劉光奎 梁 奎 鄭景河 陶 磊

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)

循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器典型結(jié)構(gòu)及定期檢驗(yàn)重點(diǎn)

劉光奎 梁 奎 鄭景河 陶 磊

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)

本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外不同技術(shù)流派循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器的典型結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，歸納了在役鍋爐外置式換熱器的常見(jiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題產(chǎn)生原因并給出處理建議。根據(jù)《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》，結(jié)合外置式換熱器檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，明確了外置式換熱器定期檢驗(yàn)過(guò)程中的檢驗(yàn)重點(diǎn)和常見(jiàn)缺陷。

循環(huán)流化床 外置式換熱器 定期檢驗(yàn)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)是一種新型的清潔煤燃燒技術(shù),具有燃燒效率高、燃料適用范圍廣、爐內(nèi)脫硫效率高、NOx排放量小、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大等優(yōu)點(diǎn)。外置換熱器是布置在CFB鍋爐灰循環(huán)回路上的一種熱交換器,將循環(huán)灰載有的部分熱量傳遞給其內(nèi)的受熱面,起到更靈活的調(diào)節(jié)床溫、過(guò)熱汽溫和再熱汽溫的作用。國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者致力于床內(nèi)物料輸送和控制機(jī)理以及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面的研究工作[1-4],但是在實(shí)際運(yùn)行中外置式換熱器仍存在許多問(wèn)題,困擾鍋爐運(yùn)行人員。本文歸納了在役鍋爐外置式換熱器的常見(jiàn)問(wèn)題及處理建議,明確了外置式換熱器定期檢驗(yàn)過(guò)程中的檢驗(yàn)重點(diǎn)和常見(jiàn)缺陷,對(duì)國(guó)內(nèi)CFB鍋爐運(yùn)行和檢驗(yàn)人員具有一定的借鑒意義。

1 外置換熱器的典型結(jié)構(gòu)

按照灰調(diào)節(jié)方式分類,外置式換熱器可以分為機(jī)械式和氣動(dòng)式兩種。機(jī)械式外置式換熱器以德國(guó)Lurgi公司技術(shù)為代表,氣動(dòng)式外置式換熱器以美國(guó)Foster Wheeler公司開(kāi)發(fā)的整體式返料換熱器為代表。

1.1 Lurgi型外置式換熱器

德國(guó)Lurgi公司研究開(kāi)發(fā)的外置換熱器如圖1所示。高溫旋風(fēng)分離器分離下來(lái)的高溫物料一部分通過(guò)回料閥直接返回爐膛,另一部分通過(guò)水冷錐形閥進(jìn)入外置換熱器冷卻后返回爐膛[5]。我國(guó)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)設(shè)計(jì)制造的300MW循環(huán)流化床鍋爐采用4個(gè)此類型的外置式換熱器,其中2個(gè)外置式換熱器內(nèi)布置高溫再熱器和低溫過(guò)熱器,另外2個(gè)外置式換熱器內(nèi)分別布置中溫過(guò)熱器I或中溫過(guò)熱器II。

圖1 德國(guó)Lurgi型外置式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 整體式返料換熱器

美國(guó)福斯特惠勒公司開(kāi)發(fā)了一系列整體式返料換熱器(Integrated Recycle Heat Exchange Bed,INTREX),采用氣動(dòng)方法控制灰量分配。既可以緊靠后墻布置,與爐膛連為一體,也可以獨(dú)立布置,兼具回料閥和外置換熱器的雙重作用[6]。

當(dāng)外置換熱器與爐膛連為一體時(shí),有兩種具體的布置形式,一種為“底流式”布置方式,另一種為“溢流式”布置方式。前者冷卻室底部靠近后墻一側(cè)布置若干開(kāi)口,通過(guò)上行通道與爐膛連通,調(diào)節(jié)上行通道的流化風(fēng)速可改變流經(jīng)換熱管束的循環(huán)灰量;后者的進(jìn)料通道與冷卻室并排布置,隔墻下部開(kāi)有床料通道,進(jìn)料通道內(nèi)的高溫灰由此進(jìn)入冷卻室。冷卻室中布置過(guò)熱器或再熱器受熱面,循環(huán)灰上行流經(jīng)換熱管束后溢流進(jìn)入呈流化態(tài)的返料通道,最終回到爐膛下部區(qū)域。

