回轉式空氣預熱器換熱元件碎裂原因分析及預防

陳 平,祁青福,馬 駿,嚴彩兄

（酒鋼集團宏晟電熱公司，甘肅嘉峪關 735100）

前言

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

1 空氣預熱器結構及工作原理

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式空氣預熱器。空氣預熱器的轉子直徑為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。空預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軸向外又按照圓周的大小依次布置有5個蓄熱元件。

回轉式空氣預熱器在鍋爐運行過程中持續保持旋轉，其蓄熱元件位于煙氣側的部位，隨高溫煙氣的排出爐內流動而吸熱，蓄熱元件溫度與其部位對應的煙氣溫度存在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，煙氣溫度由進入空預器前的360～380 ℃下降到排出時的120～150 ℃；其蓄熱原件位于空氣側的部位，20～40 ℃的冷空氣自下而上逆流進入空預器，與空預器蓄熱元件進行換熱，最終被加熱為360 ℃的熱空氣，一部分作為一次風進入制粉系統制備煤粉后進入爐膛，一部分作為二次風直接進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器蓄熱元件內碰撞、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，造成空預器阻力的增加。

為減少鍋爐空氣預熱器的堵灰，每臺預熱器在煙氣側熱端裝有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吹灰器。吹灰器采用電機驅動,齒輪-齒條行走機構。蒸汽吹灰器電動機型號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。雙介質吹灰器電動機型號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。吹灰器在伸進預熱器的行程中吹灰(約需時13 min),退出時進汽閥關閉,每一次吹灰周期蒸汽耗量約為1 000 kg。吹灰蒸汽在空預器冷端會發生冷凝，對加劇煙氣中灰塵沾污到蓄熱元件表面的速率。

2 空氣預熱器換熱元件碎裂的現象

空氣預熱器自轉子中心向外，每組均有蓄熱件5 格，發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、換熱片可產生橫向位移的現象。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。蓄熱元件碎裂現象如圖1。

圖1 空預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

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

（1）換熱片材質與設計不符，運行一段時間后發生碎裂現象。

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

（3）空氣預熱器的吹灰頻次過高，造成換熱片碎裂。

（4）預熱器蓄熱元件內的換熱片安裝數量不足，使換熱片間存在可移動的間隙，機組運行吹灰時，在吹灰蒸汽壓力的作用下，使換熱片發生頻繁的互相碰撞，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，進行了逐項檢測、檢查和分析，具體結論如下：

（1）對換熱片材質進行了光譜檢測，確定350 MW 機組鍋爐空預器上層換熱片的材質為碳鋼，排除了材質與設計不符的問題。

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

（3）通過對運行吹灰趨勢的調閱，確定2 臺350 MW 機組鍋爐空預器的吹灰器，基本按照每天3 次的頻次進行吹灰，機組投運后的總運行時間約500 天，總吹灰次數約1 500 次左右。而該廠2 臺300 MW 機組于2007 年底投產，運行已超過7 年，空預器的吹灰頻次也按照3次/天的標準執行，對空預器的總吹灰次數已超過6 000 次，但兩臺300 MW 機組鍋爐的空預器換熱片均沒有碎裂的現象，因此，可基本排除吹灰頻次過高造成空預器換熱片碎裂的懷疑。

（4）在將空氣預熱器的蓄熱元件吊出后，仔細對蓄熱元件中換熱片的安裝情況進行了比對，換熱片已碎裂的蓄熱元件中，存在明顯的可移動間隙，換熱片可隨意的進行擺動，但由于換熱片已碎裂，無法判斷是否在原始狀態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行檢查，發現廠家在安裝換熱片時，蓄熱元件框架內存在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，無碎裂現象

3.3 原因確定

通過以上分析，可確定導致350 MW 機組回轉式空氣預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，在機組運行過程中，換熱片在較高壓力吹灰蒸汽的反復推動下，與相鄰的換熱片發生了頻繁的碰撞，造成換熱片先產生裂紋，裂紋擴散后斷裂，造成換熱片間的間隙擴大，進而加劇了換熱片的碎裂進程。

4 預防措施

針對回轉式空氣預熱器蓄熱元件換熱片碎裂的問題，制定了預防措施并進行長期執行，取得了較好的效果。

（1）對空氣預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側加裝墊片的方式，將換熱片頂緊，達到防止在運行過程中出現擺動碰撞的目的。

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

（3）機組運行過程中，強化吹灰蒸汽的管理，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的急劇變化而碎裂。

（4）每年結合檢修，對空預器吹灰蒸汽的壓力進行標定調整一次，保證吹灰蒸汽壓力在規定范圍。

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

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 機組鍋爐空預器運行以來，已經過了長達5年的時間，再沒有發生因空預器換熱元件碎裂而導致的空預器出入口差壓上升問題。