脫硝裝置入口煙道非金屬膨脹節(jié)故障原因分析與設(shè)計優(yōu)化

王森，安鴻，朱斌，王書山

(1.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京　100025; 2.神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山　529228)

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脫硝裝置入口煙道非金屬膨脹節(jié)故障原因分析與設(shè)計優(yōu)化

王森1，安鴻2，朱斌2，王書山2

(1.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京100025; 2.神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山529228)

摘要:某電廠1000 MW機組脫硝裝置入口煙道非金屬膨脹節(jié)存在下部蒙皮開裂、法蘭嚴重變形等故障，通過分析，確定故障原因為原膨脹節(jié)采用的雙波型中間法蘭鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。將膨脹節(jié)更換為單波結(jié)構(gòu)的非金屬膨脹節(jié)，并對膨脹節(jié)框架、隔熱層、蒙皮等結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。兩年多的運行表明，全負荷工況下膨脹節(jié)膨脹良好，表面溫度不超過50℃。

關(guān)鍵詞:脫硝裝置;入口煙道;非金屬膨脹節(jié);蒙皮;法蘭;隔熱層

0　引言

為執(zhí)行新發(fā)布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，各發(fā)電公司在緊鑼密鼓地進行脫硝裝置的建設(shè)或改造。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計，截至2013年年底，已投運火電廠煙氣脫硝機組容量約4.3億kW，占全國現(xiàn)役火電機組容量的50％。煙道非金屬膨脹節(jié)是脫硝裝置的一個重要部件，通過吸收熱位移來消除煙道系統(tǒng)中的應(yīng)力，也可起隔振、減振以及吸收煙道安裝誤差的作用［1］。由于用戶對非金屬膨脹節(jié)不夠重視，廠家對膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)及圈帶材料的研究不足，加上市場競相壓價造成惡性競爭［2－3］等原因，煙道非金屬膨脹節(jié)的質(zhì)量參差不齊，存在運行中蒙皮破裂、壽命短等問題，可能造成煙道漏風甚至停機。本文以某1 000 MW機組為例，分析了脫硝裝置入口煙道膨脹節(jié)故障的原因，并進行了針對性的優(yōu)化設(shè)計。

1　系統(tǒng)與設(shè)備概況

1.1系統(tǒng)概況

某電廠1 000 MW機組鍋爐型號為SG3091/27.46－M541，為全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，塔式布置。采用選擇性催化還原(SCR)法脫硝裝置，脫硝效率為80％，每臺機組設(shè)置一臺SCR反應(yīng)器，反應(yīng)器尺寸為27.5 m×14.86 m×12.3 m(長×寬×高)，煙氣豎直向下流動。脫硝裝置入口煙氣設(shè)計參數(shù)見表1 (BMCR工況，標態(tài)，濕基，實際含氧量)。

表1　脫硝裝置入口煙氣設(shè)計參數(shù)

1.2煙道接口設(shè)計參數(shù)

脫硝裝置入口煙道設(shè)1個膨脹節(jié)，中心標高89620 mm，膨脹節(jié)接口內(nèi)擋垂直尺寸為7 000 mm，水平尺寸為19220 mm，煙道Z向預偏置180 mm，接口前后法蘭間距為1000mm(原設(shè)計預留)。保溫厚度為200mm。綜合膨脹量: X向，148mm; Y向，±80 mm; Z向，350 mm。脫硝裝置入口煙道膨脹量和接口尺寸如圖1所示。

1.3原膨脹節(jié)技術(shù)參數(shù)

原膨脹節(jié)廠家根據(jù)設(shè)計院提供的煙道接口尺寸和膨脹量要求，按照耐溫不低于450℃，耐壓≥6 kPa設(shè)計，采用雙波型中間法蘭鉸鏈連接結(jié)構(gòu)。膨脹節(jié)本體、與煙道兩側(cè)連接的法蘭及中間法蘭均由膨脹節(jié)廠家設(shè)計并提供，四周分別采用長邊(水平) 3組及(垂直)短邊2組共10組鉸鏈固定中間法蘭。膨脹節(jié)與煙道兩側(cè)連接的法蘭垂直邊高約380 mm，用于填充隔熱棉。膨脹節(jié)框架、法蘭及導流板均采用碳鋼Q235B。原膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2　故障現(xiàn)象

該機組于2011年3月投入生產(chǎn)，同年6月24日，檢查發(fā)現(xiàn)脫硝裝置入口煙道膨脹節(jié)存在下部蒙皮開裂、法蘭嚴重變形問題，現(xiàn)場檢查情況如下。

圖1　脫硝入口煙道膨脹量和接口尺寸

圖2　原膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)

