徐礦電廠鍋爐排渣系統技術改造

李鵬

(江蘇徐礦綜合利用發電有限公司，江蘇省徐州市221000)

0 引言

江蘇徐礦發電公司一期工程安裝2臺330MW機組，采用東方鍋爐廠生產的DG1065/17.5-II19型(單爐膛、單布風板、不帶外置床)亞臨界循環流化床鍋爐。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。在此后的運行中，排渣系統故障率較高，易損設備更換頻繁，嚴重影響鍋爐高負荷、長周期運行能力。經過技術改造，基本解決了排渣系統的問題，使機組的安全、穩定運行得到了保證。

1 排渣系統概況

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，屬典型的爐后側排渣方式。冷渣機的冷卻方式為“水主風輔”。冷卻水取自汽輪機凝結水，流經由冷渣機殼體夾層和筒內回水管屏組成的循環管路，帶走筒體內熱渣的熱量。風冷系統的主、輔吸風口接在負壓支管上，6臺冷渣機負壓支管由1根母管引到后豎井，推動冷渣機筒體內的冷卻風流動，同時形成負壓區域，減少灰塵外逸污染環境。在鍋爐最大連續出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況及燃用校核煤種時，設計有100%的備用裕量，無論定期或連續排渣，保證排渣溫度在150℃以下并能長期運行。冷渣機排出的渣經2路分支管分別落入2臺輸渣機的進口，再經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 冷渣機進渣管膨脹節漏渣

冷渣機進渣管膨脹節的設計考慮了進渣管在啟、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，進渣管隨著水冷壁一起向下膨脹，膨脹節內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，大量紅渣從膨脹節活動部分的縫隙中噴出，漏渣嚴重。分析膨脹節的結構及渣流特性后，得出如下故障原因:

(1)此鍋爐為爐側排渣，排渣口位于布風板上部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，進入冷渣機進渣管的渣流壓力較高，如密封不嚴容易造成泄漏，并且一旦泄漏，因高速渣流具有很強的磨損能力，使創面迅速擴大。

(2)冷渣機膨脹節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迷宮機構出現較大縫隙，成為密封的薄弱環節，高速渣流沖破耐火纖維毯后形成直通結構，導致大量紅渣噴出。

(4)進渣管內部渣流溫度較高，可達到900℃左右，膨脹節內部的迷宮壓板為12 mm厚的不銹鋼板，在高溫渣流的沖刷下變形嚴重，擠壓密封作用大大降低。

2.2 進渣管與爐膛連接處管面開裂

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

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

2.3 排渣系統連接管路磨損

排渣系統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)冷渣機進渣管上、下彎頭;

(2)冷渣機進渣管膨脹節下部大小頭;

(3)冷渣機排渣人字管同型側;

(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，形成一個特殊的區域，稱為靶面區。此處渣流沖擊角度較大(接近90°)，渣流密度高、流動速度快，致使靶面區管壁存在較為嚴重的沖刷磨損。根據運行經驗，10 mm厚的不銹鋼管的磨損破壞周期大致為6個月。

進渣管插入膨脹節中，與大小頭底部存在一定的膨脹間隙，當鍋爐冷態時，插入管與大小頭軸線重合;當鍋爐正常運行時，由于水冷壁三維膨脹位移，因此進渣管插入段將偏離大小頭軸線，渣流順著進渣管進入大小頭時，沖刷大小頭側壁，導致磨損。由于渣流為正壓輸送，流速較快，導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 冷渣機進渣管膨脹節漏渣解決方案

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

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

此膨脹節由不銹鋼波節、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，不銹鋼波節可以吸收膨脹或者壓縮應力，另外還起高溫環境下的密封作用。耐火纖維毯在壓縮狀態下，形成密封結構，防止正壓灰渣竄入膨脹節內部，造成波節超溫而影響使用壽命。活動擋板與插入管間保持一定的間隙，搭接在膨脹節下部封板上。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，此膨脹節已使用了近3年，徹底解決了進渣管的漏灰問題。

