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　　不銹鋼用于熱交換器維護

　　管理發(fā)電廠需要做出許多決定，而這些決定對公司的盈利有著重大影響。決定正確時可使管理團隊得到贊揚，而做出錯誤的決定就意味著事故。燃料成本急劇攀升，美國的天然氣價格已從每1000立方英尺2 美元上升到最高價格時的14美元。煤炭的合同價格(包括運費在內(nèi)的合同價格)已比前幾年翻了一番。操作運行的任何改變，如管道發(fā)生堵塞，都會導致加熱成本的顯著增加。

　　1、管道故障

　　發(fā)電廠熱交換器管道有許多潛在的破壞機理。銅合金中常見的破壞機理與不銹鋼和高性能合金鋼的破壞機理有很大區(qū)別。下面分別進行論述。

　　1.1 銅合金的問題

　　· 蒸汽側(cè)侵蝕

　　蒸汽側(cè)的銅合金最常見的破壞機理是氨溝槽和應力腐蝕裂紋。

　　氨造成的溝槽——除氧添加劑，如聯(lián)氨，可造成氨溝槽。氨與冷凝水相結(jié)合，沿支撐板向下流生成溝槽。

　　應力腐蝕裂紋(SCC)——無論是海軍黃銅還是鋁黃銅均對氨引起的應力腐蝕裂紋敏感。管子的殘余應力高和氨會迅速形成應力腐蝕裂紋。由氨溝槽和應力腐蝕裂紋造成冷凝器的管道破壞很常見。

　　· 冷卻水側(cè)侵蝕

　　沖蝕—腐蝕——當水的流速大時，水會沖掉銅合金上的保護氧化層，造成沖蝕—腐蝕。對于海軍黃銅和鋁黃銅來說，當水的流速大于1.8米/秒時會產(chǎn)生這種情況。即使水的整體速度較低，但是局部區(qū)域渦流也會造成這種現(xiàn)象。一般產(chǎn)生這種沖蝕的地方是水入口端部。管道堵塞——如夾具形成的管道凸起造成的阻塞——四周形成的渦流會在幾天內(nèi)造成管道穿孔。

　　H2S和硫酸侵蝕——H2S和硫酸會破壞保護用的氧化層和阻止氧化層重新生成。絕大多數(shù)H2S和硫酸來源于腐朽的植物、硫酸還原細菌(MIC腐蝕)或是使用處理過的廢水。通常，當把現(xiàn)有的冷卻水源從清水轉(zhuǎn)換為處理過的廢水六個月后，90-10銅鎳管道就會開始發(fā)生這種破壞。

　　一般腐蝕和銅的傳遞銅管上的氧化層是多孔的，可使銅離子擴散到水中。當銅溶解時，管道逐漸變薄。當水的條件為非腐蝕性時，銅的溶解很慢，使用年限為25年的銅管并不少見。然而，銅的傳遞仍然會對其他地方造成影響。

　　例如，在更換典型的300MW的用海軍黃銅管制造的冷凝器的管道時，原管道的重量會比原40萬磅少50%。這說明，已溶解了20萬磅的銅合金。這些銅不是進入了蒸汽就是進入了冷卻水。當銅鍍在鍋爐的管道上時，它會造成災難性的液態(tài)金屬脆化。

　　1.2 不銹鋼

　　· 蒸汽側(cè)

　　所有的不銹鋼，包括商用鋼種(TP 304，TP316和其衍生鋼種)和高性能的鋼種耐包括所有聯(lián)氨衍生物在內(nèi)的多數(shù)鍋爐用化學藥品。在溫度更高時，有一種機理造成早期損壞，氯化物應力腐蝕裂紋(SCC)，這些損壞發(fā)生在給水加熱器內(nèi)。

　　含8%Ni的鋼種(TP 304)對應力腐蝕裂紋敏感，見圖1所示。當發(fā)電設備從基本負載切換到循環(huán)模式時，設備發(fā)生破壞的情況就更多。氯化物在干濕交替的區(qū)域，主要在過熱后的冷卻區(qū)域濃縮。

　　· 冷卻水側(cè)

