锅炉受热面膨胀问题浅析

锅炉受热面膨胀问题浅析杨兴元摘要：为保证高参数、大容量发电机组锅炉安全可靠运行，锅炉受热面能够根据设计正常的向下、前、后、左、右进行膨胀，为此2×660MW超临界直流燃煤机组锅炉本体设置了膨胀中心、刚性梁零膨胀点、角部连接设置、螺旋段水冷壁大小连接、刚性梁张力板设置、导向装置和膨胀指示器装置，以便机组能够安全可靠运行及更合理地了解锅炉热膨胀。关键词：锅炉热膨胀膨胀中心导向装置导向荷载前言：现代大型电站锅炉大都采用全悬吊结构形式,各部件是通过各种方式连接，维系成有一定相互位置关系的整体。尽管锅炉采用悬吊方式支承其结构重力，但各部件因温度不同，产生了部件之间相互作用的热膨胀作用力。热膨胀作用力、结构件承受的重力和各支承反力等总会以某种形式表达。一锅炉简述宁夏京能宁东发电有限公司2×660MW燃煤发电机组锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的超临界压力、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、不带再循环泵大气扩容式启动系统的直流煤粉锅炉。锅炉以最大连续负荷（B-MCR）工况为设计参数，最大连续蒸发量2210t/h。过热器蒸汽出口温度为571℃，再热器蒸汽出口温度为569℃，给水温度283.2℃。锅炉采用全钢结构构架，高强螺栓连接，连接件接触面采用喷砂处理工艺，提高了连接结合面的摩擦系数。锅炉采用“π”型布置方式，设计有固定的膨胀中心，受热面采用全悬吊结构。炉膛上部布置有屏式过热器。水平烟道中布置有末级过热器和末级再热器。尾部竖井烟道分为前后两部分，前部烟道布置有低温再热器，后部烟道布置有低温过热器和省煤器。尾部竖井下部布置有两台三分仓再生式回转空气预热器。（见附图1）锅炉炉膛断面尺寸为19.0823m×19.0823m，炉膛高65.1m，炉膛上部为垂直膜式水冷壁，标高48.246m以下采用螺旋水冷壁。炉顶部各受热面之间采用大口径连接管连接。附图1锅炉布置总图二内容介绍1分离器与贮水箱导向装置由于本炉属于超临界直流自然循环锅炉，所以未设置汽包，而设置了4台启动分离器和1台贮水箱，贮水箱筒体设置了圆形刚性导向，并预留了向前、向左、向右的间隙，分离器与贮水箱布置在炉前，向后预留了3mm的滑动间隙，此设计可以用刚性导向来吸收分离器和贮水箱受温度、压力、重力和锅炉启停所产生的位移，达到力的平衡。2降水管导向装置降水管分布在炉顶左右侧垂直布置，汇集到折焰角汇集集箱，上端封顶，分别有两根吊杆生根，两边与垂直段水冷壁刚性梁相邻较近，垂直距离较长，所以以刚性梁生根，分别设置两层框形导向，吸收向左、向右、向前膨胀，在靠炉膛侧和后侧预留滑动间隙，这样设计可以满足降水管的位移，使其膨胀不受限制。3刚性梁零膨胀点、角部连接设置、螺旋段水冷壁大小连接和张力板设置膨胀系统图（见附图2）表示了锅炉各部位的膨胀情况。箭头方向表示膨胀方向，箭头旁的数字表示这个方向上的膨胀量（单位mm）。附图2锅炉膨胀系统图3.1张力板系统倾斜布置的螺旋水冷壁管承载能力弱，因此需在其管壁外侧设置焊接张力板来进行其自身重量和附加荷载的悬吊。螺旋水冷壁前、后墙各布置9条张力板，两侧墙各布置9条张力板，张力板从冷灰斗下部一直向上延伸到螺旋水冷壁和垂直水冷壁的过渡区。在过渡区张力板变为手掌型的张力板，然后焊接于垂直水冷壁管屏鳍片上的手指型连接板连接，将荷载传递到上部水冷壁。每条张力板实际上是由两根平行的钢板组成的，间距为50mm，每根钢板的内侧与焊接于螺旋水冷壁鳍片上的垫块（槽型钢）进行焊接连接。垫块起到传递荷载和热量的作用，每隔一根管子布置一块，材料为15CrMoG。单根张力板宽度为120mm，厚度均为35mm，材质为15CrMoG。每根张力板间的连接处采用V型全焊透坡口。张力板的设计和布置不仅考虑了承受的荷载，也考虑了在不同工况下的锅炉启、停过程中管子和张力板间的温差引起管子的热应力、张力板的热应力和因炉膛内的烟气压力而产生的弯曲应力。