3.2 進渣管與爐膛連接處管面開裂解決方案

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

本文介紹一種設置于進渣管與爐膛連接處的支護結構，它能有效降低肋片處的溫度(＜400℃)，并且通過下襯板與肋片結構的支護作用，將應力集中截面向作用力側移動，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周期的作用。該支護結構設計簡圖如圖2(a)所示［4］。即

圖2 支護結構力矩分析簡圖Fig.2 Torque analysis of supporting structure

假設下腹板長為x，則

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

已知運行狀態下，膨脹節反向作用力為［7］

式中:K為波紋管剛度，N/mm;S1為運行狀態下膨脹節軸向位移，m;n為膨脹節波數，個。

經計算，F0=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 排渣系統防磨解決方案

3.3.1 進渣管膨脹節大小頭處設置防磨結構

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的鋼管與法蘭內邊拼接，在大小頭內壁焊上抓釘，上端呈一定坡度，砌筑防磨可塑料內襯，如圖3所示。

圖3 膨脹節大小頭防磨內襯Fig.3 Expansion rate of expansion joint and installation pre-stretching

冷渣機進渣管受壓縮、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為最大正應力，Pa;σN為軸向拉應力，Pa;σW為彎曲應力，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。

若要實現蠕變裂紋出現周期大于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、抗磨性等方面都優于防磨澆注料，而且附著力強，不易脫落，敷設方便，成型簡單［8］。內襯成型后硬度很大，可以吸收渣流的大部分沖擊力，另外，抓釘可防止內部裂紋延伸貫穿至根部，導致大面積脫落。防磨內襯有效地保護了大小頭內壁，延長了使用壽命。

在安裝膨脹節時，要考慮機組啟動時進渣管的三維膨脹。為保證膨脹節插入管在機組運行狀態下與膨脹節下口接管的同軸度，達到減輕側壁磨損的目的，需要預拉膨脹節的插入管，具體安裝要求如表1［9］所示。

3.3.2 進渣管上下彎頭處設置防磨盒

在進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構不失效，該防磨盒使用厚為5 mm的碳鋼板滿焊制作，半圓形側板內側焊接抓釘，保持內襯的防磨剛度，其結構如圖4所示。

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3.3.3 其他部位防磨措施

冷渣機排渣人字管同型側、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，渣流只是沿靶面區分布，即使焊接10 mm長的直銷釘并敷設耐磨層，對渣流量也幾乎不產生影響。因此，這些部位的防磨可采取:切割靶面區，焊接銷釘，敷設耐磨可塑料，焊接還原結構等方法。這樣既不破壞原有的流道結構，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。

在敷設澆注料前，銷釘需預處理。抓釘受熱后的膨脹系數遠遠大于耐火材料的膨脹系數。如果抓釘不進行涂瀝青預處理，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狀微裂紋，導致耐火材料開裂、脫落［10］。

4 結語

(1)進渣管膨脹節的易損結構為連接法蘭、插入管，每隔2年需更換這些構件。

(2)加裝支護結構后，進渣管管面裂紋得以控制，蠕變裂紋出現周期從30天延長至1.5年，延長了進渣管的使用壽命。

(3)大小頭防磨結構更換周期為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、輸渣機與斗提機連接段、斗提機與渣倉連接段的防磨內襯更換周期為2年。

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

［2］王文安.關于高溫蠕變裂紋擴展規律［J］.武漢水利電力學院學報，1979(14):84-85.

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

［4］徐本安，李秀治.材料力學［M］.上海:上海交通大學出版社，1988.

［5］畢勤勝，李繼剛.工程力學［M］.北京:北京大學出版社，2007.

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

［7］李永生，李建國.波形膨脹節實用技術——設計、制造與應用［M］.北京:化學工業出版社，2000.

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

［9］東方鍋爐(集團)股份有限公司.熱膨脹系統圖冊［G］.德陽:東方鍋爐(集團)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防［J］.節能技術，2008(6):516-518.