補償器在煙風煤粉管道設計中的運用探討

河南省電力勘測設計院

摘要：火力發電產中的煙風煤粉管道是煙道、風道、原煤、制粉、送粉及其他有關管道的總稱，其中煙道和熱風道因內部介質的溫度較高，易產生一定的熱伸長量，即我們通常所稱的熱膨脹量。當管道自身的補償能力不夠時，熱膨脹就會使管道產生強大的熱應力，從而影響整個管系及設備的安全運行。針對這個問題，可以在管道上設置補償器，以補償管道的熱伸長，從而減小管壁的應力和作用在閥件或支架結構上的作用力。本文通過分析補償器在煙風煤粉管道設計中的應用，對其作用及適用范圍進行探討。

關鍵詞：補償器；煙風煤粉管道；熱膨脹；運用

煙風煤粉管道升溫時，由于熱伸長或溫度應力，對管道兩端的固定支架產生嚴重的推力或是對與其連接的設備管口產生一定的附加應力，導致管道容易發生變形或是破壞。為消除或減小管道熱膨脹帶來的不利因素，除了要求配管設計布置合理外，還應采取安裝補償器的方式對管系的膨脹量進行吸收。本文主要闡述了補償器在火力發電廠煙風煤粉管道設計中的膨脹補償作用和防振動作用；介紹了不同形式補償器的應用場合、安裝方式和選型要點。

一、管段熱膨脹量

（一）補償器的作用

補償器有多種類型，而波紋補償器的應用最為普遍。不論是波紋補償器、旋轉補償器，還是套筒補償器、方形自然補償器，它們都是為了保障管道的安全運行而設置，一般來說有以下四個主要作用：一，補償器對管道軸向、橫向、角向熱變形進行補償吸收。二，補償器具有較好的伸縮量，降低閥門管道的安裝和拆卸工作的難度，非常方便。三，補償器可以吸收設備振動，使設備振動對管道的影響得以減少。四，補償器可以吸收地震或地陷對管道的變形量。另外值得一提的是方形自然補償器，它有兩個重要作用：一，管道從基礎梁或地下室墻穿過時，安裝方形補償器可以大大減輕甚至避免基礎的沉降對管道產生的壓力。二，如果熱力管道過長，安裝方形補償器可以大大減小熱脹冷縮對管道產生的拉伸[1]。

（二）管段熱膨脹量的計算方法

管道安裝通常是在常溫下進行的，當管道內供熱介質及周圍環境溫度發生變化時，將引起管道的熱脹冷縮。為使管道在熱狀態下穩定和安全，管道受熱時的熱伸長量需要給予格外關注和準確計算。設備生產運行的時候，管道內的高溫介質，讓管段遇熱膨脹，此熱膨脹值可以按照下面這個公式來計算：Δl=LaΔt公式中，Δl代表管段的熱膨脹值，單位為mm。L 代表管段的投影長度，單位為m。a 代表鋼材的線膨脹系數，單位為mm/（m·℃）mm。Δt 代表工作溫度和安裝溫度之間的差值，單位為℃。

（三）應用實例

比如在某管道工程中，熱風道的設計溫度是320℃，其安裝溫度是20℃，選用Q235A 風道材質，管道兩端的固定支架間距是16 米，由這些數值可以計算出該管段生產運行時所能產生的熱膨脹量值。首先，我們可以查看常用國產鋼材的平均線膨脹系數數據表，可以查出風道材質Q235A 的鋼材線膨脹系數是0.013mm/（m·℃）。然后按照上述公式，我們可以計算得出熱膨脹量值為Δl=LaΔt=10×0.013×（300-20）=39mm根據以上計算結果，我們可以得知在這個工作狀態下，我們需選擇補償量大于39mm 的通用補償器，就可以將此管段的熱膨脹量完全吸收。

二、補償器的應用

（一）補償量的計算

補償器可以單獨充當軸向補償或是橫向補償，但是單獨用作角補償時，效果并不是很好。但是，在實踐工程項目設計中，補償器在應用中通常會同時充當角向補償的作用，也就是說在軸向補償、橫向補償、角向補償這三種補償中，補償器同時吸收任意兩種補償量，偶爾甚至會吸收全部三種補償量。在這類應用場合中，補償器的軸向補償量、橫向補償量和角向補償量的選取，應當滿足下面這個關系式：X1+XY1/Y+Xa1/a≤X這個關系式中，X 代表單獨進行軸向補償時的補償量，Y 代表單獨進行橫向補償時的補償量，a 代表單獨進行角向補償時的補償量。X1 代表同時存在的軸向補償量的實際值，Y1 代表同時存在的豎向補償量的實際值，a1 代表同時存在的角向補償量的實際值[2]。