　　點蝕和縫隙腐蝕—TP304和TP316對點蝕，縫隙腐蝕和與縫隙腐蝕相關的MIC敏感。如果冷卻水內(nèi)的氯化物含量分別超過150ppm 和500ppm，就不應考慮使用TP304和TP316。和銅合金一樣，如果是以處理的廢水作為冷卻水源，也不應考慮采用TP304和TP316。

　　可采用價值比較分析來確定何時開始進行清理和/或更換管道。在確定何時更換管道時，應基于“壽命周期”進行。應對設備的剩余壽命時間進行分析。進行分析時要考慮的各種因素包括：

　　· 初始管道成本;

　　· 安裝成本;

　　· 提高熱性能后燃料的節(jié)約;

　　· 降低冷卻水化學處理的成本;

　　· 由于汽輪機效率的損失，發(fā)電的減少;

　　· 降低或省去鍋爐管道和高壓汽輪機的清理費用;

　　· 減少事故停車/減少堵塞泄漏的管道。

　　1.3 鈦

　　人們認為Titanium Grade 2耐發(fā)電廠冷卻管路中產(chǎn)生的各種腐蝕。惟一的例外可能是零排放設備中使用的結(jié)晶裝置。在該裝置必須考慮采用Grade 7和12才行。但是，由于其彈性模數(shù)低，它容易產(chǎn)生振動損壞。這一問題可能通過適當?shù)墓こ淘O計來加以解決。

　　2、價值比較

　　下面是一個冷凝器模型標準的舉例，用來幫助確定采用現(xiàn)有管道繼續(xù)運行的真實成本，以便就采用新管道還是繼續(xù)使用舊管道進行成本方面的比較：

　　· 300MW燃煤電廠的冷凝器;

　　· 安裝16400管道，管道材質(zhì)為90-10銅鎳合金，尺寸為φ25.4mm×18 BWG(平均壁厚1.24mm)，12.86m長;

　　· 蒸汽負載為每小時671506kg，熱含量為109kcal/kg;

　　· 汽輪機排氣面積為34.8m2;

　　· 循環(huán)泵提供的設計流量為25878m3/h，在通過5.97m的管道時有壓頭損失;·現(xiàn)有管道中有6%堵塞;

　　· 通過積極的水化學處理，最大限度地減少了結(jié)垢，使HEI清潔度系數(shù)達85%;

　　· 一般的水入口溫度為29℃，但是，在夏季時溫度可高一些。

　　在我們的模型中，銅鎳合金管道每年約泄漏兩次左右。由于汽輪機葉片上產(chǎn)生銅沉積，每隔4～5年要對高壓蒸汽汽輪機進行一次清理。在這段時間內(nèi)，設備的能力降低21MW。設備采用的是閉路冷卻水塔，為了確保管道和水塔的清潔，利用硫酸鐵對工業(yè)水進行了化學處理，在冷卻水進入管道后促使銅鎳合金再鈍化。實踐證明在類似的水中選用的材料性能良好。由于氯化物水平一般會達到700ppm以上，錳和鐵水平高，不考慮采用TP 304和TP 316。

　　蒸汽表面冷凝器用的HEI標準就是比較各種管道材料的熱性能和力學性能的極好基準。除了確定反壓外，還需評估潛在的振動損壞，水壓力增大的變化。表1所示為最初的分析結(jié)果。

　　一般來說，更換管道時，選擇22 BWG的不銹鋼管或鈦管。不銹鋼的彈性系數(shù)比銅合金要高，更加牢固。顯著地減少了振動沖擊的影響。鈦管的彈性系數(shù)較低，要求采用支撐來防止振動變化。銅管的內(nèi)徑和外徑上較厚的氧化表層使其清潔系數(shù)比不銹鋼管或鈦管要低，銅管的清潔度為85%，不銹鋼和鈦管的清潔系數(shù)為95%。