獨(dú)立布置的INTREX換熱器的結(jié)構(gòu)與“溢流式”INTREX換熱器類似,差別在于換熱器整體獨(dú)立于爐膛布置,返料通道在靠近爐墻側(cè)具有自己獨(dú)立的隔墻,返料通道底部布置有排灰管道,與爐膛下部相連。

1.3 緊湊式分流回灰換熱器

西安熱工研究院開(kāi)發(fā)了緊湊式分流回灰換熱器專利技術(shù),采用氣動(dòng)控制原理調(diào)節(jié)循環(huán)灰的分流比例。其工作原理是在旋風(fēng)分離器立管下的灰分配室采用氣動(dòng)控制方式將循環(huán)灰分為兩部分,一部分流向高溫回灰管返回爐膛,另一部分流向布置有換熱面的外置式換熱器,然后流向低溫回料室,再經(jīng)低溫回灰管返回爐膛[7]。

1.4 非機(jī)械閥控制外置式換熱器

浙江大學(xué)提出了一種非機(jī)械閥控制外置式換熱器,把Loopseal返料機(jī)構(gòu)和外置式換熱器結(jié)合在一起,通過(guò)控制進(jìn)入二者的風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)高溫物料量的分配[8]。通過(guò)調(diào)節(jié)Loopseal返料室流化風(fēng)、Loopseal進(jìn)料室松動(dòng)風(fēng)、側(cè)吹風(fēng)、外置換熱器進(jìn)料室松動(dòng)風(fēng)以及換熱床的流化風(fēng)等實(shí)現(xiàn)外置式換熱器和返料機(jī)構(gòu)的聯(lián)合控制。

1.5 一體化外置式換熱器

重慶大學(xué)提出了一種非機(jī)械控制的一體化外置式換熱器,橫截面如圖2所示[9,10]。物料經(jīng)過(guò)立管進(jìn)入中心室,通過(guò)中心室隔墻底部的開(kāi)孔進(jìn)入分配室;分配室中的物料一部分翻過(guò)隔板進(jìn)入返料室,另一部分通過(guò)底部開(kāi)孔進(jìn)入換熱室,流經(jīng)受熱面后再翻過(guò)隔板返回到返料室。來(lái)自分配室和換熱室的物料在返料室中混合后返回爐膛。

圖2 重慶大學(xué)開(kāi)發(fā)的一體化外置式換熱器橫截面示意圖

2 運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題及原因

2.1 錐形閥卡澀及磨損

對(duì)于采用錐形閥控制高溫循環(huán)灰流量的外置式換熱器,在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)不動(dòng)或卡澀的情況。其主要原因是錐形閥入口被異物(如耐火材料等)堵住,或者錐形閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。

錐形閥的閥頭和閥桿與高溫物料直接接觸,受到流經(jīng)的高溫灰的沖刷磨損。閥桿與固定部分通過(guò)盤根密封,如盤根出現(xiàn)密封不嚴(yán),流經(jīng)閥體的高溫灰在正壓作用下從盤根處向外泄露,使閥桿磨損。

2.2 受熱面爆漏

外置式換熱器受熱面爆漏的主要現(xiàn)象包括:給水流量明顯大于主蒸汽流量;外置式換熱器內(nèi)有較大的異常聲響;外置式換熱器內(nèi)各點(diǎn)溫度均低于正常值;過(guò)熱器泄露或爆管時(shí)兩側(cè)主蒸汽溫度偏差大,再熱器泄露或爆管時(shí)再熱蒸汽壓力降低且鍋爐負(fù)荷下降。原因主要有受熱面管材質(zhì)不合格或檢修質(zhì)量差、受熱面管磨損或者過(guò)熱等。

