大型循環(huán)流化床鍋爐冷渣機(jī)優(yōu)化創(chuàng)新

神華國(guó)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(jìn)膜式壁螺旋結(jié)構(gòu)。膜式壁冷渣機(jī)是一種實(shí)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(jī)內(nèi)部檢查檢修難度日益加大。四川白馬公司針對(duì)現(xiàn)有冷渣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)研國(guó)內(nèi)冷渣機(jī)生產(chǎn)的幾個(gè)主流技術(shù)，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新，提高了冷渣機(jī)的可靠性。其中主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：

1、改變冷渣機(jī)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(guò)新型全框架支撐系統(tǒng)，提高了冷渣機(jī)內(nèi)部換熱元件的支撐強(qiáng)度，避免了固定件松動(dòng)，部件掉落的問(wèn)題。

3、采用獨(dú)特的冷渣機(jī)進(jìn)渣管澆筑工藝，鉚扣工藝，加強(qiáng)了冷渣機(jī)進(jìn)渣管道的可靠性。

通過(guò)優(yōu)化后的冷渣機(jī)，工作運(yùn)行狀態(tài)較好，第一臺(tái)優(yōu)化的冷渣機(jī)時(shí)間是在2015年9月，運(yùn)行近2年時(shí)間，未曾有冷渣機(jī)漏水、管排支撐件松動(dòng)、進(jìn)渣管脫落等問(wèn)題，大大提高了冷渣機(jī)的安全可靠性，為將來(lái)冷渣機(jī)的發(fā)展指明了方向。

二、整體分析

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

圖1 成都派系的分倉(cāng)結(jié)構(gòu)

圖2 青島派系的雙筒結(jié)構(gòu)

圖3 冷渣機(jī)泄漏照片

分倉(cāng)結(jié)構(gòu)是將內(nèi)筒分為大小不等的倉(cāng)格，每個(gè)倉(cāng)格的灰渣幾乎成獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，也有部分交混，來(lái)提高換熱面積。而雙筒結(jié)構(gòu)是采用同心的管排滾筒，來(lái)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(lái)加強(qiáng)冷渣機(jī)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(jī)漏水

冷渣機(jī)漏水是該設(shè)備常見(jiàn)故障。由于檢查難點(diǎn)的存在，會(huì)造成冷渣機(jī)運(yùn)行時(shí)無(wú)法檢查和檢修，處理一小處漏點(diǎn)所需的時(shí)間及工期較長(zhǎng)，設(shè)備的可靠率降低。特別是在冷渣機(jī)發(fā)生漏水以后，水和灰渣進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生難以清除的渣塊。渣塊會(huì)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(shí)，冷渣機(jī)筒體處于不平衡狀態(tài)，造成設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)。

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

統(tǒng)計(jì)我廠和其它循環(huán)流化床電廠冷渣機(jī)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(jī)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(qiáng)，管道及金屬件熱疲勞強(qiáng)度大。冷渣機(jī)的運(yùn)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(shí)在加工制造中的殘余應(yīng)力與使用過(guò)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(guò)在冷渣機(jī)外筒體上增加測(cè)溫孔、測(cè)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(zhǎng)，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(duì)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(jī)換熱曲線圖

2、支撐固定件松動(dòng)

冷渣機(jī)的管排固定方式均為卡件或支撐件，其作用點(diǎn)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(shí)，整個(gè)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(diǎn)，然后引起整個(gè)內(nèi)換熱面晃動(dòng)，造成設(shè)備焊縫、管排拉裂漏水。

3、下渣管斷裂

冷渣機(jī)內(nèi)部進(jìn)口下渣管均采用奧氏體不銹鋼310S結(jié)構(gòu)，在冷渣機(jī)內(nèi)部長(zhǎng)期運(yùn)行后，下渣管上部焊縫強(qiáng)度變低，甚至斷裂，斷裂后的下渣管在進(jìn)渣段反復(fù)碰撞冷渣機(jī)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(dòng)，進(jìn)渣管脫落不是偶然性的問(wèn)題，它是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，從量變到質(zhì)變的一個(gè)過(guò)程。如果在每一個(gè)檢查周期（1個(gè)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(jī)可靠性。