（二）補償量的吸收

當角向變化不大時，可應用上述計算式進行計算，但是當角向變化比較大時，就需要在安裝的時候，通過對補償器進行預壓縮并偏裝，進行補償量的吸收。某工程鍋爐一次熱風道接口，水平方向，隨著爐膛溫度的上升而膨脹，膨脹量的變化值為垂直方向向下140mm，其他2 個方向的位移為10mm，而一次熱風總管中心線與熱風道進口法蘭面僅相距2600mm。對補償器樣本進行查取，能夠水平安裝同時滿足垂直方向140mm 的補償器長度太長了，不能滿足此工程的安裝要求。因此，選擇對補償器先進行預壓縮并偏裝，對其膨脹量進行吸收。一次熱風管道與鍋爐熱風道進口連接的冷態安裝，如圖1 所示。在冷態安裝的時候，相對于熱風管道中心線，補償器中心線向上偏裝75mm，當鍋爐正常生產運行時，熱風道進口管段向下膨脹，補償器將隨其運動。熱態運行最終形態如圖2所示。

對補償器進行預壓縮并偏裝處理后，使得原本需要大于140mm 的橫向補償量

圖1 一次熱風管道與鍋爐熱風道進口連接的冷態安裝

圖2 一次熱風管道與鍋爐熱風道進口連接的熱態運行最終形態

大大縮減并被分解，只要補償器橫向補償量可以達到75mm，就足以滿足此安裝要求，一來解決了對安裝空間的約束和限制，二來也節省了補償器的投資成本。

三、補償器的選擇技巧

（一）非金屬補償器和金屬補償器的選擇

非金屬補償器采用耐高溫材質，金屬補償器則采用耐磨材質。煙道和熱風道內部的介質溫度相對比較高，補償器有被燙穿的危險，為了預防這個問題，通常都選擇使用耐高溫材質的非金屬補償器。對熱風送粉管道而言，此類管道里有一定量煤粉顆粒的存在，因此設置補償器時不但需要考慮滿足上述的熱補償要求，還應當考慮防磨能力，盡量延長其使用壽命，此時則適宜選擇使用耐磨材質的金屬補償器[3]。

（二）隔離振動的設備接口

補償器一來可以有效地吸收管道的膨脹量，二來可以有效地吸收管道振動，因此可以用在需要隔離振動的設備接口上。比如與風機進出口連接的管道，其振動比較頻繁也比較大，因此可以在風機進出口，安裝一個補償器，然后接風道接管，幫助吸收風機因為自身運行導致管道形成的振動，實現減少整個管系的振動，另外，也能夠有效防止管道上的荷載傳遞給設施設備，實現保護設施設備的作用。

（三）選用技巧

補償器常用的是采用矩形截面，對于圓角波形，管道中單個膨脹節需承受二維方向位移。由2 個膨脹節組成的肘接管道，則可以承受三維方向位移。矩形圓角金屬波紋膨脹節有全高和半高型。雖然各方面的制約因素比較復雜，但是不論是哪種管系，都可以采用若干個固定支架，設置在不同的部位，使其分解成若干形狀相對簡單的單獨管段。這樣分別確定出來各管段的變形及補償量，完全可以等同于未處理之前的變形和補償量。補償器種類繁多，因此需要合理、正確地選型。在煙風煤粉管道的總體設計中，應當充分考慮到管道的走向以及支撐體系的良好設計，同時綜合考慮補償器的造型和配置，實現安全、合理、適用、經濟的最佳組合。

四、結語

現代文明不斷前進，科技在飛速發展，補償器的工藝也在不斷提高，其形式不斷增多，功能應用面也在不斷的擴展和提升，補償吸收管道軸向、橫向以及角向的冷熱變形。在煙風煤粉管道設計中，管道上設置補償器，以補償管道的熱伸長，從而減小管壁的應力和作用在閥件或支架結構上的作用力，應當準確使用補償器的標準規范和要求，合理選擇使用適當的補償器安裝形式，幫助更好地實現管段熱膨脹的補償作用，更幫助減輕生產中煙風煤粉管道的振動，從而避免補償器被拉壞的現象發生。

參考文獻：

[1]何磊，王紅振.不長期在煙風煤粉管道設計中的應用分析[J].城市建設理論研究（電子版），2013，7（12）：177-179.

[2]姜霞，劉波.淺談補償器在煙風煤粉管道設計中的應用[J].化肥設計，2011，47（5）：21-23.

[3]宋心東，張勇.積灰荷載對煙道彈簧支架彈簧選型影響的分析[J].產業與科技論壇，2014，11（27）：187-189.