大型循環(huán)流化床鍋爐冷渣機優(yōu)化創(chuàng)新

神華國能四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司 甘政 陳建斌 代澤華 劉昌旭 陳志遠(yuǎn)

一、概況

循環(huán)流化床渣冷卻系統(tǒng)一直隨著循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展而發(fā)展，從風(fēng)水聯(lián)合冷卻結(jié)構(gòu)，到絞龍水冷夾套結(jié)構(gòu)，再到夾層式螺旋結(jié)構(gòu)，渣冷卻系統(tǒng)技術(shù)已走進膜式壁螺旋結(jié)構(gòu)。膜式壁冷渣機是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的安全節(jié)能工藝設(shè)備，隨著設(shè)備的大型化、內(nèi)部換熱管結(jié)構(gòu)的緊湊化發(fā)展，冷渣機內(nèi)部檢查檢修難度日益加大。四川白馬公司針對現(xiàn)有冷渣機的結(jié)構(gòu)特點，調(diào)研國內(nèi)冷渣機生產(chǎn)的幾個主流技術(shù)，通過技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新，提高了冷渣機的可靠性。其中主要創(chuàng)新點為：

1、改變冷渣機局部水管道的位置，將管道重疊、移位，讓出部分檢查檢修空間，提高了檢修的便利性。

2、通過新型全框架支撐系統(tǒng)，提高了冷渣機內(nèi)部換熱元件的支撐強度，避免了固定件松動，部件掉落的問題。

3、采用獨特的冷渣機進渣管澆筑工藝，鉚扣工藝，加強了冷渣機進渣管道的可靠性。

通過優(yōu)化后的冷渣機，工作運行狀態(tài)較好，第一臺優(yōu)化的冷渣機時間是在2015年9月，運行近2年時間，未曾有冷渣機漏水、管排支撐件松動、進渣管脫落等問題，大大提高了冷渣機的安全可靠性，為將來冷渣機的發(fā)展指明了方向。

二、整體分析

大型冷渣機的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在主要分為兩個流派，一是以雙管排為主的青島派系，一是以十字分倉為主的成都派系。

圖1 成都派系的分倉結(jié)構(gòu)

圖2 青島派系的雙筒結(jié)構(gòu)

圖3 冷渣機泄漏照片

分倉結(jié)構(gòu)是將內(nèi)筒分為大小不等的倉格，每個倉格的灰渣幾乎成獨立運動，也有部分交混，來提高換熱面積。而雙筒結(jié)構(gòu)是采用同心的管排滾筒，來提高換熱面積。

上述兩種結(jié)構(gòu)，不管派系結(jié)構(gòu)如何，均采用的內(nèi)部增加換熱管道，來加強冷渣機的整體換熱。內(nèi)部換熱管道的增加，提高了檢查檢修的難度。

1、冷渣機漏水

冷渣機漏水是該設(shè)備常見故障。由于檢查難點的存在，會造成冷渣機運行時無法檢查和檢修，處理一小處漏點所需的時間及工期較長，設(shè)備的可靠率降低。特別是在冷渣機發(fā)生漏水以后，水和灰渣進行反應(yīng)，產(chǎn)生難以清除的渣塊。渣塊會造成管排換熱極具惡化，管排其它部位缺水干燒損壞。另外當(dāng)渣塊堆積位置集中時，冷渣機筒體處于不平衡狀態(tài)，造成設(shè)備無法啟動。

根據(jù)統(tǒng)計，處理一次渣塊堆積的故障，白馬公司最長時間為23天，大大增加了機組的安全隱患。

統(tǒng)計我廠和其它循環(huán)流化床電廠冷渣機漏水的缺陷，發(fā)現(xiàn)漏水部位集中在高溫段（高溫段是冷渣機下渣口向后延伸3米范圍內(nèi)）。在高溫段，灰渣急劇換熱，輻射換熱能力強，管道及金屬件熱疲勞強度大。冷渣機的運行轉(zhuǎn)速最高為3r/min，這就造成管排每分鐘發(fā)生3次不同程度的冷熱交替，工況惡劣。同時在加工制造中的殘余應(yīng)力與使用過程中的工作應(yīng)力共同影響下，容易導(dǎo)致鰭片、導(dǎo)渣片焊縫位置發(fā)生裂紋。

通過在冷渣機外筒體上增加測溫孔、測溫儀器取平均值，發(fā)現(xiàn)高溫段能將灰渣從900℃左右降低到400℃左右。低溫段雖然長，但是換熱能力由于熱輻射下降和傳熱溫差下降而逐漸降低。另外當(dāng)溫度下降到400℃以下后，溫度對碳鋼的熱疲勞影響逐漸下降，低溫段管排由熱疲勞引起的故障很少。

