困難的問題。19氣動熱力特性在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)中,余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱,借以產(chǎn)生推動汽輪機(jī)發(fā)電所需蒸汽的換熱設(shè)備,是整個聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中一個重要的有機(jī)組成部分。HRSG的結(jié)構(gòu),性能以及參數(shù)都極大程度影響到系統(tǒng)中其它設(shè)備以及整個系統(tǒng)的性能。由于燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷總在不斷變動,又常在寬溫度范圍(-10℃～40℃)的大氣環(huán)境中運(yùn)行,燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和流量經(jīng)常發(fā)生較大的變化,這種變工況熱力特性是HRSG的一個重要特性。特別是熱慣性的較大差異,余熱鍋爐中燃?xì)夂驼羝麅蓚?cè)的熱力變化就難以協(xié)調(diào)。與普通鍋爐相比,聯(lián)合循環(huán)中HRSG煙氣流量更大,煙氣與蒸汽的質(zhì)量比在4～10之間(普通鍋爐只在1～1.2),且燃?xì)廨啓C(jī)排氣是完全化的紊流流動、HRSG這種煙氣大流量,高流速和高紊流度的氣動熱力特性,常引起煙道,擋板及受熱面等部件的變形,甚至振動。因此,在HRSG構(gòu)件特別是受壓部件的設(shè)計(jì)時要考慮到上述這些主要熱力特性,采取一些有效措施來緩解和消除反復(fù)交變的熱應(yīng)力影響,以及必要的減振措施。2除氧系統(tǒng)及操作部件所有部件是受9F級HRSG鍋爐汽水系統(tǒng)由低壓,中壓和高壓3個系統(tǒng)和1個再熱系統(tǒng)組成(如圖1所示)。每個高,中,低壓循環(huán)系統(tǒng)均由鍋筒,下降管,蒸發(fā)器,下集箱、蒸發(fā)器、蒸發(fā)器上集箱和上升管等組成。冷的再熱蒸汽匯合中壓過熱蒸汽進(jìn)入一級,二級再熱器構(gòu)成再熱系統(tǒng),并配有啟動旁路除氧,排污擴(kuò)容與疏水等系統(tǒng)。低壓給水加熱器進(jìn)、出口設(shè)有再循環(huán)管路和給水旁路。再循環(huán)管路用來提高加熱器的進(jìn)口給水溫度,防止受熱面發(fā)生低溫腐蝕。給水旁路用來防止部分工況下冷凝水加熱器出口水溫過高,發(fā)生汽化現(xiàn)象。高壓省煤器設(shè)有省煤器旁路,該旁路可用來防止省煤器汽化和調(diào)節(jié)其后面的煙氣溫度。高壓鍋筒引出的飽和蒸汽依次進(jìn)入一級,二級和三級過熱器,送至汽輪機(jī)。受壓部件主要是由高、中、低壓鍋筒、受熱面模塊、減溫器、除氧器及管道和集箱等組成。受壓部件的設(shè)計(jì)是在引進(jìn)美國N/E公司余熱鍋爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,其受熱面采用大型集成模塊化結(jié)構(gòu)。整臺鍋爐沿?zé)煔饬飨蚍?排,橫向3列共18只模塊,模塊在公司進(jìn)行組裝,極大減輕了現(xiàn)場安裝的工作量。由于大多數(shù)焊口在公司內(nèi)完成,焊接質(zhì)量得到更有效的保證,而對制造監(jiān)檢也提出了較高的要求。3由于主缸的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和制造監(jiān)控3.1低壓鍋筒及發(fā)蒸器高、中、低壓鍋筒均設(shè)置于鍋爐上方的支撐梁上,底座開有腰形孔,可向爐兩側(cè)自由膨脹。鍋筒內(nèi)部裝置與常規(guī)鍋爐類似,有汽水分離器,給水分配管,連續(xù)排污管,調(diào)整水質(zhì)的加藥管等,每只下降管座入口處均設(shè)有消旋十字架?？