回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器換熱元件碎裂原因分析及預(yù)防

陳 平,祁青福,馬 駿,嚴(yán)彩兄

（酒鋼集團(tuán)宏晟電熱公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

前言

某電廠2 臺350 MW 抽凝式發(fā)電機(jī)組，于2013年5、6 月先后投產(chǎn)。鍋爐為超臨界直流鍋爐，額定蒸發(fā)量為1 200 t/h、鍋爐額定工況過熱器出口蒸汽壓力為25.4 MPa。機(jī)組正常運(yùn)行期間，空氣預(yù)熱器的出入口差壓在1 300～1 500 Pa 之間，2014 年10月開始，該兩臺機(jī)組鍋爐空預(yù)器的出入口差壓持續(xù)上升，最高達(dá)到2 800 Pa，嚴(yán)重影響到鍋爐的帶負(fù)荷能力，導(dǎo)致機(jī)組的最大發(fā)電負(fù)荷只能維持在260 MW，判斷空預(yù)器蓄熱元件堵塞是造成其差壓急劇上升的主要原因。

1 空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及工作原理

在鍋爐尾部煙道布置了兩臺型號為LAP11284/2400 的三分倉容克式回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器?？諝忸A(yù)熱器的轉(zhuǎn)子直徑為11 284 mm，熱端蓄熱元件有上中兩層，其中上層蓄熱元件高度為400 mm，中層蓄熱元件高度為1 000 mm；下層蓄熱元件為冷端，其高度為1 000 mm。冷端蓄熱元件為搪瓷元件，其余熱段蓄熱元件為碳鋼材質(zhì)?？疹A(yù)器的蓄熱元件按圓周方向分為48組布置，每組蓄熱元件從旋轉(zhuǎn)軸向外又按照圓周的大小依次布置有5個蓄熱元件。

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器在鍋爐運(yùn)行過程中持續(xù)保持旋轉(zhuǎn)，其蓄熱元件位于煙氣側(cè)的部位，隨高溫?zé)煔獾呐懦鰻t內(nèi)流動而吸熱，蓄熱元件溫度與其部位對應(yīng)的煙氣溫度存在5 ℃左右的換熱端差，其熱端至冷端溫度隨煙氣溫度的下降而逐步降低，煙氣溫度由進(jìn)入空預(yù)器前的360～380 ℃下降到排出時的120～150 ℃；其蓄熱原件位于空氣側(cè)的部位，20～40 ℃的冷空氣自下而上逆流進(jìn)入空預(yù)器，與空預(yù)器蓄熱元件進(jìn)行換熱，最終被加熱為360 ℃的熱空氣，一部分作為一次風(fēng)進(jìn)入制粉系統(tǒng)制備煤粉后進(jìn)入爐膛，一部分作為二次風(fēng)直接進(jìn)入鍋爐爐膛供給煤粉燃燒。因煙氣中含有大量的煤粉燃燒后的灰塵，因此，攜帶大量灰塵的煙氣在空預(yù)器蓄熱元件內(nèi)碰撞、降溫減速等因素的影響下，部分灰塵會沾污到蓄熱元件表面，在影響換熱效率的同時，堵塞蓄熱元件間的通道，造成空預(yù)器阻力的增加。

為減少鍋爐空氣預(yù)熱器的堵灰，每臺預(yù)熱器在煙氣側(cè)熱端裝有1 臺半伸縮式蒸汽吹灰器,冷端裝有1臺蒸汽高壓水雙介質(zhì)吹灰器。吹灰器采用電機(jī)驅(qū)動,齒輪-齒條行走機(jī)構(gòu)。蒸汽吹灰器電動機(jī)型號YSR-6324,功率0.18 kW,行程1 160 mm,過熱蒸汽壓力1.0 MPa,溫度330 ℃,蒸汽耗量約80 kg/min。雙介質(zhì)吹灰器電動機(jī)型號Y90S-4,功率1.1 kW,行程1 300 mm,過熱蒸汽壓力1.57 MPa,溫度350 ℃,蒸汽耗量約80 kg/min。吹灰器在伸進(jìn)預(yù)熱器的行程中吹灰(約需時13 min),退出時進(jìn)汽閥關(guān)閉,每一次吹灰周期蒸汽耗量約為1 000 kg。吹灰蒸汽在空預(yù)器冷端會發(fā)生冷凝，對加劇煙氣中灰塵沾污到蓄熱元件表面的速率。

