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直燃式溴化锂机组高、低温换热器故障分析
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介绍了机组燃烧炉膛破裂的故障情况,分析了故障原因,给出了解决方案。
关键词：直燃式溴化锂机组 高温换热器 低温换热器 溶液 结晶
1 机组概况
笔者所在单位的冷热源站房共有直燃式溴化锂双效机组15台,单台机组制冷量/制热量为3516kW/2830kW。机组由以下部件组成:蒸发器,吸收器,冷凝器,高、低压发生器,高、低温溶液换热器,溶液泵,抽气系统,控制系统,燃烧器及其他辅助系统。机组运行原理为:高真空状态下水的沸点很低,制冷剂水蒸发从而冷却蒸发器管内的循环水;制冷剂泵使制冷剂水循环喷淋在蒸发器管簇上,增强换热效果。图1为系统循环图。
2 故障情况
由15台机组供应全厂办公和工艺所需的冷水或热水,要求出水温度保持为7℃。对机组定期进行正规保养,并且实行点检、巡检制度,机组一直安全运行。但是在2004年,4#机组7月26~30日正常运行后关机,8月6日重新开机运行0.5h后,溶液泵出现抽空现象,声音异常,抖动明显,立即进行了停机处理。维修人员对该机组进行密闭性检验,发现机组高压发生器筒体下侧(近燃烧室一端)开裂。由于当时为空调使用旺季时间,机组不能停止供冷,无法检修4#机组。等到了过渡季节,停止运行机组,放空天然气,焊接裂缝并更换溶液泵。11月24日开机运行20min后,出现溶液泄漏现象,检测机组发现高压发生器筒体另一端下侧(远离燃烧室一端)开裂。为了安全起见和找到故障的根本原因,将机组高温换热器和高压发生器分隔开来,并对高温换热器进行检漏,发现浓溶液侧打进的氮气很快和稀溶液侧连通,表明高温换热器出现了严重穿透现象。
3 故障原因分析
一般来说,溴化锂机组容易发生结晶的部位在高温换热器浓溶液侧和浓溶液出口处,因为这里是溶液浓度及浓溶液温度处。但是4#机组两次结晶均出现在高压发生器,次为高压发生器本体和高压发生器进口处;第二次为高压发生器本体和高压发生器进、出口处,说明是由于短时间内进入机组高压发生器的溶液量过少,使得溶液浓度过高而在高压发生器处发生结晶,在此基础上分析4#机组出现开裂的原因。
3.1 次开裂
由于无法用直观的方法检测以及没有详细、准确的数据可用于对比说明问题,目前只能通过现象分析可能的原因。
1)种可能性为高压发生器筒体受应力开裂。如果是这种情况,那么由于加热压力高于大气压力,加之金属的热膨胀,一般不会再有大量空气漏入,结果将是只要真空泵能够抽除泄入的不凝性气体,就不会导致机组较为严重的结晶现象。另外,机组运行8年,一直很正常,并且筒体为结构件,出厂前进行过详细的检测,虽然无法通过运行数据及时发现筒体是否出现裂缝,但是通过上面的分析可知,高压发生器由于受筒体应力而开裂的可能性较小。
2)第二种可能性为高温换热器发生泄漏。稀溶液进入换热器壳层浓溶液侧,使得进入高压发生器的稀溶液循环量减小,同时高压发生器继续被加热,其内溶液浓度迅速升高,所以高压发生器内部出现严重的结晶固化现象,高压发生器筒体在结晶处发生应力变形而开裂。
3.2 第二次开裂
第二次开裂出现在高压发生器筒体的现象表明高温换热器穿透,稀溶液进入换热器壳层浓溶液侧,使得进入高压发生器的稀溶液循环量减小,出现严重的结晶固化现象,结果高压发生器筒体在结晶处或筒体的裂缝损伤处发生应力变形、破损。
从上面分析可知,4#机组高压发生器炉膛发生开裂的原因是高压换热器发生穿透的可能性较大,但由于机组刚运行不久,没有运行数据,且高温换热器为封闭的换热器,目前只安装了一个温度传感器,所以无法直观、及时和准确地确定高温换热器的实际运行情况。
4 解决方案
4.1 高压发生器烟管的腐蚀和炉膛受损裂纹通过
实验或探伤检测后决定解决方案(修补或更换)。
4.2 更换高温换热器,避免使用钢管换热器,改进工艺。
4.3 拆解检验已穿透的高温换热器,确定缺陷的类型和产生原因(弯曲应力、热应力、冲刷减薄及腐蚀),以便确定对应的解决措施。
5 拆解分析
根据前面的解决方案,对4#机组进行了维修,通过拆解更换下来的换热器,分析缺陷产生的原因,以供维修同类型机组时借鉴。
5.1 检验
5.1.1 换热器的检验
从外观上无法检测高、低温换热器的泄漏状态。检测时首先将高、低温换热器的进、出口管道与机组隔离,封闭进、出口。在高、低温换热器的壳层或管层安装压力表,然后充入氮气以确认换换器是否泄漏。在壳侧充入氮气后,发现管侧和壳侧压力表的读数很快持平,说明管、壳侧已经发生严重的连通、穿透现象。其次对拆解下来的热换器进行外观检查,确定缺陷的类型和产生原因。
5.1.2 换热器钢管及折流板检测
将换热器靠近顶面的中间段割开300mm×1000mm的方孔,观察部分折流板和换热管,发现以下现象:
1)部分裸露的管子外表面有冲刷侵蚀的麻坑。
2)折流板明显减薄,壳体无明显损伤。
3)从上层取9根样管检查,发现管子和折流板接合处损伤严重,几乎每根管子和折流板的接合处都有不同程度的损伤,管壁变薄甚至破裂。其中1根管子与折流板接合处检测到的壁厚仅为0.2~0.3mm,而另一根管子能直接看见穿孔(1mm×3mm大小),见图2~4。
5.2 缺陷分析
高温换热器内共有480根左右直径10mm、壁厚0.8mm的有缝钢管。从高温换热器检测结果来看,钢管产生泄漏的位置主要集中在钢管和折流板的接合处。钢管变薄和其与折流板接合处损伤、破裂是高、低温换热器损坏的主要原因。
1)钢管的耐腐蚀能力较差。
2)换热器钢管内流动的是稀溶液,管外壳内
流动的是浓溶液,钢管穿插固定于折流板的孔内。
钢管内稀溶液为定向流动,壳内浓溶液被折流板改变流动方向,降低了流速,增强了换热,但也使钢管产生微小的摆动,所以容易在折流板接合处造成损伤,从而引起泄漏。
3)折流板较薄,易发生变形。变形的折流板给换热管施加剪切力,使其受热时不能自由膨胀,一端在折流板处受阻,另一端受热应力拉伸减薄甚至破裂。
6 建议和措施
6.1 完善检测手段,对整个机组,特别是高温换热器和低温换热器的运行参数要严格控制。增加温度传感器,改造现有电控箱和完善检测软件,使全部检测数据都能传到计算机上显示和保存,同时完善运行记录表。改造原则是尽量利用原有资源,进行小的改造,达到实时控制和监测机组的目的。通过对运行数据进行对比分析,可以知道机组是否处于正常运行状态,便于发生故障时及时对机组进行调整和处理。根据每天的检查结果,可有效地进行预防管理。
6.2 换热管更换成耐腐蚀性较强的镍铜管。
6.3 增强折流板的厚度,同时改善换热器的加工工艺。
6.4 针对改进后的检测系统,完善开、停机和运行过程中的数据、故障分析,完善操作指导书内容,同时加强培训。
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