循環流化床鍋爐外置式換熱器典型故障分析及處理

張子明

（國家能源集團開遠發電有限公司，云南 開遠 661600）

我國的三大鍋爐廠（東鍋、 哈鍋和上鍋）2003 年共同引進法國Alstom 公司200 ～350 MW等級循環流化床鍋爐技術，采用該技術，東鍋設計制造了秦皇島三期工程2 臺燃用貧煤的300 MW CFB 鍋爐，于2006 年11 月投入運行；哈鍋設計制造了云南開遠電廠2 臺燃用褐煤的300 MW CFB 鍋爐，于2006 年6 月投入運行；上鍋設計制造云南小龍潭電廠三期2 臺燃用褐煤的300 M W CFB鍋爐，于2007 年1 月投產。這一批300 MW級的亞臨界CFB 鍋爐采用的是同一種技術，均設計有外置式換熱器。機組投入運行后，由于外置式換熱器結構緊湊、結構復雜，對設計、制造、安裝技術要求高，加之我國各鍋爐制造廠對相關技術細節重視不夠，導致在鍋爐投產后外置式換熱器運行故障頻繁，嚴重影響了機組的安全運行。

1 外置式換熱器結構及工作原理

300MW 級引進型亞臨界循環流化床鍋爐共設計有4 臺外置式換熱器，鍋爐前墻左右各一臺多倉式換熱器，分別在倉內布置高溫再熱器管和低溫過熱器管，在空倉室、高溫再熱器管、低溫過熱器管之間用耐磨耐溫材料澆筑兩道隔墻；鍋爐后墻左右各布置一臺多倉式換熱器，分別在倉內布置中溫過熱器Ⅰ和中溫過熱器Ⅱ，在空倉室和中溫過熱器管之間用耐磨耐溫材料澆筑有一道隔墻。如圖1。

圖1 外置式換熱器結構示意圖

圖2 外置式換熱器內部結構示意圖

外置式換熱器內的換熱管被彎制成蛇形狀，多根換熱管并列組合成管屏，用換熱管或實芯吊桿懸空懸吊于外置式換熱器頂部殼體。如圖2。換熱管內流通再熱蒸汽和過熱蒸汽，換熱管外部被堆積的細顆粒床料和由分離器分離下來的高溫灰完全堆埋。換熱器底部布置有流化風帽，流化風經過風帽后吹入換熱器底部吹動床料、高溫灰作上下鼓泡運動，床料、高溫灰與換熱管形成強烈相對運動，外置式換熱器本質上是一個低速鼓泡床，流化風速一般小于 0.5m/s，通常在 0.3~0.5m/s 間變化。

2 外置式換熱器典型故障及原因分析

2.1 蛇形換熱管管卡固定功能失效

外置式換熱器內部蛇形換熱管管屏用懸吊管懸空懸吊于換熱器頂部，床料、高溫循環灰被流化風吹動做上下鼓泡運動，運動動能傳遞到被床料、高溫循環灰堆埋的換熱管管屏后造成管屏發生強烈振動，由于垂直安裝的懸吊管（懸吊桿）運動幅度小，而水平安裝的蛇形管尺寸長，運動幅度大，導致用來連接懸吊管（懸吊桿）和蛇形管的“蝴蝶管卡”（圖3）承受了較大應力，在高溫環境中蝴蝶管卡與半圓板之間的焊縫容易開裂使半圓板喪失對蛇形管的固定功能，蛇形換熱管失去約束而振動位移增大，與蝴蝶管卡相互碰磨導致換熱管管壁減薄泄漏。如圖4 中箭頭所示部位即為半圓板與蝴蝶管卡焊縫裂開后半圓板失去對蛇形管的固定，導致蛇形管移位與蝴蝶管卡發生碰磨。

圖3 蝴蝶管卡結構示意圖

圖4 蝴蝶管卡半圓板脫落

2.2 耐磨耐溫澆注料脫落

外置式換熱器為了抗磨和保溫，在金屬外殼內部安裝了耐磨耐溫澆注料。由于換熱器運行中溫度高、空間內細顆粒濃度大，高溫細顆粒對耐磨耐溫澆注料的沖刷磨損和撞擊磨損很嚴重。同時換熱器溫度場隨著鍋爐負荷和燃料變化相應變化，導致澆注料頻繁膨脹、收縮，極易產生裂紋導致澆注料脫落。目前國內在運的循環流化床鍋爐的外置式換熱器，均發生過不同程度的澆注料脫落。