因此，锅炉在启、停过程中负荷变化率不允许超过锅炉运行说明书中的规定值。3.2刚性梁系统刚性梁系统的作用如下：（1）防止由于炉膛爆燃正压、炉内运行负压、送/引风机事故跳闸因素引起炉内压力变化损坏受压管墙，防止燃烧振荡及烟气压力脉动引起炉墙低频震动，造成管墙管子附加低频弯曲疲劳而降低使用寿命。（2）设置锅炉整体膨胀中心、死点机构和补偿装置，使管墙各部位按设计确定的方向有规律的膨胀，以便进行锅炉管道整体应力分析，避免因膨胀不畅产生附加应力超限而拉裂管墙，影响安全运行。（3）设置外荷载有序传递导向。锅炉本体周围管道及其他附件所施加的荷载，地震力及露天布置锅炉所受的风力等能通过导向节点正确传递到钢架上，全部悬吊管墙设置合理导向和支承装置，保持平稳无晃动，膨胀时不受阻。本锅炉上炉膛的垂直水冷壁布置了11层水平刚性梁，螺旋水冷壁和冷灰斗共布置了8层水平刚性梁，尾部竖井烟道共设置12层水平刚性梁。水平刚性梁的层间布置有校平装置，此外，在与水平烟道连接的后水两侧和后烟道前包墙的两侧都设置了垂直刚性梁。3.2.1水平刚性梁装配形式单独梁：刚性梁为固定连接，它只承受此刚性梁和与之相连的校平装置的自重及所有外加垂直荷载，它随管墙一起向下膨胀。与之相邻的刚性梁属于另一组，不与之一起向下膨胀，故与之相连的校平装置连接端为固定连接，另一端为滑动连接。两根梁：一根刚性梁为固定连接，另一个刚性梁为自由连接。自由连接的刚性梁随固定连接的刚性梁(按固定刚性梁的膨胀量)一起向下膨胀。固定连接的刚性梁同时承受两个刚性梁和校平装置的自重和所有外加垂直荷载，故校平装置两端均为固定连接。三根梁：三根刚性梁中有一根为固定连接，另外两根刚性梁为自由连接。自由连接的刚性梁随固定刚性梁一起按固定刚性梁的膨胀量向下膨胀。固定连接的刚性梁同时承受此三根刚性梁和与之相连的校平装置的自重和所有外加垂直荷载，故两根校平装置与刚性梁连接均为固定连接。3.2.2垂直管屏水平刚性梁结构内绑带通过内绑带固定夹中的销与管墙连接起来。内绑带固定夹通常只与鳍片相焊，不与管子相焊。内绑带通过立板用刚性梁固定夹将刚性梁与立板连接起来，刚性梁内翼缘与刚性梁固定夹内翼缘留有1.6mm的间隙，以保证刚性梁与管墙可以相对滑动。内绑带固定夹与内绑带边缘之间留13mm间隙，销在内绑带固定夹内允许垂直方向移动。刚性梁固定夹与刚性梁边缘要留有一定的间隙以满足不同的垂直膨胀量。刚性梁固定夹与刚性梁内翼缘之间有一定的间隙用临时垫片在厂内固定在膨胀间隙的位置，在安装过程中保留，这些临时垫片在安装保温之前撤掉。角部用一短内绑带与主内绑带交迭相焊，再通过销轴、连接板与焊在短内绑带上的角部支撑板连接起来，使其形成一个完整的刚性梁体系。短内绑带宽度比主内绑带小50mm。连接处有一个偏移量，其为膨胀量的一半。水平刚性梁固定形式有如下三种：刚性梁/内绑带和内绑带/管墙：用于零膨胀点处，即内绑带与衬垫焊接，通过固定钢板将水平力传到刚性梁上，通过挡块作为约束。这种固定既传递了水平力又限制了刚性梁的膨胀。刚性梁/管墙：用于后烟道侧墙，固定钢板与衬垫相焊，通过固定钢板将水平力传到刚性梁上。通过挡块为约束，由于刚性梁不与内绑带连接，故只传递水平力，膨胀不受约束。内绑带/管墙：用于小梁的零膨胀点处。3.2.3螺旋管屏刚性梁结构螺旋管屏与垂直管屏的水平刚性梁装配形式相同（即分三种），但其附件及传递荷载原理不同。螺旋管圈承受垂直荷载的能力较差，所以必须加强螺旋管圈的强度，采用焊接张力板来加强，使螺旋管屏和焊在鳍片上的垫块及张力板形成一体，共同将垂直荷载传递到炉膛上部的垂直管屏上。炉膛压力通过大、小连接传至校平装置上，再由校平装置传到水平刚性梁上，刚性梁不直接承受炉膛压力。大连接：一端与校平装置相焊，另一端用水平放置的L型耳板与张力板相连，以传递炉膛压力；中间用二个连接板与之相连，连接板中两销轴偏移量为该点的膨胀量的一半；在大连接下端用两块垂直放置的托块与张力板相连，以承受垂直荷载。