(1)脫硝煙道接口Z向預偏置180 mm，符合設(shè)計要求。

(2)膨脹節(jié)中間法蘭框架下陷嚴重，最大達120 mm，膨脹節(jié)下部鉸鏈拉直，蒙皮無補償余量，如圖3所示。

圖3　下部鉸鏈無補償余量

(3)膨脹節(jié)上部法蘭變形嚴重(如圖4所示)，呈S形，法蘭間距最小處僅有800 mm(即冷態(tài)變形量為200 mm)。中間框架下陷嚴重，局部蒙皮拉直。一處蒙皮在壓板根部開裂約20 cm。

(4)膨脹節(jié)下部蒙皮開裂7.2 m，如圖5所示。

(5)膨脹節(jié)鉸鏈中樞接點與中間法蘭焊縫開裂。

圖4　上部法蘭變形嚴重

圖5　膨脹節(jié)下部蒙皮開裂

3　故障原因分析及采取的臨時措施

3.1故障原因分析

(1)膨脹節(jié)中間法蘭框架下陷。中間法蘭框架尺寸達21.7 m×7.8 m，內(nèi)部無加強支撐，由生根在膨脹節(jié)兩側(cè)法蘭垂直邊的鉸鏈(剪刀狀)懸吊和支撐，鉸鏈自身剛度不足以支撐和限制框架下陷。運行中，中間框架在重力和受熱膨脹的作用力下出現(xiàn)變形下垂，將膨脹節(jié)蒙皮拉直;同時，下陷的中間法蘭框架對膨脹節(jié)法蘭形成拉力。

(2)鉸鏈與中間法蘭框架連接不牢固。鉸鏈與中間法蘭框架由中樞點一顆M20的螺桿焊接連接，接觸面積小，運行中易出現(xiàn)焊縫開裂，失去對中間法蘭的固定作用，加劇框架下陷。

(3)膨脹節(jié)耐溫效果差。原膨脹節(jié)采用的隔熱材料是硅酸鋁棉，耐溫800℃［4］，由于隔熱材料填充較松散且沒有有效的固定措施，加上膨脹節(jié)膨脹量較大和煙道負壓運行，隔熱材料容易損失，造成隔熱效果下降而引起超溫，導致蒙皮和法蘭強度下降。

(4)膨脹節(jié)兩端法蘭變形與中間法蘭下陷的相互作用。與兩側(cè)煙道連接的膨脹節(jié)法蘭高380 mm，用鋼板折邊制作而成，無加強肋板，抗拉強度不足。運行中，法蘭在高溫和蒙皮、鉸鏈的拉力作用下出現(xiàn)嚴重變形，垂直邊變形量達50～120 mm。這種相互作用使膨脹節(jié)下部蒙皮受到的拉力越來越大，直至被撕裂。

從上述分析可以看出，原膨脹節(jié)采用的雙波型中間法蘭鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是導致膨脹節(jié)開裂和法蘭變形嚴重的主要原因。

3.2采取的臨時措施

由于中間法蘭框架下陷是導致蒙皮受力撕裂的主要原因，為保證機組運行，現(xiàn)場采取了以下臨時措施: (1)修復鉸鏈，并在中間法蘭框架上部和下部各安裝6套龍門架支撐，上部用手動葫蘆懸吊，下部用槽鋼支撐，防止中間框架繼續(xù)下陷，同時保持隨煙道膨脹的補償功能; (2)補充中間框架內(nèi)損失的隔熱棉并填充充實; (3)更換撕裂的蒙皮，適當增加蒙皮寬度，保證補償余量。

4　優(yōu)化方案和運行效果

雙波結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于金屬膨脹節(jié)中，起加大補償量的作用，應(yīng)用于非金屬膨脹節(jié)時，由于中間法蘭框架自重大，存在易變形和下陷的特點，一般用在煙道截面尺寸較小的情況;而單波結(jié)構(gòu)的非金屬膨脹節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單、整體性好、加工容易、壽命長、應(yīng)用范圍廣等特點。根據(jù)煙道尺寸、膨脹量和煙氣成分、壓力、溫度等參數(shù)，選擇單波結(jié)構(gòu)的非金屬膨脹節(jié)。

4.1膨脹節(jié)法蘭間距優(yōu)化

按照美國流體密封協(xié)會(FSA)的建議，非金屬膨脹節(jié)的有效長度不要超過405 mm［2］，綜合考慮原煙道較大的預留接口間距(1 000 mm)和位移量，確定膨脹節(jié)法蘭間距為550 mm，可以保證補償量，也可節(jié)約蒙皮材料。由于煙道Z向綜合膨脹量大(350 mm)，膨脹節(jié)預偏置180 mm(冷態(tài))安裝。