2.3 受熱面超溫

影響外置式換熱器運(yùn)行性能的因素包括汽側(cè)和灰側(cè)兩個(gè)方面,汽側(cè)的影響因素包括進(jìn)汽溫度的差異、蒸汽流量的偏差等,灰側(cè)的影響因素包括鍋爐負(fù)荷、進(jìn)口灰溫以及流化風(fēng)量等。上述因素導(dǎo)致不同管屏出口汽溫偏差較大,而且同屏不同管子之間也存在一定汽溫偏差。當(dāng)汽溫偏差過(guò)大時(shí)將導(dǎo)致個(gè)別受熱面管超溫。鍋爐運(yùn)行時(shí)應(yīng)密切關(guān)注受熱面壁溫分布及熱偏差,尤其對(duì)經(jīng)常發(fā)生超溫的管子應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。

2.4 流化風(fēng)量降低

當(dāng)外置式換熱器內(nèi)有耐磨耐火材料脫落到風(fēng)帽上時(shí),會(huì)出現(xiàn)流化風(fēng)量降低的現(xiàn)象。如果是外置式換熱器的空室或者錐形閥至空室的連接管段堵塞,可開(kāi)啟空室或連接管段的壓縮空氣吹掃閥進(jìn)行輔助流化;短時(shí)間提高流化風(fēng)壓力,進(jìn)入外置式換熱器的流化風(fēng)量增加,可改善流化效果;外置式換熱器每個(gè)倉(cāng)室都設(shè)有事故排灰管,當(dāng)某個(gè)倉(cāng)室流化不良時(shí)可排出部分物料,以改善流化效果。

3 定期檢驗(yàn)重點(diǎn)及常見(jiàn)缺陷

3.1 查閱鍋爐技術(shù)資料

查閱鍋爐運(yùn)行日志、受熱面管超限(超溫、超壓)統(tǒng)計(jì)表及承壓部件檢修臺(tái)賬,檢查外置式換熱器在運(yùn)行過(guò)程中是否出現(xiàn)受熱面管超溫過(guò)熱、超壓、泄露、爆管等現(xiàn)象。如發(fā)生過(guò)此類現(xiàn)象,應(yīng)查閱原因分析、規(guī)律總結(jié)、對(duì)策研究、處理方法等相關(guān)資料,查看是否采取具有針對(duì)性的技術(shù)措施避免此類現(xiàn)象再次發(fā)生。對(duì)于超溫超壓次數(shù)頻繁或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的鍋爐,應(yīng)及時(shí)分析原因,加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控并采取可靠措施,保證鍋爐具備安全運(yùn)行的條件,且應(yīng)提供全面詳細(xì)的技術(shù)資料;查閱外置式換熱器膨脹量記錄,查看歷次啟停爐過(guò)程中膨脹量記錄中的節(jié)點(diǎn)及位置是否齊全,膨脹量是否符合設(shè)計(jì)要求等;查閱外置式換熱器檢修文件包等,包括其自投運(yùn)以來(lái)歷次檢修內(nèi)容、工藝要點(diǎn)、質(zhì)量要求以及驗(yàn)收結(jié)果等。

此外,對(duì)于首次定期檢驗(yàn)的鍋爐,應(yīng)查閱外置式換熱器設(shè)計(jì)、制造、安裝和機(jī)組調(diào)試的相關(guān)資料。如果外置式換熱器在安裝過(guò)程中存在設(shè)計(jì)變更,則需要查閱變更的圖紙及相關(guān)技術(shù)資料。

