回转式空气预热器换热元件碎裂原因分析及预防

2021-06-26祁青福严彩兄

冶金动力 2021年3期

陈平,祁青福,马骏,严彩兄

（酒钢集团宏晟电热公司，甘肃嘉峪关 735100）

前言

某电厂2 台350 MW 抽凝式发电机组，于2013年5、6 月先后投产。锅炉为超临界直流锅炉，额定蒸发量为1 200 t/h、锅炉额定工况过热器出口蒸汽压力为25.4 MPa。机组正常运行期间，空气预热器的出入口差压在1 300～1 500 Pa 之间，2014 年10月开始，该两台机组锅炉空预器的出入口差压持续上升，最高达到2 800 Pa，严重影响到锅炉的带负荷能力，导致机组的最大发电负荷只能维持在260 MW，判断空预器蓄热元件堵塞是造成其差压急剧上升的主要原因。

1 空气预热器结构及工作原理

在锅炉尾部烟道布置了两台型号为LAP11284/2400 的三分仓容克式回转式空气预热器。空气预热器的转子直径为11 284 mm，热端蓄热元件有上中两层，其中上层蓄热元件高度为400 mm，中层蓄热元件高度为1 000 mm；下层蓄热元件为冷端，其高度为1 000 mm。冷端蓄热元件为搪瓷元件，其余热段蓄热元件为碳钢材质。空预器的蓄热元件按圆周方向分为48组布置，每组蓄热元件从旋转轴向外又按照圆周的大小依次布置有5个蓄热元件。

回转式空气预热器在锅炉运行过程中持续保持旋转，其蓄热元件位于烟气侧的部位，随高温烟气的排出炉内流动而吸热，蓄热元件温度与其部位对应的烟气温度存在5 ℃左右的换热端差，其热端至冷端温度随烟气温度的下降而逐步降低，烟气温度由进入空预器前的360～380 ℃下降到排出时的120～150 ℃；其蓄热原件位于空气侧的部位，20～40 ℃的冷空气自下而上逆流进入空预器，与空预器蓄热元件进行换热，最终被加热为360 ℃的热空气，一部分作为一次风进入制粉系统制备煤粉后进入炉膛，一部分作为二次风直接进入锅炉炉膛供给煤粉燃烧。因烟气中含有大量的煤粉燃烧后的灰尘，因此，携带大量灰尘的烟气在空预器蓄热元件内碰撞、降温减速等因素的影响下，部分灰尘会沾污到蓄热元件表面，在影响换热效率的同时，堵塞蓄热元件间的通道，造成空预器阻力的增加。

为减少锅炉空气预热器的堵灰，每台预热器在烟气侧热端装有1 台半伸缩式蒸汽吹灰器,冷端装有1台蒸汽高压水双介质吹灰器。吹灰器采用电机驱动,齿轮-齿条行走机构。蒸汽吹灰器电动机型号YSR-6324,功率0.18 kW,行程1 160 mm,过热蒸汽压力1.0 MPa,温度330 ℃,蒸汽耗量约80 kg/min。双介质吹灰器电动机型号Y90S-4,功率1.1 kW,行程1 300 mm,过热蒸汽压力1.57 MPa,温度350 ℃,蒸汽耗量约80 kg/min。吹灰器在伸进预热器的行程中吹灰(约需时13 min),退出时进汽阀关闭,每一次吹灰周期蒸汽耗量约为1 000 kg。吹灰蒸汽在空预器冷端会发生冷凝，对加剧烟气中灰尘沾污到蓄热元件表面的速率。

2 空气预热器换热元件碎裂的现象

空气预热器自转子中心向外，每组均有蓄热件5 格，发生换热片碎裂的蓄热件集中在上层中的第二、第三格。

从表象看，换热片碎裂后的蓄热元件，都存在换热片间距增大、换热片可产生横向位移的现象。抽出上层蓄热元件后，在中层蓄热元件的顶部，积存了大量上层蓄热元件换热片碎裂后的碎片，且上层第三、四格蓄热元件未碎裂的换热片，大部分存在长短不一的断痕。蓄热元件碎裂现象如图1。

图1 空预器上层蓄热元件碎裂情况

3 换热片碎裂原因分析

3.1 初步判断

通过对空气预热器蓄热元件换热片碎裂现象的观察，初步判断造成换热片碎裂的原因可能有：

（1）换热片材质与设计不符，运行一段时间后发生碎裂现象。

（2）空气预热器的吹灰压力偏高，吹灰时的冲刷力超过了碳钢材质的承受水平，造成换热片碎裂。

（3）空气预热器的吹灰频次过高，造成换热片碎裂。

（4）预热器蓄热元件内的换热片安装数量不足，使换热片间存在可移动的间隙，机组运行吹灰时，在吹灰蒸汽压力的作用下，使换热片发生频繁的互相碰撞，造成换热片被碰裂直至被撕裂而掉落。

3.2 原因排查

针对初步判断的四种可能原因，进行了逐项检测、检查和分析，具体结论如下：

（1）对换热片材质进行了光谱检测，确定350 MW 机组锅炉空预器上层换热片的材质为碳钢，排除了材质与设计不符的问题。

（2）针对空预器吹灰压力偏高的怀疑，对实际吹灰压力进行了重新标定，确认吹灰压力为1.6 MPa，与设计吹灰压力相当；与两台300 MW 机组锅炉空预器的吹灰压力、以及周边同类型电厂空预器的吹灰压力进行了比对，确定不存在偏高的问题。

（3）通过对运行吹灰趋势的调阅，确定2 台350 MW 机组锅炉空预器的吹灰器，基本按照每天3 次的频次进行吹灰，机组投运后的总运行时间约500 天，总吹灰次数约1 500 次左右。而该厂2 台300 MW 机组于2007 年底投产，运行已超过7 年，空预器的吹灰频次也按照3次/天的标准执行，对空预器的总吹灰次数已超过6 000 次，但两台300 MW 机组锅炉的空预器换热片均没有碎裂的现象，因此，可基本排除吹灰频次过高造成空预器换热片碎裂的怀疑。

（4）在将空气预热器的蓄热元件吊出后，仔细对蓄热元件中换热片的安装情况进行了比对，换热片已碎裂的蓄热元件中，存在明显的可移动间隙，换热片可随意的进行摆动，但由于换热片已碎裂，无法判断是否在原始状态就存在安装不足的问题（图2）。通过对换热片有裂纹、但没有碎裂的蓄热元件进行检查，发现厂家在安装换热片时，蓄热元件框架内存在1 cm 多的空间没有安装（图3）。再对换热片无裂纹的蓄热元件进行检查，换热片都紧密地填满了蓄热元件框架，不存在空余间隙的问题（图4）。

图2 换热片碎裂，间隙增加

图3 蓄热元件顶部有1 cm多没有被换热片填满

图4 换热片填充紧密的蓄热元件，无碎裂现象

3.3 原因确定

通过以上分析，可确定导致350 MW 机组回转式空气预热器上层蓄热元件换热片碎裂的主要原因为：蓄热元件在厂家组合时，没有将换热片紧密地填满蓄热元件框架，在机组运行过程中，换热片在较高压力吹灰蒸汽的反复推动下，与相邻的换热片发生了频繁的碰撞，造成换热片先产生裂纹，裂纹扩散后断裂，造成换热片间的间隙扩大，进而加剧了换热片的碎裂进程。