循环流化床锅炉外置式换热器典型结构及定期检验重点

刘光奎 梁 奎 郑景河 陶 磊

(中国特种设备检测研究院 北京 100029)

循环流化床锅炉外置式换热器典型结构及定期检验重点

刘光奎 梁 奎 郑景河 陶 磊

(中国特种设备检测研究院 北京 100029)

本文详细介绍了国内外不同技术流派循环流化床锅炉外置式换热器的典型结构和技术特点，归纳了在役锅炉外置式换热器的常见问题，分析问题产生原因并给出处理建议。根据《锅炉定期检验规则》，结合外置式换热器检验的经验，明确了外置式换热器定期检验过程中的检验重点和常见缺陷。

循环流化床 外置式换热器 定期检验

循环流化床(CFB)锅炉技术是一种新型的清洁煤燃烧技术,具有燃烧效率高、燃料适用范围广、炉内脱硫效率高、NOx排放量小、负荷调节比大等优点。外置换热器是布置在CFB锅炉灰循环回路上的一种热交换器,将循环灰载有的部分热量传递给其内的受热面,起到更灵活的调节床温、过热汽温和再热汽温的作用。国内外很多研究学者致力于床内物料输送和控制机理以及结构创新等方面的研究工作[1-4],但是在实际运行中外置式换热器仍存在许多问题,困扰锅炉运行人员。本文归纳了在役锅炉外置式换热器的常见问题及处理建议,明确了外置式换热器定期检验过程中的检验重点和常见缺陷,对国内CFB锅炉运行和检验人员具有一定的借鉴意义。

1 外置换热器的典型结构

按照灰调节方式分类,外置式换热器可以分为机械式和气动式两种。机械式外置式换热器以德国Lurgi公司技术为代表,气动式外置式换热器以美国Foster Wheeler公司开发的整体式返料换热器为代表。

1.1 Lurgi型外置式换热器

德国Lurgi公司研究开发的外置换热器如图1所示。高温旋风分离器分离下来的高温物料一部分通过回料阀直接返回炉膛,另一部分通过水冷锥形阀进入外置换热器冷却后返回炉膛[5]。我国引进国外技术设计制造的300MW循环流化床锅炉采用4个此类型的外置式换热器,其中2个外置式换热器内布置高温再热器和低温过热器,另外2个外置式换热器内分别布置中温过热器I或中温过热器II。

图1 德国Lurgi型外置式换热器结构示意图

1.2 整体式返料换热器

美国福斯特惠勒公司开发了一系列整体式返料换热器(Integrated Recycle Heat Exchange Bed,INTREX),采用气动方法控制灰量分配。既可以紧靠后墙布置,与炉膛连为一体,也可以独立布置,兼具回料阀和外置换热器的双重作用[6]。

当外置换热器与炉膛连为一体时,有两种具体的布置形式,一种为“底流式”布置方式,另一种为“溢流式”布置方式。前者冷却室底部靠近后墙一侧布置若干开口,通过上行通道与炉膛连通,调节上行通道的流化风速可改变流经换热管束的循环灰量;后者的进料通道与冷却室并排布置,隔墙下部开有床料通道,进料通道内的高温灰由此进入冷却室。冷却室中布置过热器或再热器受热面,循环灰上行流经换热管束后溢流进入呈流化态的返料通道,最终回到炉膛下部区域。

独立布置的INTREX换热器的结构与“溢流式”INTREX换热器类似,差别在于换热器整体独立于炉膛布置,返料通道在靠近炉墙侧具有自己独立的隔墙,返料通道底部布置有排灰管道,与炉膛下部相连。

1.3 紧凑式分流回灰换热器

西安热工研究院开发了紧凑式分流回灰换热器专利技术,采用气动控制原理调节循环灰的分流比例。其工作原理是在旋风分离器立管下的灰分配室采用气动控制方式将循环灰分为两部分,一部分流向高温回灰管返回炉膛,另一部分流向布置有换热面的外置式换热器,然后流向低温回料室,再经低温回灰管返回炉膛[7]。

1.4 非机械阀控制外置式换热器

浙江大学提出了一种非机械阀控制外置式换热器,把Loopseal返料机构和外置式换热器结合在一起,通过控制进入二者的风量来调节高温物料量的分配[8]。通过调节Loopseal返料室流化风、Loopseal进料室松动风、侧吹风、外置换热器进料室松动风以及换热床的流化风等实现外置式换热器和返料机构的联合控制。

1.5 一体化外置式换热器

重庆大学提出了一种非机械控制的一体化外置式换热器,横截面如图2所示[9,10]。物料经过立管进入中心室,通过中心室隔墙底部的开孔进入分配室;分配室中的物料一部分翻过隔板进入返料室,另一部分通过底部开孔进入换热室,流经受热面后再翻过隔板返回到返料室。来自分配室和换热室的物料在返料室中混合后返回炉膛。