2 空氣預(yù)熱器換熱元件碎裂的現(xiàn)象

空氣預(yù)熱器自轉(zhuǎn)子中心向外，每組均有蓄熱件5 格，發(fā)生換熱片碎裂的蓄熱件集中在上層中的第二、第三格。

從表象看，換熱片碎裂后的蓄熱元件，都存在換熱片間距增大、換熱片可產(chǎn)生橫向位移的現(xiàn)象。抽出上層蓄熱元件后，在中層蓄熱元件的頂部，積存了大量上層蓄熱元件換熱片碎裂后的碎片，且上層第三、四格蓄熱元件未碎裂的換熱片，大部分存在長短不一的斷痕。蓄熱元件碎裂現(xiàn)象如圖1。

圖1 空預(yù)器上層蓄熱元件碎裂情況

3 換熱片碎裂原因分析

3.1 初步判斷

通過對空氣預(yù)熱器蓄熱元件換熱片碎裂現(xiàn)象的觀察，初步判斷造成換熱片碎裂的原因可能有：

（1）換熱片材質(zhì)與設(shè)計不符，運(yùn)行一段時間后發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

（2）空氣預(yù)熱器的吹灰壓力偏高，吹灰時的沖刷力超過了碳鋼材質(zhì)的承受水平，造成換熱片碎裂。

（3）空氣預(yù)熱器的吹灰頻次過高，造成換熱片碎裂。

（4）預(yù)熱器蓄熱元件內(nèi)的換熱片安裝數(shù)量不足，使換熱片間存在可移動的間隙，機(jī)組運(yùn)行吹灰時，在吹灰蒸汽壓力的作用下，使換熱片發(fā)生頻繁的互相碰撞，造成換熱片被碰裂直至被撕裂而掉落。

3.2 原因排查

針對初步判斷的四種可能原因，進(jìn)行了逐項檢測、檢查和分析，具體結(jié)論如下：

（1）對換熱片材質(zhì)進(jìn)行了光譜檢測，確定350 MW 機(jī)組鍋爐空預(yù)器上層換熱片的材質(zhì)為碳鋼，排除了材質(zhì)與設(shè)計不符的問題。

（2）針對空預(yù)器吹灰壓力偏高的懷疑，對實際吹灰壓力進(jìn)行了重新標(biāo)定，確認(rèn)吹灰壓力為1.6 MPa，與設(shè)計吹灰壓力相當(dāng)；與兩臺300 MW 機(jī)組鍋爐空預(yù)器的吹灰壓力、以及周邊同類型電廠空預(yù)器的吹灰壓力進(jìn)行了比對，確定不存在偏高的問題。

（3）通過對運(yùn)行吹灰趨勢的調(diào)閱，確定2 臺350 MW 機(jī)組鍋爐空預(yù)器的吹灰器，基本按照每天3 次的頻次進(jìn)行吹灰，機(jī)組投運(yùn)后的總運(yùn)行時間約500 天，總吹灰次數(shù)約1 500 次左右。而該廠2 臺300 MW 機(jī)組于2007 年底投產(chǎn)，運(yùn)行已超過7 年，空預(yù)器的吹灰頻次也按照3次/天的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，對空預(yù)器的總吹灰次數(shù)已超過6 000 次，但兩臺300 MW 機(jī)組鍋爐的空預(yù)器換熱片均沒有碎裂的現(xiàn)象，因此，可基本排除吹灰頻次過高造成空預(yù)器換熱片碎裂的懷疑。