圖4 冷渣機換熱曲線圖

2、支撐固定件松動

冷渣機的管排固定方式均為卡件或支撐件，其作用點均在外管內(nèi)壁上。由于外觀內(nèi)壁上的卡件部位的特殊性，當(dāng)遭受外力作用時，整個內(nèi)部的受熱面不能形成有效的剛體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部管排首先破壞薄弱點，然后引起整個內(nèi)換熱面晃動，造成設(shè)備焊縫、管排拉裂漏水。

3、下渣管斷裂

冷渣機內(nèi)部進口下渣管均采用奧氏體不銹鋼310S結(jié)構(gòu)，在冷渣機內(nèi)部長期運行后，下渣管上部焊縫強度變低，甚至斷裂，斷裂后的下渣管在進渣段反復(fù)碰撞冷渣機內(nèi)部管排。使管道泄漏。

熱疲勞造成的換熱管漏水，支撐件松動，進渣管脫落不是偶然性的問題，它是長時間運行過程中，從量變到質(zhì)變的一個過程。如果在每一個檢查周期（1個月一次）能有效的檢查預(yù)防熱疲勞造成的管排、卡件、管道缺陷，前期預(yù)防處理，就能提高冷渣機可靠性。

三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

1、管道讓管技術(shù)

讓管主要是利用彎管將外管排向兩邊移開，同時在外筒體高溫段開設(shè)長方形檢修孔。外管排組由兩根回水管及兩根進水管組成，將外管排兩組供水管二合一為一根供水讓管，兩組回水管二合一為一根回水讓管，讓管靠近筒體外壁，形成一個檢查孔。并以相同的的結(jié)構(gòu)在高溫段處開設(shè)5組檢查孔。在開孔后，整個視線空間能覆蓋內(nèi)筒外壁，0-2.5米長度范圍的檢查視野達(dá)95°，不存在檢修死區(qū)。

圖5 讓管空間布局圖

下圖中將兩根供水管和兩根回水管采用三通合二為一成讓管，讓管穿過外部筒體鋼板，管道與外部筒體鋼板貼近，這樣不會影響管道的受熱膨脹，也將需要的檢修檢查空間讓開，起到檢修孔的作用。

圖6 讓管結(jié)構(gòu)圖

將兩管并聯(lián)后，通過讓管流速變化趨勢，來判斷冷渣機讓管處是否存在傳熱惡化情況。冷渣機在設(shè)計時，按照美國換熱器協(xié)會（HEI）發(fā)布的《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》（PPHX）進行流速控制。該標(biāo)準(zhǔn)提出最大換熱管內(nèi)流速碳鋼管不超過2.4m/s進行設(shè)計。通過供水處旋轉(zhuǎn)接頭壓力表可以測得供水壓力門后為1.5MPa,回水壓力門前測得1MPa。水管直徑由兩組內(nèi)徑50mm的換熱管合并為內(nèi)徑為64mm的換熱管，管道的流通整體截面積減小。

采用流態(tài)模擬的方式，對整個變換區(qū)域的管組進行流速及流態(tài)檢查。三通制作外壁軌跡與流體運動時流跡線接近，沒有在三通處形成回流漩渦，避免了在三通處局部傳熱惡化，三通不影響流態(tài)變化。流速在三通前部為1.1m/s，合管后增大到2.1m/s,后部三通處流速又降低到1.2m/s。以溫度為60℃流速水運動粘度計算雷諾數(shù)：

表1 耐火材料理化性能

式中ρ為溫度下的密度，v為流速，d為管道內(nèi)徑，η為運動粘度；

在1.2m/s時，Re=114884＞4000 流體為紊流狀態(tài)；

在2.2m/s時，Re=219324＞4000流體為紊流狀態(tài)；

符合管道傳熱設(shè)計。

圖7 讓管流速分布圖

讓管位置管排采用讓管后，在冷渣機外筒內(nèi)部形成了兩組受熱區(qū)。為了保證受熱區(qū)內(nèi)，外殼鋼板干燒無冷卻造成鋼板碳化變形，在受熱區(qū)內(nèi)填充耐火材料。耐火材料采用結(jié)構(gòu)如圖8，另外采用耐火材料澆筑可以保護雙筒冷渣機內(nèi)部支撐件的整體剛性。耐火材料理化性能如表1。

2、框架支撐系統(tǒng)

