李鵬

(江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司，江蘇省徐州市221000)

0 引言

江蘇徐礦發(fā)電公司一期工程安裝2臺330MW機組，采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1065/17.5-II19型(單爐膛、單布風(fēng)板、不帶外置床)亞臨界循環(huán)流化床鍋爐。2臺機組分別于2009年10月29日和2010年2月5日順利通過168 h試運，投入生產(chǎn)。在此后的運行中，排渣系統(tǒng)故障率較高，易損設(shè)備更換頻繁，嚴(yán)重影響鍋爐高負(fù)荷、長周期運行能力。經(jīng)過技術(shù)改造，基本解決了排渣系統(tǒng)的問題，使機組的安全、穩(wěn)定運行得到了保證。

1 排渣系統(tǒng)概況

一期工程單臺鍋爐配備6臺靈式滾筒冷渣機，布置在爐后6m平臺上，屬典型的爐后側(cè)排渣方式。冷渣機的冷卻方式為“水主風(fēng)輔”。冷卻水取自汽輪機凝結(jié)水，流經(jīng)由冷渣機殼體夾層和筒內(nèi)回水管屏組成的循環(huán)管路，帶走筒體內(nèi)熱渣的熱量。風(fēng)冷系統(tǒng)的主、輔吸風(fēng)口接在負(fù)壓支管上，6臺冷渣機負(fù)壓支管由1根母管引到后豎井，推動冷渣機筒體內(nèi)的冷卻風(fēng)流動，同時形成負(fù)壓區(qū)域，減少灰塵外逸污染環(huán)境。在鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況及燃用校核煤種時，設(shè)計有100%的備用裕量，無論定期或連續(xù)排渣，保證排渣溫度在150℃以下并能長期運行。冷渣機排出的渣經(jīng)2路分支管分別落入2臺輸渣機的進(jìn)口，再經(jīng)鏈斗輸送至斗提機入口，最后由斗提機提升入渣倉暫存，定期由汽車送至灰場和綜合利用用戶［1］。

2 存在的問題

2.1 冷渣機進(jìn)渣管膨脹節(jié)漏渣

冷渣機進(jìn)渣管膨脹節(jié)的設(shè)計考慮了進(jìn)渣管在啟、停爐時的三維膨脹位移(豎直方向、爐膛中心線方向、鍋爐中心線方向)。鍋爐啟動時，進(jìn)渣管隨著水冷壁一起向下膨脹，膨脹節(jié)內(nèi)填充的耐火纖維毯被沿軸向壓實，從而起到密封作用。但在實際運行中，大量紅渣從膨脹節(jié)活動部分的縫隙中噴出，漏渣嚴(yán)重。分析膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)及渣流特性后，得出如下故障原因:

(1)此鍋爐為爐側(cè)排渣，排渣口位于布風(fēng)板上部28.7 mm處，為爐膛壓力最高點(表壓力為8.5 kPa左右)。由連通管原理可知，進(jìn)入冷渣機進(jìn)渣管的渣流壓力較高，如密封不嚴(yán)容易造成泄漏，并且一旦泄漏，因高速渣流具有很強的磨損能力，使創(chuàng)面迅速擴(kuò)大。

(2)冷渣機膨脹節(jié)采用擠壓式迷宮密封方式，密封填料為耐火纖維毯，雖然此材料的耐火性能較好(耐火溫度達(dá)1 000℃)，但耐沖擊性能較差，容易被正壓渣流沖散失效。

(3)冷渣機進(jìn)渣管為三維膨脹，鍋爐中心線方向、爐膛中心線方向的膨脹容易使膨脹節(jié)迷宮機構(gòu)出現(xiàn)較大縫隙，成為密封的薄弱環(huán)節(jié)，高速渣流沖破耐火纖維毯后形成直通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大量紅渣噴出。

