分析超臨界鍋爐剛性梁的設計特點

黃丹

【摘? 要】在鍋爐正常運行時，煙道與爐膛都會承受一定程度的壓力，如果發生非正常情況，則會導致鍋爐受到嚴重的沖擊力，為了能夠有效避免煙氣壓力脈動與燃燒振蕩所造成的爐譜低頻振動情況，應建立整體性的鍋爐膨脹中心，為了能夠達到這一要求，必須要建立完善的剛性梁體系。基于此，論文主要對超臨界鍋爐剛性梁的設計特點進行分析，希望能夠為相關人士提供幫助。

【Abstract】During the normal operation of the boiler， the flue and the furnace will withstand a certain degree of pressure. If an abnormal situation occurs， the boiler will be subjected to severe impact. In order to avoid the low frequency vibration of furnace spectrum caused by flue gas pressure fluctuation and combustion oscillation， an integral boiler expansion center should be established. In order to meet this requirement， a complete rigid beam system must be established. Based on this， this paper mainly analyzes the design characteristics of the supercritical boiler rigid beam， hoping to provide assistance to relevant personnel.

【關鍵詞】剛性梁;超臨界;鍋爐;設計;特點

【Keywords】rigid beam; supercritical; boiler; design; characteristics

【中圖分類號】TK229.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）06-0151-02

1 引言

在鍋爐中，受壓元件為懸吊結構，而在鍋爐的正常運行中，鍋爐內的管子與扁鋼焊接成的煙道與膜式壁爐膛非常容易受到外界因素的影響，對爆燃、地震、爐內負壓、自然風力、脈動荷載以及其他自重和負載無法承受，特別是在爆燃的情況下，非常容易受到沖擊壓力的影響。因此，為了能夠保護受壓元件管墻不會遭到破壞，保證鍋爐具有良好的密封性、有序膨脹以及正確傳遞荷載，在鍋爐爐壁四周布置剛性梁，增強爐膛和尾部煙道的剛性，保護管子在爐膛設計瞬間壓力作用下不發生永久變形。

2 剛性梁的作用與工作原理

剛性梁是沿著鍋爐爐膛和后豎井四周布置的結構系統，在爐內運行負壓、爐膛爆燃正壓以及引/送風機事故跳閘等多種因素造成鍋爐內的壓力出現改變時，對管墻起箍緊和提高剛度的作用，從而保護管子使其在鍋爐最大瞬時允許壓力作用下不產生永久變形和損壞。

以鍋爐兩側墻為例說明剛性梁的工作原理，爐內壓力和風荷載或地震作用→管墻→張力板→連接件→剛性梁→角部結構→前后墻張力板（爐內壓力自平衡）風荷載或地震作用→導向裝置→鍋爐構架。

3 剛性梁系統布置原則

3.1 膨脹中心

所謂膨脹中心指的是人為設定的冷熱態不變的位置，作用是使鍋爐運行有明確的膨脹方向，準確計算熱膨脹位移。

超臨界鍋爐的膨脹中心：

鍋爐寬度方向：一般都在鍋爐對稱中心線上。

鍋爐深度方向：有一個膨脹中心，爐膛內距爐膛后墻中心線3000mm左右;

鍋爐高度方向：在爐頂有大包時，膨脹零點在大包頂部標高;在爐頂無大包時，膨脹零點在鍋爐頂棚中心標高。為了達到膨脹中心的零位移值，一般都將管墻與剛性梁在膨脹中心線處固定起來，其余位置保證管墻與剛性梁之間由于熱膨脹能相對自由地滑動。

3.2 導向裝置的設置

為了將地震作用、風荷載和不平衡壓力所產生的水平力，以及由于人為膨脹中心與自然膨脹中心不一致所產生的導向力傳遞給鍋爐構架，以確保爐體自身的平衡，我們要設置3～5層導向裝置。最終要根據鍋爐容量等級、爐型結構以及工程設計的自然環境條件（風荷載、地震作用）來設置導向裝置的層數，最少3層。爐寬方向導向裝置一般放在鍋爐對稱中心線。

3.3 剛性梁間距

剛性梁系統的布置與受它保護的受壓部件密切相關，必須以管子的應力分析為基礎，使管子和剛性梁本身在爐膛壓力作用下有足夠的強度、剛度和穩定性。

剛性梁的最大間距是通過對管墻的初步應力計算并結合設計實踐和使用經驗得到剛性梁最大間距。所有部位正常區域剛性梁的最大間距不得超過96倍的管子外徑（通常控制在72倍）。位于其他拐點或硬點（如頂棚管，起拱部分及環形、Π形集箱等處）附近的剛性梁，這些部位考慮到剛性較大，產生的局部內應力過大，對管墻不利，剛性梁間距不宜過大，而人為經驗設定。剛性梁間距確定后還應根據鍋爐本體（人孔、測量孔、吹灰器等）及鍋爐鋼結構（主梁層、平臺等）的實際情況作調整，并通過強度計算、撓度分析和管墻應力分析等最后確定設計所采用的間距。