某公司300MW 機組循環流化床鍋爐2019 年11 月26日8 號機組運行中外置式換熱器發生高溫再熱蒸汽管泄漏，緊急停爐后檢查發現81 號外置式換熱器頂部耐磨耐溫澆注料有1.4×5m2 的區域發生崩塌，殼體頂部鋼板有1×5m2 發生碳化彎曲變形，重約5 噸的澆注料跌落到高溫再熱蒸汽管上，砸壞了蒸汽管導致泄漏，見圖5。

圖5 外置式換熱器頂部澆注料脫落

故障原因分析：鍋爐安裝時，為了解決耐磨耐溫澆注料受熱膨脹問題，采用分塊澆筑的施工工藝，即澆注料塊與塊之間留有1-2cm 的膨脹縫，該膨脹縫在長周期運行過程中，密封性逐步降低，高溫煙氣穿過膨脹縫后對澆注料背面的爪釘及金屬頂板形成高溫烘烤，導致金屬頂板碳化，爪釘斷裂，澆注料坍塌；由于爪釘為Φ8不銹鋼圓鋼彎制而成，爪釘根部折角較小，彎制過程中會在折角處形成壓力集中。爪釘在高溫煙氣的長期烘烤下強度降低，最終不能承受耐磨耐溫澆注料重量而在壓力集中的折角處發生斷裂。本次脫落區域的澆注料爪釘大部分是從爪釘根部折角處斷裂。

3 外置式換熱器典型故障處理

3.1 蛇形換熱管管卡固定功能失效

蝴蝶管卡和半圓板的使用狀況對維持外置式換熱器的安全運行十分重要，必須堅持逢停必檢，發現蝴蝶管卡和半圓板損壞要及時進行修復或更換，防止由于管卡固定功能失效而導致水平蛇形換熱管運行中振動幅度過大與其他換熱管、管卡發生碰磨。由于每一根懸吊管（懸吊桿）對應兩組水平蛇形換熱管，在相鄰的兩個懸吊管（懸吊桿）固定的水平蛇形換熱管之間的縫隙間，用墊板塞緊水平蛇形換熱管，當半圓板和蝴蝶管卡損壞，固定功能失效時能有效限制水平蛇形換熱管的振動幅度，防止水平蛇形換熱管相互之間發生碰磨或與蝴蝶管卡發生碰磨，導致換熱管泄漏。安裝墊板時，在水平蛇形管上與墊板相對應的位置安裝防磨瓦保護換熱管，防止墊板與水平蛇形換熱管直接碰磨導致換熱管泄漏。墊板的安裝位置和結構如圖6 所示。

3.2 耐磨耐溫澆注料脫落

外置式換熱器殼體耐磨耐溫澆注料的脫落是一個逐漸發展的長期過程，在此過程中通常表現為換熱器殼體故障部位運行溫度逐漸升高。日常運行中要建立殼體重點部位的溫度監測檔案，發現超溫要及時報告，并對超溫部位進行持續跟蹤測溫。待機組停運檢修時，拆除超溫部位的外部保溫材料，對殼體金屬材料變形、碳化情況進行檢查。

當需要進行耐磨耐溫澆注料更換時，應把常規澆注料施工工藝由分塊澆筑改為整體澆筑，避免由于分塊澆筑時所預留的膨脹縫漏高溫煙氣導致高溫煙氣對爪釘和換熱器殼體進行烘烤；同時應把澆注料爪釘由原來的多折角圓鋼型爪釘改為一次成型扁鋼型爪釘，解決折角處應力集中及爪釘根部焊接面過小的問題。如圖7 所示。

圖6 墊板結構示意圖

圖7 爪丁改進示意圖

4 結語

蛇形換熱管管卡固定功能失效和耐磨耐溫澆注料脫落是循環流化床鍋爐外置式換熱器的典型故障。而經過發電企業在實際工作中的探索，采用以下兩方面的處置措施后，能有效解決外置式換熱器的典型故障。

一方面，通過加強設備檢修管理，在故障早期及時發現故障源并進行有效處置避免故障擴大；另一方面，通過完善設備安裝工藝來提高設備使用壽命：①對蛇形換熱管固定工藝進行改進，可有效避免由于蛇形換熱管管卡固定功能失效導致換熱管泄漏；②對耐磨耐溫澆注料的施工工藝和爪釘結構進行革新，可避免耐磨耐溫澆注料的脫落。