(4)進(jìn)渣管內(nèi)部渣流溫度較高，可達(dá)到900℃左右，膨脹節(jié)內(nèi)部的迷宮壓板為12 mm厚的不銹鋼板，在高溫渣流的沖刷下變形嚴(yán)重，擠壓密封作用大大降低。

2.2 進(jìn)渣管與爐膛連接處管面開裂

在膨脹節(jié)改造前，管面即存在頻繁開裂現(xiàn)象，根本原因是膨脹量的設(shè)計值往往小于實際值，導(dǎo)致進(jìn)渣管在膨脹受阻的情況下，根部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。改為金屬波紋補償器后，雖然保證了進(jìn)渣管有較大的膨脹裕量，但并沒有消除裂紋的產(chǎn)生［2］。

進(jìn)渣管材料為0Gr25Ni20，外徑為219 mm，厚度為10 mm。機組在運行狀態(tài)時，進(jìn)渣管隨水冷壁發(fā)生三維位移，膨脹節(jié)處于被壓縮狀態(tài)，波節(jié)壓縮產(chǎn)生的反作用力直接作用于進(jìn)渣管。另外，在正常排渣狀態(tài)下，進(jìn)渣管處溫度為600℃左右，此種材料的蠕變溫度下限為540℃，因此在應(yīng)力集中點附近發(fā)生蠕變斷裂。

2.3 排渣系統(tǒng)連接管路磨損

排渣系統(tǒng)連接管路磨損方式為沖擊磨損，此種磨損是指煙氣、固體物料的流動方向與受熱面(或管束)呈一定的角度或相互垂直時，固體物料沖擊、碰撞受熱面而造成的磨損［3］。管路中主要的磨損部位為:

(1)冷渣機進(jìn)渣管上、下彎頭;

(2)冷渣機進(jìn)渣管膨脹節(jié)下部大小頭;

(3)冷渣機排渣人字管同型側(cè);

(4)輸渣機與斗提機的連接段;

(5)斗提機與渣倉的連接段。

上述部位都處于渣流的迎流面，形成一個特殊的區(qū)域，稱為靶面區(qū)。此處渣流沖擊角度較大(接近90°)，渣流密度高、流動速度快，致使靶面區(qū)管壁存在較為嚴(yán)重的沖刷磨損。根據(jù)運行經(jīng)驗，10 mm厚的不銹鋼管的磨損破壞周期大致為6個月。

進(jìn)渣管插入膨脹節(jié)中，與大小頭底部存在一定的膨脹間隙，當(dāng)鍋爐冷態(tài)時，插入管與大小頭軸線重合;當(dāng)鍋爐正常運行時，由于水冷壁三維膨脹位移，因此進(jìn)渣管插入段將偏離大小頭軸線，渣流順著進(jìn)渣管進(jìn)入大小頭時，沖刷大小頭側(cè)壁，導(dǎo)致磨損。由于渣流為正壓輸送，流速較快，導(dǎo)致大小頭磨損速度快、更換周期短，影響冷渣機長周期運行。

3 技改措施

3.1 冷渣機進(jìn)渣管膨脹節(jié)漏渣解決方案

綜合考慮冷渣機進(jìn)渣管膨脹節(jié)在三維膨脹、密封、渣流等方面的要求，決定取消原膨脹節(jié)，采用改進(jìn)型圓形金屬波紋補償器，如圖1所示。

圖1 冷渣機進(jìn)渣管膨脹節(jié)Fig.1 Sketch map of expansion joint of slag inlet pipe in slag cooler

此膨脹節(jié)由不銹鋼波節(jié)、耐火纖維毯、插入管、活動擋板、大小頭等組成，采用滿焊處理，沒有與外界相通的活動縫隙，不銹鋼波節(jié)可以吸收膨脹或者壓縮應(yīng)力，另外還起高溫環(huán)境下的密封作用。耐火纖維毯在壓縮狀態(tài)下，形成密封結(jié)構(gòu)，防止正壓灰渣竄入膨脹節(jié)內(nèi)部，造成波節(jié)超溫而影響使用壽命?；顒訐醢迮c插入管間保持一定的間隙，搭接在膨脹節(jié)下部封板上。下封板的開孔略大于插入管管徑，以滿足插入管的三維位移要求。目前，此膨脹節(jié)已使用了近3年，徹底解決了進(jìn)渣管的漏灰問題。