　　雖然初始設計流量為25878m3/h，當壓頭損失變化時，流量發(fā)生變化。循環(huán)水采用的是低揚程大流量泵，這種泵的流量對壓頭損失高度敏感。例如，管道堵塞6%造成的0.457m的水頭增加一般會導致冷卻水流量減少2%。管壁較薄時水頭較低會使流量增加3%。如有可能，電廠應采用特殊性能的泵。在該分析中，我們以設計的入口水溫度作為基礎。當電廠使用的冷凝器尺寸較小，在夏季的峰值條件下冷凝器的能力不足時，我們會在分析中采用最大入口水溫度。當需要反壓較小或空間度較好時，它增加汽輪機的效率。對冷凝器來說，堵塞6%的管道會使反壓增加1.52mm Hg。HEI預測，鈦管的反壓降非常顯著，為4.07mm，超級鐵素體S44660的反壓降較低，為3.81mm。當金屬導熱系數(shù)較低時，超級奧氏體N08367的反壓降僅為鈦管的一半，約為2.04mm。

　　多年以來，為了計算不會導致管道損壞的“安全范圍”，人們開發(fā)了許多不同的應對振動的方法。HEI的范圍就假定冷凝器管道振動，支撐板應有的間隔，使振動幅度等于或小于管間連接空隙的1/3。該設計用來防止管的振動。在該分析中，HEI預測銅鎳合金管支撐板的間距是936mm。計算的鈦管的范圍要短140mm，這說明振動損壞的風險要高。N08367的間距要比Cu-Ni低一點。通過HEI計算，只有S44660的間距大于銅鎳合金。解決振動問題最常用的方法是在支撐板之間采用支柱。

　　反壓的變化會影響加熱效率和總的燃料成本。估計使用了20年以上的燃煤電廠的燃料平均成本為2.50美元/每百萬BTU(或每252000kcal)。我們已推斷出，在該發(fā)電廠反壓的Hg，每變化2.50mm都會使我們每發(fā)一度電節(jié)約或額外多使用15BTU(3.75 kcal)。除了增加燃料成本外，堵塞6%的管道每年還使我們多支出59000美元。模型表明，如果選用鈦合金制造的管道，每年額外節(jié)約157000美元，如果選用超級奧氏體N08367制造的管道，每年額外節(jié)約79000美元，如果最終選用超級鐵素體S44660，每年額外節(jié)約147000美元。

　　使用20年節(jié)約的燃料費用相當于鈦合金管道安裝費用的92%，N08367合金管道安裝費用的44%。利用N44660合金管道，初始費用較低，導熱性能良好，可顯著降低燃料成本。僅通過燃料節(jié)約一項，管道的安裝和制造成本就可在14年內(nèi)收回。在對20年的運行分析中并沒有包括一種非常重要的效能損失，但是表2的最后一行內(nèi)標出了在高壓汽輪葉片上銅的沉積對財務的影響。在這種發(fā)電能力的發(fā)電廠，四年后發(fā)電量降低20MW或更多是可能的。我們采用以下假定：

　　· 汽輪機每隔4～5年清理一次。

　　· 平均降低5MW。

　　· 設備的作業(yè)運行時間是85%。

　　· 每MW電的平均售價為55美元(根據(jù)能源中心的平均售價)。

　　在20年內(nèi)總的收入損失是4095.3萬美元!這說明使設備有效運行，特別是使汽輪機沒有銅沉積是多么重要。

　　3、總結(jié)

　　使熱交換器，特別是給水加熱器和冷凝器有效運行是重要的，它牽涉到工廠是否盈利。不僅目前的運行和維修至關重要，而且熱交換器的選材和對系統(tǒng)平衡的影響也至關重要。世界上越來越多的地方對銅的排放進行控制，法律法規(guī)的修改也會迫使生產(chǎn)企業(yè)采用更加昂貴的管道。要考慮的因素有：

　　· 管道的清潔,

　　· 管道的材質(zhì)和厚度,

　　· 包括修改在內(nèi)的安裝成本,

　　· 選材對加熱效率的影響,

　　· 銅的傳遞的影響,

　　· 包括發(fā)電量降低在內(nèi)的冷凝器管道修理的成本,

　　· 由于鍋爐管道修理，事故停車和由此造成的發(fā)電量降低在內(nèi)的成本,

　　· 化學處理藥品的成本,

　　· 由于冷凝器能力降低造成的發(fā)電量損失,

　　· 由于發(fā)電設備效率降低造成的發(fā)電量損失的成本。