紤]到聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)為負(fù)荷波動大且頻繁,鍋筒的設(shè)計(jì)顯得非常重要,因此采用了大直徑鍋筒,相配的水位計(jì)量程也較常規(guī)鍋爐大得多。尤其在低壓和中壓條件下,水和蒸汽的比容差別大,在啟動過程中蒸發(fā)器內(nèi)一旦有蒸汽產(chǎn)生,就會有大量的水從蒸發(fā)器中被排擠出來。鍋筒的容積應(yīng)當(dāng)是正常運(yùn)行條件下蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽體積的(1.5～2.5)倍,這樣才能適應(yīng)啟動過程中蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)容積激變的問題;鍋筒必須能夠容納下這些被排出的水量,即鍋筒總?cè)莘e的設(shè)計(jì)取決于啟動時間的長短。因此,鍋筒的容積及旋風(fēng)分離器,干燥箱的數(shù)量是由持續(xù)產(chǎn)生蒸汽時間、蒸汽出口速率、出口飽和蒸汽干度等主要因素決定。低壓鍋筒的汽水分離只是簡單的標(biāo)準(zhǔn)三通和波紋板式干燥箱即可。低壓鍋筒的壁厚較薄,每個給水管、引出管、安全閥等管座均在殼體外壁設(shè)有加強(qiáng)鋼板,以增加其剛性。3.2復(fù)驗(yàn)、熱處理和探傷高壓包的主體材料為SA516Gr70,抗拉強(qiáng)度為540N/mm2厚度為70～130mm,最高工作壓力為11.55MPa、2.93MPa、0.76MPa。材料進(jìn)場時,需現(xiàn)場核對,審查原材料質(zhì)量證明書,待鍋爐制造廠材料復(fù)驗(yàn)報告合格后一并簽字確認(rèn),值得注意的是復(fù)驗(yàn)時必須做AKV沖擊試驗(yàn)。高、中、低壓鍋筒的縱、環(huán)焊縫試樣機(jī)械性能試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)要合格,另外相關(guān)管接頭試樣按鍋規(guī)要求,金相檢驗(yàn)要合格?？v縫要求100%射線探傷加100%超聲波探傷,射線Ⅱ級合格,超聲波Ⅰ級合格,環(huán)縫要求100%磁粉探傷和射線探傷,(均包括試樣板送檢);全焊透管接頭作超聲波探傷或100%磁粉探傷。鍋筒整體熱處理在630℃下保溫3h。整體熱處理后按要求對鍋筒的縱、環(huán)焊縫再做100%的磁粉和超聲波探傷,集中下降管角焊縫再作100%磁粉探傷和超聲波探傷。鍋筒內(nèi)外表面焊縫位置和質(zhì)量應(yīng)符合JB/T1609—1993《鍋爐鍋筒制造技術(shù)條件》和鍋規(guī)要求。4熱管道的設(shè)計(jì)和制造監(jiān)控4.1過熱器及熱管的設(shè)計(jì)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐由于其進(jìn)口煙氣溫度較低即傳熱溫壓較低,為了獲取相同的傳熱量,其所需布置的受熱面較常規(guī)鍋爐大許多,常使用鰭片管使傳熱管小型化。該鍋爐受熱面由二級再熱器,三級高壓過熱器,一級中壓過熱器,一級低壓過熱器,五級高壓省煤器,一級中壓省煤器,高中低壓蒸發(fā)器,二級給水預(yù)熱器等18個熱交換器組成。過熱器位于溫度最高的煙氣區(qū),管內(nèi)工質(zhì)為蒸汽,受熱面的冷卻條件差,同時在啟動階段還存在一定程度的干燒。因此,設(shè)計(jì)時采用了具有耐高溫,抗氧化,抗蠕變能力的材料T91,一方面可以減少管子的厚度,另一方面可以減少蠕變破壞的積累,從而改善過熱器的抗疲勞性能。管屏與集箱,管子與管子的焊接均采用全焊透的焊接方式。該余熱鍋爐所有受熱面采用鋸齒狀螺旋鰭片管,垂直錯列布置,并根據(jù)鰭片管所在的煙氣區(qū)域,通過鰭片的高度和密度(鰭片數(shù)/m)來調(diào)節(jié)其傳熱比,以獲得最佳的傳熱效果。