3.2 進(jìn)渣管與爐膛連接處管面開裂解決方案

蠕變現(xiàn)象的發(fā)生是溫度和應(yīng)力共同作用的結(jié)果。因此，金屬材料產(chǎn)生蠕變裂紋的必要條件為:溫度、應(yīng)力、時間。降低應(yīng)力集中截面處的溫度以及減小最大正應(yīng)力值是延長蠕變裂紋出現(xiàn)周期的有效途徑。

本文介紹一種設(shè)置于進(jìn)渣管與爐膛連接處的支護(hù)結(jié)構(gòu)，它能有效降低肋片處的溫度(＜400℃)，并且通過下襯板與肋片結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用，將應(yīng)力集中截面向作用力側(cè)移動，減小了危險點的最大彎矩及溫度(＜500℃)，從而起到延長蠕變裂紋出現(xiàn)周期的作用。該支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖如圖2(a)所示［4］。即

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力矩分析簡圖Fig.2 Torque analysis of supporting structure

假設(shè)下腹板長為x，則

式中:x為支護(hù)長度，m;F0為膨脹節(jié)反作用力，N;α為進(jìn)渣管安裝角，(°)。

已知運行狀態(tài)下，膨脹節(jié)反向作用力為［7］

式中:K為波紋管剛度，N/mm;S1為運行狀態(tài)下膨脹節(jié)軸向位移，m;n為膨脹節(jié)波數(shù)，個。

經(jīng)計算，F(xiàn)0=71 211.47 N;Nc=41 807.33 N;A=0.62 × 10－2m2;Wz=0.314 × 10－3m3。將計算值代入式(4)得x＞1.04m。

3.3 排渣系統(tǒng)防磨解決方案

3.3.1 進(jìn)渣管膨脹節(jié)大小頭處設(shè)置防磨結(jié)構(gòu)

基于被動防磨機理，在大小頭下部用外徑為219 mm，厚度為5 mm，高度為100 mm的鋼管與法蘭內(nèi)邊拼接，在大小頭內(nèi)壁焊上抓釘，上端呈一定坡度，砌筑防磨可塑料內(nèi)襯，如圖3所示。

圖3 膨脹節(jié)大小頭防磨內(nèi)襯Fig.3 Expansion rate of expansion joint and installation pre-stretching

冷渣機進(jìn)渣管受壓縮、彎曲組合作用，其軸力與彎矩圖如圖2(b)、(c)所示，危險截面(N-N截面)的應(yīng)力分布如圖2(d)所示，危險點在N-N截面的下邊緣，其值為［5］

式中:σmax為最大正應(yīng)力，Pa;σN為軸向拉應(yīng)力，Pa;σW為彎曲應(yīng)力，Pa;Nc為軸向拉力，N;A為危險截面面積，m2;Mc為彎矩，N·m;Wz為抗彎截面系數(shù)。

若要實現(xiàn)蠕變裂紋出現(xiàn)周期大于1萬h，則需滿足:

式中σ為N-N截面500 ℃、1萬h的持久強度［6］，MPa。

耐磨可塑料耐火度、永久線變化率、抗磨性等方面都優(yōu)于防磨澆注料，而且附著力強，不易脫落，敷設(shè)方便，成型簡單［8］。內(nèi)襯成型后硬度很大，可以吸收渣流的大部分沖擊力，另外，抓釘可防止內(nèi)部裂紋延伸貫穿至根部，導(dǎo)致大面積脫落。防磨內(nèi)襯有效地保護(hù)了大小頭內(nèi)壁，延長了使用壽命。