4.2膨脹節(jié)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

膨脹節(jié)為單波結(jié)構(gòu)，框架形式采用常用的A型結(jié)構(gòu)［1，5］，材質(zhì)為Q235B，厚6 mm。與煙道連接采用內(nèi)插焊的方式，需要將煙道兩側(cè)的原法蘭割掉，搭接寬度不低于60 mm，內(nèi)外均采用密封焊，保證強度和密封性?？蚣芊ㄌm高400 mm，外部每隔1.5 m設(shè)一道#10槽鋼制成的加強筋，以提高膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)性，內(nèi)部設(shè)置雙導流板，材質(zhì)為Q345并設(shè)加強筋板。膨脹節(jié)下部導流板間距為350 mm，并設(shè)44目不銹鋼防塵網(wǎng)。優(yōu)化后的膨脹節(jié)框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.3隔熱層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于煙道Z向位移量大且溫度高，因此隔熱層的結(jié)構(gòu)是設(shè)計優(yōu)化的重點和難點，需要保證冷、熱態(tài)下保溫棉固定牢固，不影響膨脹節(jié)補償功能，還要保證表面溫度≤50℃。主體隔熱材料采用硅酸鋁棉毯，可耐溫800℃以上。膨脹節(jié)上部和下部隔熱層結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6　優(yōu)化后的膨脹節(jié)框架結(jié)構(gòu)

圖7　隔熱層結(jié)構(gòu)示意

膨脹節(jié)上部和下部框架各采用2個保溫包:每個保溫包用耐高溫纖維布和不銹鋼絲網(wǎng)包裹;每個保溫包在垂直方向用2道保溫釘固定，與相鄰排間距為150 mm，保溫釘頭部應(yīng)煨彎;其余空間用保溫毯填充飽滿，確保相鄰保溫包間沒有縫隙;膨脹節(jié)下部框架保溫包下焊接寬100mm的托板，防止保溫包脫落而導致蒙皮受力過大。

隔熱層最薄處是上部框架煙氣下游側(cè)保溫包，厚度為285 mm，采用以下公式計算該處膨脹節(jié)表面溫度Ts［6］

式中: T為煙道溫度，K; Ta為環(huán)境溫度，K;δ為保溫厚度，m;λ為材料熱導率，W/(m·K) ;α為表面放熱系數(shù)，W/(m2·K) ; q為單位表面散熱損失，W/m2。

當運行溫度為400℃時，T取673.15 K，Ta為313.15 K，硅酸鋁棉毯的λ值為0.112 W/(m·K)［4］，α取14.54 W/(m2·K) (當?shù)爻Ｄ昶骄L速為4.7 m/s)，δ為0.285m，代入式(1)，(2)可得，膨脹節(jié)表面溫度Ts為322.62 K(即49.47℃)，符合設(shè)計要求。

4.4蒙皮優(yōu)化

綜合考慮強度、耐溫、抗老化性及密封性，可選擇的蒙皮材料為:氟橡膠布，厚度≥1.7 mm;陶瓷纖維布，厚度≥1.7 mm;聚四氟乙烯膜，厚度≥0.3 mm;無堿布，厚度≥1.7 mm;陶瓷纖維布，厚度≥1.7 mm;設(shè)兩層20目不銹鋼絲網(wǎng)。冷態(tài)下蒙皮理論安裝寬度為755 mm，熱態(tài)下膨脹節(jié)軸向(X向)呈壓縮狀態(tài)，Z向已設(shè)置180 mm預偏置，考慮Y向位移量80 mm和現(xiàn)場安裝誤差、煙道變形等因素增加10％余量，蒙皮安裝寬度確定為830 mm。

按照上述優(yōu)化方案設(shè)計的膨脹節(jié)于2012年年底機組大修期間安裝完成，于2013年1月投入運行，在全負荷工況下膨脹節(jié)膨脹良好，表面溫度未超過50℃。運行近3年以來，在每次機組停機檢修期間進行檢查，膨脹節(jié)框架結(jié)構(gòu)、隔熱層和蒙皮完好。

5　結(jié)束語

在燃煤機組脫硝裝置新建或改造中應(yīng)重視大尺寸和大位移量煙道上非金屬膨脹節(jié)的設(shè)計和安裝，盡量選擇常用的單波結(jié)構(gòu)膨脹節(jié)，對于隔熱結(jié)構(gòu)和保溫材料應(yīng)細化設(shè)計，同時應(yīng)做好現(xiàn)場安裝質(zhì)量管控和驗收工作。

參考文獻:

［1］孫海民，唐玉蟾，周江濤.非金屬膨脹節(jié)及其應(yīng)用［J］.發(fā)電設(shè)備，1997(z2) : 64－66.

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［4］火力發(fā)電廠保溫材料技術(shù)條件: DL/T 776—2001［S］.

［5］華東電力設(shè)計院.煙風煤粉管道零部件典型設(shè)計手冊: D－LD2000［M］.上海:百家出版社，2005: 425－446.

［6］設(shè)備及管道絕熱設(shè)計導則: GB/T 8175—2008［S］.

(本文責編:劉芳)

王森(1983—)，男，福建長汀人，工程師，從事煙氣污染控制技術(shù)研究工作(E-mail: sen.w@163.com)。

作者簡介:

收稿日期:2015－11－20;修回日期:2015－12－12

中圖分類號:X 701

文獻標志碼:B

文章編號:1674－1951(2016)01－0064－04