3.2 受熱面管磨損

外置式換熱器實(shí)際上是一個(gè)細(xì)顆粒的鼓泡流化床,雖然流化風(fēng)速不高,床內(nèi)的物料顆粒直徑也較小,但由于受熱面長(zhǎng)期埋在流動(dòng)的循環(huán)灰中,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重,時(shí)常發(fā)生因磨損導(dǎo)致受熱面爆管事故,如圖3所示。在檢驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)仔細(xì)查看床內(nèi)受熱面的宏觀可見(jiàn)部位是否存在磨損。此外,檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)確認(rèn)受熱面管對(duì)接焊縫余高是否經(jīng)過(guò)打磨,如未打磨,應(yīng)重點(diǎn)檢查宏觀可見(jiàn)的焊縫位置是否存在磨損現(xiàn)象,如圖4所示。

圖3 外置式換熱器受熱面管磨損現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)照片

圖4 外置式換熱器受熱面管焊縫磨損現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)照片

3.3 異種鋼焊接接頭失效

外置式換熱器普遍存在異種鋼焊接接頭,表1所示為國(guó)內(nèi)典型循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器管子的選用材質(zhì)。雖然在設(shè)計(jì)時(shí)將異種鋼焊接接頭布置在床體以外,但是外置式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及運(yùn)行條件決定了其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不可避免的存在振動(dòng),特別是鍋爐啟停及負(fù)荷快速升降時(shí),各倉(cāng)室內(nèi)的流化風(fēng)量發(fā)生較大變化,破壞了原有的平衡,異種鋼焊接接頭處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭處產(chǎn)生環(huán)向裂紋而失效。定期檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)對(duì)不同部位的異種鋼焊接接頭進(jìn)行抽查,采用宏觀檢驗(yàn)和滲透檢測(cè)相結(jié)合的方式,若發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷應(yīng)擴(kuò)大檢驗(yàn)檢測(cè)比例,必要時(shí)可100%檢測(cè)。

表1 國(guó)內(nèi)典型循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器受熱面管選用材質(zhì)

3.4 碰磨

外置式換熱器受熱面管屏的固定及吊掛方式普遍采用相鄰管屏共用兩根吊掛管的結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際運(yùn)行中,受到床內(nèi)流化物料的作用,外置式換熱器不可避免的發(fā)生振動(dòng),管子和固定裝置之間發(fā)生相對(duì)位移并循環(huán)往復(fù),接觸的位置容易發(fā)生碰磨。當(dāng)鍋爐運(yùn)行工況發(fā)生變化或床內(nèi)流化不均勻時(shí),碰磨現(xiàn)象更加嚴(yán)重。另外,外置式換熱器管在穿墻部位采用密封盒和套管結(jié)構(gòu),并且穿過(guò)外置床內(nèi)一定厚度的澆注料,穿墻處管子易產(chǎn)生碰磨,在檢驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)予以足夠重視。

3.5 膨脹節(jié)失效

回料器與外置式換熱器、外置式換熱器與下部爐膛之間均采用膨脹節(jié)進(jìn)行連接。由于循環(huán)流化床鍋爐設(shè)置多個(gè)膨脹中心,鍋爐運(yùn)行后各部分之間膨脹量差異較大,甚至產(chǎn)生多維膨脹位移,并且隨運(yùn)行工況變化,因此膨脹節(jié)受力情況復(fù)雜,容易造成疲勞失效或泄露。而且,外置式換熱器范圍內(nèi)的膨脹節(jié)工作環(huán)境較為惡劣,被管內(nèi)呈密相流動(dòng)的高溫循環(huán)灰燒壞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。在檢驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)詳細(xì)檢查膨脹節(jié)是否出現(xiàn)失穩(wěn)變形、表面裂紋、泄露及燒損等情況,保證膨脹節(jié)工作的可靠性。

3.6 密封盒損壞

外置式換熱器呈正壓狀態(tài)運(yùn)行,在受熱面管穿墻位置采用了填料密封結(jié)構(gòu),在穿墻處,設(shè)置一個(gè)四周與外置式換熱器外殼焊在一起的密封盒,穿墻管在穿過(guò)密封盒的地方設(shè)置有使穿墻管能夠自由膨脹的套管,密封盒內(nèi)充滿密封填料,在外置床內(nèi)側(cè)還澆注了一層耐火密封料。內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)查看密封裝置焊接位置是否開(kāi)裂、泄漏,能否保證受熱面管的自由膨脹,受熱面管與套管之間是否存在碰磨現(xiàn)象等。

