循环流化床锅炉外置式换热器典型故障分析及处理

张子明

（国家能源集团开远发电有限公司，云南 开远 661600）

我国的三大锅炉厂（东锅、 哈锅和上锅）2003 年共同引进法国Alstom 公司200 ～350 MW等级循环流化床锅炉技术，采用该技术，东锅设计制造了秦皇岛三期工程2 台燃用贫煤的300 MW CFB 锅炉，于2006 年11 月投入运行；哈锅设计制造了云南开远电厂2 台燃用褐煤的300 MW CFB 锅炉，于2006 年6 月投入运行；上锅设计制造云南小龙潭电厂三期2 台燃用褐煤的300 M W CFB锅炉，于2007 年1 月投产。这一批300 MW级的亚临界CFB 锅炉采用的是同一种技术，均设计有外置式换热器。机组投入运行后，由于外置式换热器结构紧凑、结构复杂，对设计、制造、安装技术要求高，加之我国各锅炉制造厂对相关技术细节重视不够，导致在锅炉投产后外置式换热器运行故障频繁，严重影响了机组的安全运行。

1 外置式换热器结构及工作原理

300MW 级引进型亚临界循环流化床锅炉共设计有4 台外置式换热器，锅炉前墙左右各一台多仓式换热器，分别在仓内布置高温再热器管和低温过热器管，在空仓室、高温再热器管、低温过热器管之间用耐磨耐温材料浇筑两道隔墙；锅炉后墙左右各布置一台多仓式换热器，分别在仓内布置中温过热器Ⅰ和中温过热器Ⅱ，在空仓室和中温过热器管之间用耐磨耐温材料浇筑有一道隔墙。如图1。

图1 外置式换热器结构示意图

图2 外置式换热器内部结构示意图

外置式换热器内的换热管被弯制成蛇形状，多根换热管并列组合成管屏，用换热管或实芯吊杆悬空悬吊于外置式换热器顶部壳体。如图2。换热管内流通再热蒸汽和过热蒸汽，换热管外部被堆积的细颗粒床料和由分离器分离下来的高温灰完全堆埋。换热器底部布置有流化风帽，流化风经过风帽后吹入换热器底部吹动床料、高温灰作上下鼓泡运动，床料、高温灰与换热管形成强烈相对运动，外置式换热器本质上是一个低速鼓泡床，流化风速一般小于 0.5m/s，通常在 0.3~0.5m/s 间变化。

2 外置式换热器典型故障及原因分析

2.1 蛇形换热管管卡固定功能失效

外置式换热器内部蛇形换热管管屏用悬吊管悬空悬吊于换热器顶部，床料、高温循环灰被流化风吹动做上下鼓泡运动，运动动能传递到被床料、高温循环灰堆埋的换热管管屏后造成管屏发生强烈振动，由于垂直安装的悬吊管（悬吊杆）运动幅度小，而水平安装的蛇形管尺寸长，运动幅度大，导致用来连接悬吊管（悬吊杆）和蛇形管的“蝴蝶管卡”（图3）承受了较大应力，在高温环境中蝴蝶管卡与半圆板之间的焊缝容易开裂使半圆板丧失对蛇形管的固定功能，蛇形换热管失去约束而振动位移增大，与蝴蝶管卡相互碰磨导致换热管管壁减薄泄漏。如图4 中箭头所示部位即为半圆板与蝴蝶管卡焊缝裂开后半圆板失去对蛇形管的固定，导致蛇形管移位与蝴蝶管卡发生碰磨。

图3 蝴蝶管卡结构示意图

图4 蝴蝶管卡半圆板脱落

2.2 耐磨耐温浇注料脱落

外置式换热器为了抗磨和保温，在金属外壳内部安装了耐磨耐温浇注料。由于换热器运行中温度高、空间内细颗粒浓度大，高温细颗粒对耐磨耐温浇注料的冲刷磨损和撞击磨损很严重。同时换热器温度场随着锅炉负荷和燃料变化相应变化，导致浇注料频繁膨胀、收缩，极易产生裂纹导致浇注料脱落。目前国内在运的循环流化床锅炉的外置式换热器，均发生过不同程度的浇注料脱落。