（4）在將空氣預(yù)熱器的蓄熱元件吊出后，仔細(xì)對蓄熱元件中換熱片的安裝情況進(jìn)行了比對，換熱片已碎裂的蓄熱元件中，存在明顯的可移動間隙，換熱片可隨意的進(jìn)行擺動，但由于換熱片已碎裂，無法判斷是否在原始狀態(tài)就存在安裝不足的問題（圖2）。通過對換熱片有裂紋、但沒有碎裂的蓄熱元件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)廠家在安裝換熱片時，蓄熱元件框架內(nèi)存在1 cm 多的空間沒有安裝（圖3）。再對換熱片無裂紋的蓄熱元件進(jìn)行檢查，換熱片都緊密地填滿了蓄熱元件框架，不存在空余間隙的問題（圖4）。

圖2 換熱片碎裂，間隙增加

圖3 蓄熱元件頂部有1 cm多沒有被換熱片填滿

圖4 換熱片填充緊密的蓄熱元件，無碎裂現(xiàn)象

3.3 原因確定

通過以上分析，可確定導(dǎo)致350 MW 機(jī)組回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器上層蓄熱元件換熱片碎裂的主要原因為：蓄熱元件在廠家組合時，沒有將換熱片緊密地填滿蓄熱元件框架，在機(jī)組運(yùn)行過程中，換熱片在較高壓力吹灰蒸汽的反復(fù)推動下，與相鄰的換熱片發(fā)生了頻繁的碰撞，造成換熱片先產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)散后斷裂，造成換熱片間的間隙擴(kuò)大，進(jìn)而加劇了換熱片的碎裂進(jìn)程。

4 預(yù)防措施

針對回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱元件換熱片碎裂的問題，制定了預(yù)防措施并進(jìn)行長期執(zhí)行，取得了較好的效果。

（1）對空氣預(yù)熱器已安裝的換熱片未充填緊密的蓄熱元件，通過在蓄熱件骨架內(nèi)側(cè)加裝墊片的方式，將換熱片頂緊，達(dá)到防止在運(yùn)行過程中出現(xiàn)擺動碰撞的目的。

（2）對重新定制的蓄熱元件，在技術(shù)協(xié)議中提出了要求，通過提高制造和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的方式，督促廠家在蓄熱元件制作過程中嚴(yán)格充填換熱片，確保充填的緊密度。

（3）機(jī)組運(yùn)行過程中，強(qiáng)化吹灰蒸汽的管理，在每次吹灰前，必須將吹灰蒸汽閥前的溫度通過疏水提高到300 ℃以上，防止管道內(nèi)存在的冷凝積水在吹灰初期造成蓄熱元件表面換熱片材質(zhì)的急劇變化而碎裂。

（4）每年結(jié)合檢修，對空預(yù)器吹灰蒸汽的壓力進(jìn)行標(biāo)定調(diào)整一次，保證吹灰蒸汽壓力在規(guī)定范圍。

（5）在機(jī)組檢修過程中進(jìn)行空預(yù)器蓄熱元件內(nèi)部的冷態(tài)高壓沖洗時，要求施工人員按照與換熱片基本平行的狀態(tài)對高壓沖洗水槍進(jìn)行控制，防止保持角度沖洗造成換熱片的損壞，并在沖洗結(jié)束后進(jìn)行全面檢查。

5 取得的效果

通過實施將蓄熱元件填充緊密的方式，自2015年再次投入該2 臺350 MW 機(jī)組鍋爐空預(yù)器運(yùn)行以來，已經(jīng)過了長達(dá)5年的時間，再沒有發(fā)生因空預(yù)器換熱元件碎裂而導(dǎo)致的空預(yù)器出入口差壓上升問題。