小连接：一端与校平装置相焊，另一端用水平放置的L型耳板与张力板相连，以传递炉膛压力；中间用二个连接板与之相连，连接板中两销轴偏移量为该点的膨胀量的一半；在小连接下端没有垂直防止的托块，故小连接只承受炉膛压力，不承受垂直荷载。角部结构：角部用手指板与角部块和角部支撑板相连，再通过销轴将连接板与角部支撑板连接起来，使其形成一个完整的刚性梁体系。水平刚性梁固定形式：在零膨胀点处放置一特殊的固定结构，使其将水平力传到刚性梁上，通过挡块作为约束，即传递了水平力又限制了刚性梁的膨胀。3.2.4校平装置的作用垂直管屏的校平装置：刚性梁设在管墙外侧，刚性梁重心远离管墙中心线，必然对管墙产生附加弯矩，而增加管子的弯曲应力，为了抵消此附加弯矩，故在各层刚性梁之间设有校平装置，使刚性梁保持水平，同时起到刚性梁的侧向支撑作用。螺旋管圈的校平装置：与垂直管屏校平装置的作用相同。它与大、小连接相连，炉膛压力首先通过大、小连接作用到校平装置上，再由校平装置传递到上、下层刚性梁上。3.2.5校平装置结构滑动连接：校平装置端部用两个角钢和螺栓与刚性梁连接，角钢长度方向与校平装置内翼缘每边留有2mm间隙，两角钢背靠背留有50mm间隙，校平装置的端部与其连接板，留有18mm间隙。角钢与校平装置腹板有一安装用定位螺栓，待校平装置安装完毕后，将螺栓拆掉。固定连接：校平装置上端用一钢板与刚性梁用螺栓连接，在下端板与刚性梁连接板之间放置一个12mm临时垫片，该垫片应在安装保温之前就撤掉。炉膛压力是通过大、小连接传至校平装置上，再由校平装置传到水平刚性梁上，水平刚性梁不直接承受炉膛压力。4零膨胀点的设置锅炉本体采用全悬吊结构，使锅炉本体的每个部分能够比较充分的热膨胀，大大地减少了由于热膨胀受阻而产生的热应力。锅炉的自然热膨胀中心除了与锅炉的几何尺寸有关之外，还与温度的分布有关。而锅炉在启动低负荷、满负荷和停炉工况下温度的分布是不一样的。因此，锅炉的自然热膨胀中心是随着工况的变化而变化的。为了进行比较精确的热膨胀位移计算，以便进行系统的应力分析和密封设计，需要有一个在各种工况下都保持不变的膨胀中心，作为热膨胀位移计算的零点。这个膨胀中心就是所谓的人为膨胀中心，通过一定的结构措施就能实现。如前所述，本锅炉某些层刚性梁的内绑带与衬垫焊接，通过固定钢板将水平力传到刚性梁上，通过挡块作为约束来实现零膨胀点。同时，利用与刚性梁和冷钢结构相铰接的刚性梁导向装置，将刚性梁上的水平荷载传递到刚结构上。炉膛水冷壁共设置了4层导向装置，尾部烟道设置了2层导向装置。炉膛前、后墙及后烟道前、后墙的膨胀中心设置在锅炉对称中心线上；螺旋水冷壁侧墙膨胀中心设置在距炉膛后墙中心线靠炉前侧1300mm处，垂直管屏水冷壁侧墙的膨胀中心设置在距炉膛后墙中心线靠炉后侧1300mm处。5膨胀指示器为了能更好的直观的观察锅炉整体膨胀，在锅炉各主要部位安装了膨胀指示器（见附图3），膨胀指示器显示的膨胀量为膨胀中心起分别到下、前、后、左、右所示膨胀量。附图3膨胀指示器安装位置图三结束语从660MW超临界锅炉的膨胀系统设计进行入手，对膨胀中心、刚性梁零膨胀点、角部连接设置、螺旋段水冷壁大小连接、刚性梁张力板设置、导向装置和膨胀指示器装置的作用进行分析，改变了以往锅炉因膨胀受阻而引起的非停，真正实现了锅炉运行中膨胀不受阻（在设计范围内）的特点，达到技术规范要求，为机组的安全运行提供了良好的保障。参考文献[1]娄德奎.大型电站锅炉膨胀中心的研究,1005-006X（2002）05-0014-01.[2]张本夫,洪鑫.大型电站锅炉膨胀中心的研究,CN23-1249（2003）02-0016-02.[3]高琴.高参数、大容量发电机组锅炉膨胀中心研究,CN31-1508（2010）09-0014-04.作者简介：杨兴元（1988-），男，一直从事锅炉防磨防爆及四管泄漏技术管理工作.宁夏灵武市宁东镇临河工业园区水洞沟电厂项目区。