某公司300MW 机组循环流化床锅炉2019 年11 月26日8 号机组运行中外置式换热器发生高温再热蒸汽管泄漏，紧急停炉后检查发现81 号外置式换热器顶部耐磨耐温浇注料有1.4×5m2 的区域发生崩塌，壳体顶部钢板有1×5m2 发生碳化弯曲变形，重约5 吨的浇注料跌落到高温再热蒸汽管上，砸坏了蒸汽管导致泄漏，见图5。

图5 外置式换热器顶部浇注料脱落

故障原因分析：锅炉安装时，为了解决耐磨耐温浇注料受热膨胀问题，采用分块浇筑的施工工艺，即浇注料块与块之间留有1-2cm 的膨胀缝，该膨胀缝在长周期运行过程中，密封性逐步降低，高温烟气穿过膨胀缝后对浇注料背面的爪钉及金属顶板形成高温烘烤，导致金属顶板碳化，爪钉断裂，浇注料坍塌；由于爪钉为Φ8不锈钢圆钢弯制而成，爪钉根部折角较小，弯制过程中会在折角处形成压力集中。爪钉在高温烟气的长期烘烤下强度降低，最终不能承受耐磨耐温浇注料重量而在压力集中的折角处发生断裂。本次脱落区域的浇注料爪钉大部分是从爪钉根部折角处断裂。

3 外置式换热器典型故障处理

3.1 蛇形换热管管卡固定功能失效

蝴蝶管卡和半圆板的使用状况对维持外置式换热器的安全运行十分重要，必须坚持逢停必检，发现蝴蝶管卡和半圆板损坏要及时进行修复或更换，防止由于管卡固定功能失效而导致水平蛇形换热管运行中振动幅度过大与其他换热管、管卡发生碰磨。由于每一根悬吊管（悬吊杆）对应两组水平蛇形换热管，在相邻的两个悬吊管（悬吊杆）固定的水平蛇形换热管之间的缝隙间，用垫板塞紧水平蛇形换热管，当半圆板和蝴蝶管卡损坏，固定功能失效时能有效限制水平蛇形换热管的振动幅度，防止水平蛇形换热管相互之间发生碰磨或与蝴蝶管卡发生碰磨，导致换热管泄漏。安装垫板时，在水平蛇形管上与垫板相对应的位置安装防磨瓦保护换热管，防止垫板与水平蛇形换热管直接碰磨导致换热管泄漏。垫板的安装位置和结构如图6 所示。

3.2 耐磨耐温浇注料脱落

外置式换热器壳体耐磨耐温浇注料的脱落是一个逐渐发展的长期过程，在此过程中通常表现为换热器壳体故障部位运行温度逐渐升高。日常运行中要建立壳体重点部位的温度监测档案，发现超温要及时报告，并对超温部位进行持续跟踪测温。待机组停运检修时，拆除超温部位的外部保温材料，对壳体金属材料变形、碳化情况进行检查。

当需要进行耐磨耐温浇注料更换时，应把常规浇注料施工工艺由分块浇筑改为整体浇筑，避免由于分块浇筑时所预留的膨胀缝漏高温烟气导致高温烟气对爪钉和换热器壳体进行烘烤；同时应把浇注料爪钉由原来的多折角圆钢型爪钉改为一次成型扁钢型爪钉，解决折角处应力集中及爪钉根部焊接面过小的问题。如图7 所示。

图6 垫板结构示意图

图7 爪丁改进示意图

4 结语

蛇形换热管管卡固定功能失效和耐磨耐温浇注料脱落是循环流化床锅炉外置式换热器的典型故障。而经过发电企业在实际工作中的探索，采用以下两方面的处置措施后，能有效解决外置式换热器的典型故障。

一方面，通过加强设备检修管理，在故障早期及时发现故障源并进行有效处置避免故障扩大；另一方面，通过完善设备安装工艺来提高设备使用寿命：①对蛇形换热管固定工艺进行改进，可有效避免由于蛇形换热管管卡固定功能失效导致换热管泄漏；②对耐磨耐温浇注料的施工工艺和爪钉结构进行革新，可避免耐磨耐温浇注料的脱落。