在安裝膨脹節(jié)時，要考慮機組啟動時進(jìn)渣管的三維膨脹。為保證膨脹節(jié)插入管在機組運行狀態(tài)下與膨脹節(jié)下口接管的同軸度，達(dá)到減輕側(cè)壁磨損的目的，需要預(yù)拉膨脹節(jié)的插入管，具體安裝要求如表1［9］所示。

3.3.2 進(jìn)渣管上下彎頭處設(shè)置防磨盒

在進(jìn)渣管上下彎頭處加裝防磨澆注料盒。為了保持局部磨損后受力結(jié)構(gòu)不失效，該防磨盒使用厚為5 mm的碳鋼板滿焊制作，半圓形側(cè)板內(nèi)側(cè)焊接抓釘，保持內(nèi)襯的防磨剛度，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

?

3.3.3 其他部位防磨措施

冷渣機排渣人字管同型側(cè)、輸渣機與斗提機的連接段、斗提機與渣倉的連接段流通面積較大，渣流只是沿靶面區(qū)分布，即使焊接10 mm長的直銷釘并敷設(shè)耐磨層，對渣流量也幾乎不產(chǎn)生影響。因此，這些部位的防磨可采取:切割靶面區(qū)，焊接銷釘，敷設(shè)耐磨可塑料，焊接還原結(jié)構(gòu)等方法。這樣既不破壞原有的流道結(jié)構(gòu)，又可取得很好的防磨效果，并且防磨層的壽命較長，一般為2～3年。

在敷設(shè)澆注料前，銷釘需預(yù)處理。抓釘受熱后的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐火材料的膨脹系數(shù)。如果抓釘不進(jìn)行涂瀝青預(yù)處理，直接與耐火材料澆注接觸，在金屬材料與耐火材料的接觸面上必然會形成網(wǎng)狀微裂紋，導(dǎo)致耐火材料開裂、脫落［10］。

4 結(jié)語

(1)進(jìn)渣管膨脹節(jié)的易損結(jié)構(gòu)為連接法蘭、插入管，每隔2年需更換這些構(gòu)件。

(2)加裝支護(hù)結(jié)構(gòu)后，進(jìn)渣管管面裂紋得以控制，蠕變裂紋出現(xiàn)周期從30天延長至1.5年，延長了進(jìn)渣管的使用壽命。

(3)大小頭防磨結(jié)構(gòu)更換周期為2年，上下彎頭防磨盒更換周期為2年。

(4)排渣人字管同型側(cè)、輸渣機與斗提機連接段、斗提機與渣倉連接段的防磨內(nèi)襯更換周期為2年。

［1］青島松靈電力環(huán)保設(shè)備有限公司.LGT系列靈式滾筒冷渣機安裝使用說明書［G］.青島:青島松靈電力環(huán)保設(shè)備有限公司，2011.

［2］王文安.關(guān)于高溫蠕變裂紋擴(kuò)展規(guī)律［J］.武漢水利電力學(xué)院學(xué)報，1979(14):84-85.

［3］周寶欣，常煥俊.循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)問答［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］徐本安，李秀治.材料力學(xué)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1988.

［5］畢勤勝，李繼剛.工程力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2007.

［6］《火力發(fā)電廠金屬材料手冊》編委會.火力發(fā)電廠金屬材料手冊［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［7］李永生，李建國.波形膨脹節(jié)實用技術(shù)——設(shè)計、制造與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［8］郝云馮，申政.耐磨可塑料在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2005，26(12):22-24.

［9］東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司.熱膨脹系統(tǒng)圖冊［G］.德陽:東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司，2011.

［10］席友軍，王寶平，王恩海，等.CFB鍋爐耐磨耐火澆注料脫落原因以及預(yù)防［J］.節(jié)能技術(shù)，2008(6):516-518.