回转式空气预热器换热元件碎裂原因分析及预防

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。

4 预防措施

针对回转式空气预热器蓄热元件换热片碎裂的问题，制定了预防措施并进行长期执行，取得了较好的效果。

（1）对空气预热器已安装的换热片未充填紧密的蓄热元件，通过在蓄热件骨架内侧加装垫片的方式，将换热片顶紧，达到防止在运行过程中出现摆动碰撞的目的。

（2）对重新定制的蓄热元件，在技术协议中提出了要求，通过提高制造和质量验收标准的方式，督促厂家在蓄热元件制作过程中严格充填换热片，确保充填的紧密度。

（3）机组运行过程中，强化吹灰蒸汽的管理，在每次吹灰前，必须将吹灰蒸汽阀前的温度通过疏水提高到300 ℃以上，防止管道内存在的冷凝积水在吹灰初期造成蓄热元件表面换热片材质的急剧变化而碎裂。

（4）每年结合检修，对空预器吹灰蒸汽的压力进行标定调整一次，保证吹灰蒸汽压力在规定范围。

（5）在机组检修过程中进行空预器蓄热元件内部的冷态高压冲洗时，要求施工人员按照与换热片基本平行的状态对高压冲洗水枪进行控制，防止保持角度冲洗造成换热片的损坏，并在冲洗结束后进行全面检查。

5 取得的效果

通过实施将蓄热元件填充紧密的方式，自2015年再次投入该2 台350 MW 机组锅炉空预器运行以来，已经过了长达5年的时间，再没有发生因空预器换热元件碎裂而导致的空预器出入口差压上升问题。