原設(shè)計的支撐結(jié)構(gòu)由于外筒空間限制，需要將支撐件減薄。采用讓管后，支撐件采用整體圓形框架，這種結(jié)構(gòu)由于截面積增大，其支撐強度也增大，由于管道內(nèi)有水高速流動，容易產(chǎn)生管道振動，圓形框架結(jié)構(gòu)在水平、垂直、傾45°時更能穩(wěn)定內(nèi)管排，改變設(shè)備的固有頻率，不讓內(nèi)管排發(fā)生振動、異響等機械缺陷。（該支撐結(jié)構(gòu)主要針對雙滾筒結(jié)構(gòu)）

3、耐火材料澆筑管道

（1）卷管、抓釘焊接位置

卷管作為下渣管的骨架，支撐內(nèi)部所有的耐磨耐溫材料。卷管采用304鋼板制作。抓釘采用310S材料制作，抓釘?shù)腨型面分叉圓鋼采用螺旋結(jié)構(gòu)，增加整個抓釘?shù)淖ド炝Γ瑥亩苊鈨?nèi)部澆注料的垮塌。

抓釘與卷管之間采用焊接固定。抓釘長度比下渣管耐磨材料內(nèi)壁低15mm左右。抓釘采用梅花交叉型結(jié)構(gòu)焊接。

（2）制作模具

模具的制作采用木材+鋁皮的結(jié)構(gòu)，木材為模具的骨架，而鋁皮為脫模層。由于鋁皮的外表面較為光滑，能更好的進行脫模。并能保持下渣管內(nèi)壁的光滑度，避免過于粗糙，造成堵渣。

將加工好的模具布置到焊接完成后的下渣管外管內(nèi)，并將模具使用木板做好限位，防止模具在澆筑過程中發(fā)生脫落或者損壞。木板限位做成凹凸結(jié)構(gòu)，并做好Z型膨脹縫的預(yù)留。

（3）澆筑渣管

澆筑采用#8料進行。將原漿按照水、料、合劑的比例使用攪拌機制作好。使用人工喂?jié){的方式將材料注入下渣管，并使用振動棒分層、逐級的震動排除漿液里的空氣。澆筑到頂層后，使用大小木環(huán)制作下渣管的膨脹Z型縫，待耐磨材料完全固化后形成膨脹縫所需要的間隙。

（4）渣管取模

將渣管放置在干燥地點，在溫度25℃以上放置7天以上，就可以進行取模。取模時要防止損壞澆筑層，禁止用撬棍直接敲擊模具。正規(guī)的做法是利用鏨子將連接模具的鐵釘斬斷，然后將模具取出。

（5）整體烘烤安裝

為了排除內(nèi)部的水分，并且保證耐磨料的緊至、細(xì)密。需要對內(nèi)部的耐磨料進行烘烤。烘烤可根據(jù)條件進行，如有較好的烘爐設(shè)備或整體烘箱最好。如達(dá)不到以上條件，可以使用在內(nèi)部燃燒原木的方式進行烘烤，烘烤的標(biāo)準(zhǔn)是材料發(fā)生色變，并從內(nèi)部析出水分為準(zhǔn)；與原有下渣管道焊接安裝。

4、使用效果

技術(shù)改造完成時間為2015年9月，2017年7月對該新結(jié)構(gòu)技術(shù)可靠性及性能進行驗證。

檢修空間驗證：打開5組檢修孔后，內(nèi)筒0-2.5米位置均能進行檢修，檢查檢修空間滿足技改設(shè)計要求。

排渣溫度驗證：在3r/min轉(zhuǎn)速下對回水溫度及出渣溫度進行試驗。回水溫度采用系統(tǒng)自帶DCS數(shù)據(jù)，出渣溫度采用紅外線測溫儀取渣堆中部溫度，試驗數(shù)據(jù)如圖8。

圖8 冷渣機灰渣溫度變化圖

對比之前的設(shè)備排渣溫度，偏差為1%左右，滿足設(shè)備使用要求。

四、成果應(yīng)用

1、獲得相關(guān)專利1項，論文1篇。

2、集團內(nèi)獲獎：神華國能公司第一屆青年科技創(chuàng)新項目一等獎。

五、結(jié)論

冷渣機已不止運用于循環(huán)流化床鍋爐上，在鋼渣冷卻及其它惡劣環(huán)境下需換熱項目上均有發(fā)展。上述三項創(chuàng)新內(nèi)容，提升了運行時的可靠性，停備時檢修的便利性，從檢、運、維的三方面重點考慮了設(shè)備的周期性規(guī)律。為冷渣機高參數(shù)，大型化的發(fā)展上具有指導(dǎo)意義。