王義廂

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著礦物能源的無節(jié)制利用以及一次能源儲量日益枯竭引發(fā)的環(huán)境污染問題日趨嚴重，以高新技術開發(fā)清潔、可再生的新能源以替代煤炭、石油和天然氣等不可再生能源，是解決能源危機和環(huán)境問題的有效途徑。生物質能來源十分豐富,屬于可再生能源，它是居于世界能源消費總量第四位的能源。我國是一個農業(yè)大國，大量秸稈每到收獲季節(jié)就被燃燒，這本身也造成了污染。如果把這些秸稈集中起來加工為生物質燃料，不僅大大提高了能源效率，并且生物質能還可再生、含硫量低，不增加溫室氣體排放，是一種非常好的綠色能源。由于循環(huán)流化床燃燒技術在替代燃料、處理各種廢棄物和保護環(huán)境三方面具有其他燃燒技術無可比擬的獨特優(yōu)勢，生物質循環(huán)流化床鍋爐應運而生。由于生物質燃料中含有較多熔點低的鉀元素,燃燒后的飛灰容易在受熱面管表面結垢。同時燃料中還含有腐蝕作用很強的氯和堿性物質，因而在鍋爐的爐膛中布置的受熱面采用不銹鋼材質來解決這一問題。但在鍋爐的實際使用過程中，布置在爐膛內的屏式過熱器彎曲變形，給鍋爐的安全運行帶來了很大的影響。

1 屏式過熱器布置與變形

某生物質循環(huán)流化床微正壓燃燒方式，平衡通風，燃料為生物質，露天布置。采用四級過熱蒸汽系統(tǒng)，蒸汽依次通過包墻過熱器，低溫過熱器，爐膛內屏式過熱器至后煙井內高溫過熱器。屏式過熱器為膜式結構，由18根Φ42 mm×8 mm的TP347H管子與扁鋼焊接而成，屏式過熱器長度約為14 m。設置6屏在爐膛前墻水冷壁位置沿爐膛中心線向兩側均勻布置，如圖1所示。管屏下部覆有澆注料，防止爐膛稀相區(qū)顆粒對受熱面管子的磨損、沖蝕。下部穿水冷壁前墻處通過密封罩殼固定在前墻水冷壁上(如圖2所示)，管屏出口集箱處采用懸掛結構。鍋爐投運一年后，該類型不同電廠鍋爐的屏式過熱器均產生較大側向變形(如圖3、圖4所示)，管屏偏離中心線向兩側彎曲，其中爐膛左右兩屏彎曲變形量最大，最大值達到900 mm。

圖1 屏式過熱器布置圖/mm

圖2 屏式過熱器底部穿墻處示意圖

圖3 屏式過熱器變形示意圖1

圖4 屏式過熱器變形示意圖2

2 管屏變形原因分析

2.1 宏觀分析

停爐檢修過程中對管屏變形部分的管子進行了壁厚測量、硬度測定及金相檢驗，發(fā)現(xiàn)過熱器管子壁厚、硬度、金相組織正常。對屏式過熱器管屏穿水冷壁前墻處檢查發(fā)現(xiàn)，為了保證鍋爐良好的密封性，屏式過熱器進口集箱位置采用密封盒與前墻水冷壁相連接，管屏可以通過滑槽向下膨脹(如圖2所示)。但在鍋爐安裝初始，往往為了防止爐膛稀相區(qū)顆粒對管屏的磨損，將管屏下部采用澆注料覆蓋，施工過程中把澆注料與前墻水冷壁交接處固定在一起(如圖3所示)，使得管屏熱膨脹時的膨脹行程受阻。

2.2 理論分析

根據管屏的布置情況，可以按為細長桿的失穩(wěn)變形模型分析[1-2]。假設理想狀況下，鍋爐運行時，管屏達到穩(wěn)態(tài)時近似平均溫度為T，當管屏可以上下自由膨脹則其膨脹伸長量LT為

LT=LαΔT

(1)