4 剛性梁的設計

超臨界鍋爐上爐膛和對流煙道管墻主要采用水平剛性梁;下爐膛管墻采用垂直搭接板、水平剛性梁和垂直剛性梁等部件組成的結構。

4.1 垂直膜式壁區域剛性梁

垂直膜式壁區域（主要包括上部水冷壁、水平煙道、后豎井包墻等）主要由水平剛性梁支撐。水平剛性梁的設計同常規爐的設計，由耳板、拉桿、張力板、連接板、支撐耳板把剛性梁和膜式壁連接在一起，水平剛性梁的自重由垂直膜式壁管支撐。

4.2 下爐膛螺旋管墻區域剛性梁

下爐膛水冷壁剛性梁由垂直搭板、剛性梁、連桿和角部結構等組成。

第一，垂直搭接板。 垂直搭接板上端與垂直水冷壁固定連接，其余部分與螺旋水冷壁緊密接觸，其連接能保證鍋爐啟動、停爐和變負荷時，在鉛垂方向互相滑動，以便吸收熱膨脹差。螺旋水冷壁與垂直水冷壁相比，承受垂直荷載的能力很小，它只限于承受自重、工質、輕質保溫絕熱材料和灰斗墻支撐構件的重力荷載及爐膛壓力荷載。其他荷載，如燃燒器、風箱、剛性梁與外護板等均由設有大接頭的垂直搭接板傳至上爐膛水冷壁管，最后通過吊掛裝置傳給鍋爐構架。

第二，螺旋水冷壁剛性梁是由水平剛性梁和垂直剛性梁組成的柵格式結構。 垂直剛性梁的位置及數量與垂直搭接板一一對應，彼此間采用大接頭和中（小）接頭連接。接頭結構和裝配（或安裝）位置的設計既可以滿足補償水平剛性梁與水冷壁之間在水平方向的脹差要求，也可以達到吸收垂直剛性梁與垂直搭接板之間在垂直方向脹差的目的。而垂直剛性梁與水平剛性梁是下端為固定連接，上端為鉛垂方向可滑動連接。 剛性梁重量通過大接頭傳給垂直搭接板。爐膛壓力按下列路線傳遞：爐膛壓力→螺旋水冷壁→垂直搭接板→接頭→垂直剛性梁→水平剛性梁→角部連接結構→相鄰側螺旋水冷壁并與相對面螺旋水冷壁的爐膛壓力平衡。

5 剛性梁的細部結構設計

5.1 接頭

垂直搭接板與垂直剛性梁采用大接頭和中（小）接頭相連。大接頭傳遞重力荷載和爐膛壓力;小接頭僅傳遞爐膛壓力，小接頭預留間隙較大，作為上下自由滑動端，保證了垂直剛性梁與垂直搭接板間的相對滑動。大接頭設置于水平剛性梁附近，預留間隙較小，作為上下固定導向端，且不一定每根垂直搭接板都設置。

5.2 張力板

張力板與角部結構組成一個封閉系統，使爐內水平壓力達到自平衡，以免傳給鍋爐構架。張力板是既受拉又受壓的桿件，應按壓桿設計。結構設計時應保證張力板能自由膨脹。

5.3 剛性梁角部連接

角部結構由角板、連桿和銷鈾等組成，主要功能是作剛性梁的支座，應按剛性梁的支反力進行強度計算。

角板和剛性梁端部開孔的位置要符合三個要素，即要滿足強度條件，要易于膨脹位移補償和使傳力路線最短。

角部結構的傳力方式：一側的爐膛壓力通過連接件傳給剛性梁，再通過連桿，角部板傳給張力板，與另一側傳來的爐膛壓力達到平衡。

5.4 梳形板（限位塊）

導向荷載的傳遞：水平荷載→管屏→梳形板（限位塊）→（張力板→擋塊）→剛性梁 →柱和梁。

5.5 收集板

收集板是在剛性梁不能連續布置時，與垂直剛性梁配套設置的結構件，其作用是將不能連續布置的剛性梁角部所對應的張力板上的內力轉移到上下兩層剛性梁的張力板上，達到剛性梁內力平衡的目的。

5.6 剛性梁連接件

剛性梁連接件是用于連系管墻和剛性梁的結構件，用于傳遞水平燃爆力，支承剛性梁自重和其他荷載。連接件必須保證剛性梁與管屏之間的自由滑動。

6 結語

總而言之，在鍋爐中，剛性梁作為一個非常重要的結構系統，只有合理設計好鍋爐剛性梁，才能夠有效提高鍋爐運行的可靠性與安全性。

【參考文獻】

【1】楊勇.塔式鍋爐水冷壁冷灰斗吊裝方案比較分析[J].中國新技術新產品，2020（01）：49-51.

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