图2 重庆大学开发的一体化外置式换热器横截面示意图

2 运行中的常见问题及原因

2.1 锥形阀卡涩及磨损

对于采用锥形阀控制高温循环灰流量的外置式换热器,在实际运行中会出现开关不动或卡涩的情况。其主要原因是锥形阀入口被异物(如耐火材料等)堵住,或者锥形阀执行机构故障。

锥形阀的阀头和阀杆与高温物料直接接触,受到流经的高温灰的冲刷磨损。阀杆与固定部分通过盘根密封,如盘根出现密封不严,流经阀体的高温灰在正压作用下从盘根处向外泄露,使阀杆磨损。

2.2 受热面爆漏

外置式换热器受热面爆漏的主要现象包括:给水流量明显大于主蒸汽流量;外置式换热器内有较大的异常声响;外置式换热器内各点温度均低于正常值;过热器泄露或爆管时两侧主蒸汽温度偏差大,再热器泄露或爆管时再热蒸汽压力降低且锅炉负荷下降。原因主要有受热面管材质不合格或检修质量差、受热面管磨损或者过热等。

2.3 受热面超温

影响外置式换热器运行性能的因素包括汽侧和灰侧两个方面,汽侧的影响因素包括进汽温度的差异、蒸汽流量的偏差等,灰侧的影响因素包括锅炉负荷、进口灰温以及流化风量等。上述因素导致不同管屏出口汽温偏差较大,而且同屏不同管子之间也存在一定汽温偏差。当汽温偏差过大时将导致个别受热面管超温。锅炉运行时应密切关注受热面壁温分布及热偏差,尤其对经常发生超温的管子应加强监控。

2.4 流化风量降低

当外置式换热器内有耐磨耐火材料脱落到风帽上时,会出现流化风量降低的现象。如果是外置式换热器的空室或者锥形阀至空室的连接管段堵塞,可开启空室或连接管段的压缩空气吹扫阀进行辅助流化;短时间提高流化风压力,进入外置式换热器的流化风量增加,可改善流化效果;外置式换热器每个仓室都设有事故排灰管,当某个仓室流化不良时可排出部分物料,以改善流化效果。

3 定期检验重点及常见缺陷

3.1 查阅锅炉技术资料

查阅锅炉运行日志、受热面管超限(超温、超压)统计表及承压部件检修台账,检查外置式换热器在运行过程中是否出现受热面管超温过热、超压、泄露、爆管等现象。如发生过此类现象,应查阅原因分析、规律总结、对策研究、处理方法等相关资料,查看是否采取具有针对性的技术措施避免此类现象再次发生。对于超温超压次数频繁或持续时间较长的锅炉,应及时分析原因,加强运行监控并采取可靠措施,保证锅炉具备安全运行的条件,且应提供全面详细的技术资料;查阅外置式换热器膨胀量记录,查看历次启停炉过程中膨胀量记录中的节点及位置是否齐全,膨胀量是否符合设计要求等;查阅外置式换热器检修文件包等,包括其自投运以来历次检修内容、工艺要点、质量要求以及验收结果等。

此外,对于首次定期检验的锅炉,应查阅外置式换热器设计、制造、安装和机组调试的相关资料。如果外置式换热器在安装过程中存在设计变更,则需要查阅变更的图纸及相关技术资料。

3.2 受热面管磨损

外置式换热器实际上是一个细颗粒的鼓泡流化床,虽然流化风速不高,床内的物料颗粒直径也较小,但由于受热面长期埋在流动的循环灰中,在实际运行过程中,磨损现象较为严重,时常发生因磨损导致受热面爆管事故,如图3所示。在检验过程中,应仔细查看床内受热面的宏观可见部位是否存在磨损。此外,检验时应确认受热面管对接焊缝余高是否经过打磨,如未打磨,应重点检查宏观可见的焊缝位置是否存在磨损现象,如图4所示。

图3 外置式换热器受热面管磨损现场检验照片

图4 外置式换热器受热面管焊缝磨损现场检验照片

3.3 异种钢焊接接头失效

外置式换热器普遍存在异种钢焊接接头,表1所示为国内典型循环流化床锅炉外置式换热器管子的选用材质。虽然在设计时将异种钢焊接接头布置在床体以外,但是外置式换热器的结构特点以及运行条件决定了其在实际运行过程中不可避免的存在振动,特别是锅炉启停及负荷快速升降时,各仓室内的流化风量发生较大变化,破坏了原有的平衡,异种钢焊接接头处容易产生应力集中进而导致焊接接头处产生环向裂纹而失效。定期检验时,应对不同部位的异种钢焊接接头进行抽查,采用宏观检验和渗透检测相结合的方式,若发现裂纹等缺陷应扩大检验检测比例,必要时可100%检测。