式中：LT為溫度為T時管子的膨脹伸長量，mm；L為管子原長度，mm；α為工作溫度時管子線膨脹系數(shù)，10-6/℃；ΔT為管子的溫度變化值，℃。

實際情況是鍋爐安裝過程中管屏下部防磨澆注料的敷設，限制了管屏向下膨脹的空間，進而管屏產生了軸向壓力，管屏徑向有個微小的擾動，則會使得管子向兩側方向變形，從而導致管屏在內壓力的作用下發(fā)生側向彎曲變形，變形后的實際長度為Lw，則管屏在溫度T時變形量為LT-Lw，那么壓力F做的功W=F(L+LT-Lw)。

令Ls=L+LT-LW，即管子在壓力F的作用下實際縮短量為Ls，有

Ls=FL/EA

(2)

式中：Ls為壓力作用下的管子縮短量,mm；F為失穩(wěn)變形的臨界壓力，Pa；E為楊氏模量；A為管子的截面積,mm2。

管子變形儲存的變形能為

U=B2F2L/(4EI)

(3)

式中：B為管子最大撓度的1/2；I為截面慣性矩,m4。

(4)

式中：λ為管子的柔度；μ為兩端固定的壓桿長度系數(shù)。

從式(4)可以看出，管子變形的最大撓度與其溫度變化量、長度和材料的熱膨脹系數(shù)的變化成正比。屏式過熱器材料為TP347H物理參數(shù)如表1所示。

表1 TP347H物理參數(shù)

從表1可以看出，不銹鋼材料TP347H的熱膨脹系數(shù)較大，相比碳鋼、低合金鋼而言同樣的溫度變化不銹鋼TP347H將產生更大的膨脹量，當自由度被限制后，產生的應力也會越大。從鍋爐設計資料中得到，屏式過熱器的出口工質溫度達到520 ℃，爐膛煙氣溫度約為850～900 ℃，從式(4)得出溫度變化量與線性膨脹量成正相關，因此較高的溫度會導致管子較大的變形量，同時也驗證了同類型的鍋爐采用同樣的結構的水冷屏及低合金鋼材質的屏式過熱器并沒有產生如此大變形的原因。

2.3 其他影響因素

啟爐初期，自然循環(huán)水動力不足，流動阻力大產生膜態(tài)沸騰等傳熱惡化現(xiàn)象[3]，產生的蒸汽量不足更會導致對過熱器冷卻不夠等因素，高溫煙氣持續(xù)加熱使過熱器管屏溫度進一步提高，從而導致管屏更大的膨脹量以及更大的熱應力。鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒方式，后墻靠近兩側處布置有爐膛出口，因此爐膛兩側處的煙氣流速會更大，屏式過熱器變形量最大的也恰恰是布置在爐膛最外側的兩屏。

3 結 論

根據以上分析可以得出布置在爐膛內的屏式過熱器運行一段時間后產生彎曲變形的原因主要有以下幾個方面：

(1)在鍋爐設計中對屏式過熱器軸向的膨脹設計不夠周全，雖然在下部穿墻處設置密封盒并預留自由移動的滑槽，但在安裝施工過程中管屏下部水平段的防磨澆注料將管屏固定于前墻水冷壁之上，使其失去了作用。

(2)屏式過熱器選擇TP347H不銹鋼材料，解決了生物質燃料中腐蝕的特性，輕視了材料的較大的線性膨脹率的物理特性。

(3)屏式過熱器運行時較高的溫度，生物質循環(huán)流化床鍋爐爐膛的溫度場不均，以及啟動鍋爐時汽水循環(huán)不暢導致對過熱器的冷卻程度不夠等因素造成了管屏較大的變形。

4 解決措施

(1)調整屏式過熱器防磨澆注料的敷設位置，如在穿墻處采用防磨涂料等措施，保證管屏膨脹間隙；

(2)把過熱器管屏最外圈管子作為夾持管，加大管屏的剛度；

(3)更換管屏材質，選用熱膨脹系數(shù)低的低合金鋼，表面增加防腐蝕涂層；

(4)在保證鍋爐爐膛溫度場以及煙氣阻力不受較大影響的情況下，增加屏式過熱器的管屏數(shù)量從而縮短管屏的長度，降低管屏的線性膨脹量；

(5)加強鍋爐運行和啟爐的操作規(guī)范性，嚴格控制管壁溫度和煙氣溫度，做到管壁不超溫，降低材料熱應力。