3.7 進(jìn)、出口集箱檢驗(yàn)

在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中,進(jìn)、出口集箱的常見(jiàn)的缺陷包括集箱環(huán)焊縫(包括集箱筒體與封頭的對(duì)接焊縫)裂紋、管座角焊縫裂紋、焊縫埋藏缺陷等。對(duì)9%～12%Cr系列鋼材料制造的集箱,由于熱處理工藝不當(dāng)?shù)仍?金相組織異常和硬度值異常等缺陷也時(shí)有發(fā)生。此外,對(duì)集箱表面以及吊掛支撐裝置的宏觀檢查也是必不可少的。進(jìn)、出口集箱為大口徑厚壁部件,是外置式換熱器重要的組成部分,必須嚴(yán)格按照《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求的項(xiàng)目、方法和比例進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.8 風(fēng)帽檢查

風(fēng)帽是外置式換熱器實(shí)現(xiàn)均勻布風(fēng)、維持內(nèi)部合理的氣固流動(dòng)以及維護(hù)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)宏觀檢查風(fēng)帽的固定情況及損壞和磨損情況,全面檢查風(fēng)帽有無(wú)脫落,并檢查所有風(fēng)帽是否存在松動(dòng)現(xiàn)象,并做好相應(yīng)記錄。

3.9 固定裝置缺陷

外置式換熱器采用的固定裝置包括受熱面管的橫向定位管卡和縱向定位管卡,吊掛管的上、下限位裝置以及膨脹彎處的吊桿等。鍋爐運(yùn)行后經(jīng)常發(fā)現(xiàn)固定裝置變形、開(kāi)裂和脫落等情況,如圖5所示。內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)查看所有宏觀可見(jiàn)的固定裝置,并對(duì)缺陷位置和損壞情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。

圖5 外置式換熱器固定裝置缺陷現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)照片

4 結(jié)論

采用外置式換熱器是解決大型循環(huán)流化床鍋爐受熱面布置問(wèn)題的有效手段,目前已得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,外置式換熱器主要存在錐形閥卡澀或磨損、受熱面爆漏、受熱面超溫、流化風(fēng)量異常降低等問(wèn)題,影響其工作的可靠性。根據(jù)《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》,結(jié)合外置式換熱器檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),明確了外置式換熱器定期檢驗(yàn)過(guò)程中的常見(jiàn)缺陷和檢驗(yàn)重點(diǎn),對(duì)國(guó)內(nèi)CFB鍋爐運(yùn)行、檢修和檢驗(yàn)人員具有一定的指導(dǎo)意義。

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Typical Structure and Periodical Inspection Focus of External Heat Exchanger of Circulating Fluidized Bed Boiler

Liu Guangkui Liang Kui Zheng Jinghe Tao Lei
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The typical structure and technical characteristics of the external heat exchanger of circulating fl uidized bed boiler were introduced in this paper, including those made by different technical schools. The common problems of the external heat exchanger during operation were generalized, and the cause of the problems and processing recommendations were analyzed. According to the "Boiler Periodical Inspection Regulation", combined with the experience of external heat exchanger inspection, inspection focus and common defects of the external heat exchanger were given clearly.

Circulating fl uidized bed External heat exchanger Periodical inspection

X933.2

B

1673-257X(2017)11-0022-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.007

劉光奎（1986～)，男，博士研究生，高級(jí)工程師，從事電站鍋爐檢驗(yàn)檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)的相關(guān)研究工作。

劉光奎，E-mail： liuguangkui@csei．org．cn。

中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院博士基金項(xiàng)目“CFB鍋爐外置換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化及定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：BSJJ-2015-08）

2017-05-05）