由于螺旋鰭片管使用天然氣等氣體燃料時煙氣比較清潔,故沒有必要設(shè)置吹灰器。4.2螺旋項(xiàng)目的焊接1)螺旋鰭片管主要規(guī)格:Φ38.1,Φ44.5,材質(zhì)為SA-213T91,SA-213T22,SA210;繞制鰭片管前應(yīng)對管子進(jìn)行水壓試驗(yàn),螺旋鰭片管的基管全長21m,中間無拼接焊縫,螺旋鰭片管有兩種形式:螺旋鋸齒狀鰭片管和螺旋環(huán)片狀鰭片管,采用連續(xù)高頻電阻焊接工藝將鰭片螺旋焊到管子上,如圖2(a)和圖2(b)所示。焊后要對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查(拉脫力,熔合率等),并做好標(biāo)記。螺旋鰭片管與集箱角接接頭的焊接是整個HRSG鍋爐的制造重點(diǎn),約為全部焊縫的30%的工作量,整個服役期間這些焊縫承受著高溫,高壓和熱疲勞的工況,一旦爆管將會帶來極大的成本損失,因此焊工的培訓(xùn)顯得尤為重要。只有熟練掌握焊接技巧的焊工方可進(jìn)行產(chǎn)品焊接。鰭片外表應(yīng)按要求噴防銹油,內(nèi)部通海綿球,螺旋鰭片管在與集箱組裝前必須進(jìn)行通球檢查,對采用拔口管接頭集箱結(jié)構(gòu)的,在螺旋鰭片管與集箱對接焊縫焊后也部分進(jìn)行通球檢查,并杜絕鋼球遺留在管屏內(nèi)。2)管子材料為合金鋼時,應(yīng)進(jìn)行光譜分析,檢查試件的力學(xué)性能,金相檢驗(yàn),斷口檢驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)符合《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》有關(guān)規(guī)定。3)豎琴式管片(具體內(nèi)容見本文5.4)在熱處理后,組裝成模塊前必須進(jìn)行水壓試驗(yàn),水壓試驗(yàn)后必須將管片內(nèi)的水倒盡,并用壓縮空氣吹掃干凈。4)螺旋鰭片管在起吊轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不允許使用鋼絲繩,必須使用尼龍吊帶或其它軟質(zhì)吊繩,并且必須使用吊梁等形式的工裝,起吊時要保證有4個以上的吊點(diǎn)。豎琴式管片在起吊轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不允許使用鋼絲繩,必須使用尼龍吊帶或其它軟介質(zhì)吊繩,并且必須使用吊梁等形式的工裝。5)在整個加工過程中要防止磕傷,劃傷,吊彎,別彎等損害鰭片管的情況發(fā)生。5集箱的制造和質(zhì)量控制5.1柔性連接及內(nèi)壓系統(tǒng)模塊上,下部匯合集箱設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到能吸收受熱面管束的運(yùn)動(熱膨脹)和熱應(yīng)力,上、下分配(匯合)集箱則采用常規(guī)鍋爐那種帶彎頭的長管接頭,即柔性連接。同時,過熱器和再熱器每個分配(匯合)集箱采用多個管道引入引出,使集箱與受熱面壁溫分布更加均勻。中低壓系統(tǒng)的上升管即蒸發(fā)器上集箱與鍋筒間連接管采用柔性管圈,可有效地防止對鍋筒產(chǎn)生熱應(yīng)力。該9F級HRSG的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn),是在高煙溫區(qū)域模塊下方的分配集箱均有強(qiáng)化的疏水布置,使燃?xì)廨啓C(jī)吹掃時,過熱器和再熱器內(nèi)部無冷凝結(jié)水聚集。同樣在主蒸汽管道,一級過熱器再熱器減溫器進(jìn)出口管道上均設(shè)計(jì)有帶水位計(jì)的疏水罐。5.2sa-33p2c匯集集箱規(guī)格:Φ219,Φ273,Φ324,Φ356,Φ06,材質(zhì)為SA-335P91,SA-335P22,SA106B。