表1 国内典型循环流化床锅炉外置式换热器受热面管选用材质

3.4 碰磨

外置式换热器受热面管屏的固定及吊挂方式普遍采用相邻管屏共用两根吊挂管的结构形式。在实际运行中,受到床内流化物料的作用,外置式换热器不可避免的发生振动,管子和固定装置之间发生相对位移并循环往复,接触的位置容易发生碰磨。当锅炉运行工况发生变化或床内流化不均匀时,碰磨现象更加严重。另外,外置式换热器管在穿墙部位采用密封盒和套管结构,并且穿过外置床内一定厚度的浇注料,穿墙处管子易产生碰磨,在检验过程中应予以足够重视。

3.5 膨胀节失效

回料器与外置式换热器、外置式换热器与下部炉膛之间均采用膨胀节进行连接。由于循环流化床锅炉设置多个膨胀中心,锅炉运行后各部分之间膨胀量差异较大,甚至产生多维膨胀位移,并且随运行工况变化,因此膨胀节受力情况复杂,容易造成疲劳失效或泄露。而且,外置式换热器范围内的膨胀节工作环境较为恶劣,被管内呈密相流动的高温循环灰烧坏的现象时有发生。在检验过程中,应详细检查膨胀节是否出现失稳变形、表面裂纹、泄露及烧损等情况,保证膨胀节工作的可靠性。

3.6 密封盒损坏

外置式换热器呈正压状态运行,在受热面管穿墙位置采用了填料密封结构,在穿墙处,设置一个四周与外置式换热器外壳焊在一起的密封盒,穿墙管在穿过密封盒的地方设置有使穿墙管能够自由膨胀的套管,密封盒内充满密封填料,在外置床内侧还浇注了一层耐火密封料。内部检验时,应查看密封装置焊接位置是否开裂、泄漏,能否保证受热面管的自由膨胀,受热面管与套管之间是否存在碰磨现象等。

3.7 进、出口集箱检验

在实际检验过程中,进、出口集箱的常见的缺陷包括集箱环焊缝(包括集箱筒体与封头的对接焊缝)裂纹、管座角焊缝裂纹、焊缝埋藏缺陷等。对9%～12%Cr系列钢材料制造的集箱,由于热处理工艺不当等原因,金相组织异常和硬度值异常等缺陷也时有发生。此外,对集箱表面以及吊挂支撑装置的宏观检查也是必不可少的。进、出口集箱为大口径厚壁部件,是外置式换热器重要的组成部分,必须严格按照《锅炉定期检验规则》要求的项目、方法和比例进行检验。

3.8 风帽检查

风帽是外置式换热器实现均匀布风、维持内部合理的气固流动以及维护锅炉安全经济运行的关键部件。内部检验时,应宏观检查风帽的固定情况及损坏和磨损情况,全面检查风帽有无脱落,并检查所有风帽是否存在松动现象,并做好相应记录。

3.9 固定装置缺陷

外置式换热器采用的固定装置包括受热面管的横向定位管卡和纵向定位管卡,吊挂管的上、下限位装置以及膨胀弯处的吊杆等。锅炉运行后经常发现固定装置变形、开裂和脱落等情况,如图5所示。内部检验时应查看所有宏观可见的固定装置,并对缺陷位置和损坏情况进行详细记录。

图5 外置式换热器固定装置缺陷现场检验照片

4 结论

采用外置式换热器是解决大型循环流化床锅炉受热面布置问题的有效手段,目前已得到广泛应用。在实际运行过程中,外置式换热器主要存在锥形阀卡涩或磨损、受热面爆漏、受热面超温、流化风量异常降低等问题,影响其工作的可靠性。根据《锅炉定期检验规则》,结合外置式换热器检验的经验,明确了外置式换热器定期检验过程中的常见缺陷和检验重点,对国内CFB锅炉运行、检修和检验人员具有一定的指导意义。

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Typical Structure and Periodical Inspection Focus of External Heat Exchanger of Circulating Fluidized Bed Boiler

Liu Guangkui Liang Kui Zheng Jinghe Tao Lei
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The typical structure and technical characteristics of the external heat exchanger of circulating fl uidized bed boiler were introduced in this paper, including those made by different technical schools. The common problems of the external heat exchanger during operation were generalized, and the cause of the problems and processing recommendations were analyzed. According to the "Boiler Periodical Inspection Regulation", combined with the experience of external heat exchanger inspection, inspection focus and common defects of the external heat exchanger were given clearly.

Circulating fl uidized bed External heat exchanger Periodical inspection

X933.2

B

1673-257X(2017)11-0022-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.007

刘光奎（1986～)，男，博士研究生，高级工程师，从事电站锅炉检验检测及安全评价的相关研究工作。

刘光奎，E-mail： liuguangkui@csei．org．cn。

中国特种设备检测研究院博士基金项目“CFB锅炉外置换热器设计优化及定期检验标准预研究”（项目编号：BSJJ-2015-08）

2017-05-05）