匯集集箱制造工藝流程:集箱筒身下料→加工筒身兩端坡口→筒身劃四中心線及孔線→鏜管孔→裝焊集箱端蓋→UT或RT檢查→裝焊管接頭→清理焊縫→MT或PT檢查角焊縫→集箱熱處理→集箱打水壓→管接頭劃割余量→管接頭加工坡口→轉(zhuǎn)總裝待用。5.3鋼琴小集箱的制造小集箱規(guī)格:Φ14,Φ89,材質(zhì)為SA-335P91,SA-335P22,SA106B,長度3300mm。1小集箱焊接大管接頭受熱面模塊中的豎琴管屏的合金鋼上下小集箱采用拉拔結(jié)構(gòu)形式,如圖3所示,這樣可節(jié)約大量的生產(chǎn)時間,并可提高產(chǎn)品的質(zhì)量。對于材料為SA-335P91的小集箱焊接大管接頭采用氬弧焊封底,電弧焊蓋面的方法,氬弧焊封底時需內(nèi)部充氬保護(hù),管接頭端部用錫紙封牢。焊前的預(yù)熱溫度、焊接時的充氬、焊后的后熱和熱處理及開始焊接至熱處理之間的時間應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝和熱處理工藝。由于材料為SA-335P91焊接變形后不允許采用加熱校正,因此可采用對集箱管先進(jìn)行預(yù)變形,并在焊接時嚴(yán)格控制焊接電流、焊接速度等,來減少變形量以保證圖紙要求。對合金鋼材料,焊前對母材及焊絲打光譜,焊后對焊縫打光譜進(jìn)行檢查。2兩側(cè)端蓋、管接頭上集箱由集箱筒身,兩側(cè)端蓋,管接頭,耳板組成,下集箱由集箱筒身,兩側(cè)端蓋,管接頭組成。小集箱制造工藝流程:集箱筒身下料→加工筒身兩端坡口→筒身劃四中心線及孔線→鉆管孔→裝焊集箱端蓋→UT或RT檢查→裝焊管接頭,耳板→清理焊縫→MT或PT檢查角焊縫→轉(zhuǎn)總裝待用。5.4集箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)豎琴(HARP)受熱面的小集箱與單排的管屏相連,形成獨(dú)有的HARP(豎琴)型結(jié)構(gòu),如圖4所示。其主要技術(shù)特點(diǎn)就是每一集箱只有單排或雙排管屏,與多排管相比,使得管子與集箱的焊接更為方便,焊接質(zhì)量得到充分保證。運(yùn)行時不會產(chǎn)生像多排管設(shè)計(jì)時產(chǎn)生的管排間熱應(yīng)力,同時避免單集箱多排管設(shè)計(jì)中,蒸發(fā)器后排較冷管可能發(fā)生的倒流現(xiàn)象。且鰭片管無彎頭,制造方便,避免了高應(yīng)力的產(chǎn)生。采用豎琴(HARP)結(jié)構(gòu)可使集箱小直徑化,無需分隔板等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。采用小直徑集箱與多排管相比能使其熱應(yīng)力減少60%。6模塊的結(jié)構(gòu)特征和性能6.1非壓力件板夾模塊每個模塊由16～20只不等的豎琴(HARP),分配匯合集箱以及吊架,支撐鋼梁,爐頂煙道墻板,鰭片管梳形定位板夾,煙氣擋板,防振隔板等部分非受壓件組成。單個模塊長約20m,寬4m左右,高約1～2.5m左右,重達(dá)100～170t之間。煙道內(nèi)布置有防振隔板,穿插在模塊受熱面中,和鍋爐一樣長,垂直安裝,平行于排管,把煙氣通道分隔成若干個截面,使煙氣流過時不會引起振動。每個模塊由專門的包裝運(yùn)輸裝置在車間組裝后運(yùn)輸出廠后抵工地整體吊裝。6.2碳化塊塊的設(shè)計(jì)每臺9F級余熱鍋爐共有6組受熱面模塊,每組左、中、右3只模塊,共18只模塊按照受熱面管子與集箱的材質(zhì)分類,其中有6只合金鋼模塊,12只碳鋼模塊。模塊主要由各單片管屏、防震支架,膨脹節(jié)、吊掛梁,隔音裝置、擋煙板、頂部護(hù)板及保溫材料組成。模塊兩端為集箱管或U型管,集箱管與鰭片管為插入式焊接(其中模塊1和模塊2有對接式),U型管與鰭片管為對接式焊接。每個模塊由約20層豎琴管屏和匯集集箱,連接管,包裝支架組裝而成,每片豎琴管屏由38根長約21m的螺旋鰭片管和兩端的小集箱組裝而成,最大模塊總重約150t。6.3疊裝成模塊工藝1)材料為SA335P91和SA335P22的模塊考慮到焊接和熱處理的因素,均采用分場地制造單片管屏,待單片管屏分別經(jīng)熱處理和水壓試驗(yàn)合格后,再將單片管屏疊裝成模塊。材料主要為SA-106碳鋼的模塊,總裝采用疊裝工藝。即固定在一個工作場地從下到上進(jìn)行裝配,單片管屏組裝完畢后應(yīng)按技術(shù)要求對兩端集箱管進(jìn)行熱處理及對單片管屏進(jìn)行水壓試驗(yàn)合格后再裝配其它各零件。2)集箱和鰭片管的插入式焊縫,應(yīng)用風(fēng)砂輪進(jìn)行清磨后進(jìn)行MT或PT檢查合格,鰭片管與拉拔管管口的對接焊縫及彎管的對接焊縫清磨后進(jìn)行RT檢查合格,熱處理按工藝要求執(zhí)行。6.4高壓蒸發(fā)器區(qū)域模塊安裝模塊支撐方式均采用鋼架支撐懸吊結(jié)構(gòu),模塊中受熱面管屏可以向下自由膨脹。與受熱面相連的進(jìn)出口管道均設(shè)計(jì)在鍋爐同一側(cè)面,避免對受熱管屏產(chǎn)生附加熱應(yīng)力,并在每只模塊的中下部均設(shè)有固定式止晃裝置,以承受地震,風(fēng)力等水平載荷。過熱器,再熱器區(qū)域模塊支撐由其匯合集箱上吊耳通過方形銷軸直接懸于受壓件支撐鋼梁上,銷軸孔的設(shè)計(jì)能滿足模塊熱態(tài)時向兩側(cè)自由膨脹。其余模塊的支撐均是由HARP上部小集箱通過連接板和吊攀式吊桿與支撐鋼梁相焊(如圖5所示),整個模塊的受力平衡由中間的鎖緊螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)。高壓蒸發(fā)器模塊由于其匯合集箱直徑大且與HARP小集箱的連接管束跨距較大,為了增加其穩(wěn)定性,防止安裝變形,特在上升管增設(shè)臨時支撐結(jié)構(gòu),待高壓鍋筒就位后,并與高壓鍋筒管接頭現(xiàn)場對接焊后,再拆除此臨時支撐結(jié)構(gòu)。模塊的鋼架和支撐按JB/T1620—1993《鍋爐綱結(jié)構(gòu)制造技術(shù)條件》進(jìn)行驗(yàn)收合格。6.5《氫脆》懸液的裝復(fù)1)應(yīng)該嚴(yán)格按工藝進(jìn)行焊接和熱處理2)單片管屏裝配時應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)檢查各尺寸,合格后才能定位并進(jìn)行集箱管裝焊,單片管屏組裝后應(yīng)再次檢查各尺寸尤其是高度尺寸,合格后才能進(jìn)入下道工序。3)裝焊集箱管前應(yīng)清理集箱內(nèi)部,裝鰭片管前應(yīng)先進(jìn)行試裝,在用手提式倒角機(jī)刮一端余量(或外倒角),清理鰭片管內(nèi)部及清磨焊接端口后再裝焊鰭片管。先裝焊彎管端,要求各彎管在水平方向齊平。焊后應(yīng)用風(fēng)砂輪清磨焊縫,焊縫應(yīng)進(jìn)行RT檢查合格。鰭片管與集箱管的角焊縫,焊后清磨并進(jìn)行MT或PT檢查合格。4)對合金鋼的材料焊前應(yīng)對母材、焊絲打光譜,焊后對焊縫打光譜。5)裝鰭片管前應(yīng)對鰭片管逐根進(jìn)行通海綿球清理,目的是為了管內(nèi)無殘?jiān)扒鍧?。同時對焊接管端用風(fēng)砂輪進(jìn)行清磨(包括集箱管孔)。6)管子與集箱基本都采用角焊縫連接,值得注意的是,角焊縫應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝要求施焊,保證不能發(fā)生滲漏,因?yàn)槟K組裝好以后出現(xiàn)問題是基本無法修理的。角焊縫要100%做表面探傷,在可能的情況下,盡量采用磁粉探傷。7)模塊水壓試驗(yàn)合格后用專用運(yùn)輸車將模塊運(yùn)至排水場地,進(jìn)行整體倒水,要求排盡模塊內(nèi)部的積水,并用壓縮空氣吹掃干凈。7材料管道焊接1)管子的每條對接焊縫,應(yīng)按圖紙要求進(jìn)行無損探傷檢查合格。管道上的管接頭角焊縫應(yīng)進(jìn)行100%磁粉探傷檢查。2)對P91