三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

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(kāi)，同時(shí)在外筒體高溫段開(kāi)設(shè)長(zhǎng)方形檢修孔。外管排組由兩根回水管及兩根進(jìn)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(gè)檢查孔。并以相同的的結(jié)構(gòu)在高溫段處開(kāi)設(shè)5組檢查孔。在開(kāi)孔后，整個(gè)視線空間能覆蓋內(nèi)筒外壁，0-2.5米長(zhǎng)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(guò)外部筒體鋼板，管道與外部筒體鋼板貼近，這樣不會(huì)影響管道的受熱膨脹，也將需要的檢修檢查空間讓開(kāi)，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(guò)讓管流速變化趨勢(shì)，來(lái)判斷冷渣機(jī)讓管處是否存在傳熱惡化情況。冷渣機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，按照美國(guó)換熱器協(xié)會(huì)（HEI）發(fā)布的《電廠換熱器標(biāo)準(zhǔn)》（PPHX）進(jìn)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(guò)2.4m/s進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)供水處旋轉(zhuǎn)接頭壓力表可以測(cè)得供水壓力門后為1.5MPa,回水壓力門前測(cè)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(duì)整個(gè)變換區(qū)域的管組進(jìn)行流速及流態(tài)檢查。三通制作外壁軌跡與流體運(yùn)動(dòng)時(shí)流跡線接近，沒(méi)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(yùn)動(dòng)粘度計(jì)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(yùn)動(dòng)粘度；

在1.2m/s時(shí)，Re=114884＞4000 流體為紊流狀態(tài)；

在2.2m/s時(shí)，Re=219324＞4000流體為紊流狀態(tài)；

符合管道傳熱設(shè)計(jì)。

圖7 讓管流速分布圖

讓管位置管排采用讓管后，在冷渣機(jī)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(wú)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(hù)雙筒冷渣機(jī)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(jì)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(qiáng)度也增大，由于管道內(nèi)有水高速流動(dòng)，容易產(chǎn)生管道振動(dòng)，圓形框架結(jié)構(gòu)在水平、垂直、傾45°時(shí)更能穩(wěn)定內(nèi)管排，改變?cè)O(shè)備的固有頻率，不讓內(nèi)管排發(fā)生振動(dòng)、異響等機(jī)械缺陷。（該支撐結(jié)構(gòu)主要針對(duì)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(gè)抓釘?shù)淖ド炝?，從而避免?nèi)部澆注料的垮塌。

抓釘與卷管之間采用焊接固定。抓釘長(zhǎng)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(jìn)行脫模。并能保持下渣管內(nèi)壁的光滑度，避免過(guò)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(guò)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(jìn)行。將原漿按照水、料、合劑的比例使用攪拌機(jī)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(dòng)棒分層、逐級(jí)的震動(dòng)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(diǎn)，在溫度25℃以上放置7天以上，就可以進(jìn)行取模。取模時(shí)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?cái)?，然后將模具取出?/p>

（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(duì)內(nèi)部的耐磨料進(jìn)行烘烤。烘烤可根據(jù)條件進(jìn)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(jìn)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(shí)間為2015年9月，2017年7月對(duì)該新結(jié)構(gòu)技術(shù)可靠性及性能進(jìn)行驗(yàn)證。

檢修空間驗(yàn)證：打開(kāi)5組檢修孔后，內(nèi)筒0-2.5米位置均能進(jìn)行檢修，檢查檢修空間滿足技改設(shè)計(jì)要求。

排渣溫度驗(yàn)證：在3r/min轉(zhuǎn)速下對(duì)回水溫度及出渣溫度進(jìn)行試驗(yàn)?；厮疁囟炔捎孟到y(tǒng)自帶DCS數(shù)據(jù)，出渣溫度采用紅外線測(cè)溫儀取渣堆中部溫度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8。

圖8 冷渣機(jī)灰渣溫度變化圖

對(duì)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(xiàng)，論文1篇。

2、集團(tuán)內(nèi)獲獎(jiǎng)：神華國(guó)能公司第一屆青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目一等獎(jiǎng)。

五、結(jié)論

冷渣機(jī)已不止運(yùn)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(xiàng)目上均有發(fā)展。上述三項(xiàng)創(chuàng)新內(nèi)容，提升了運(yùn)行時(shí)的可靠性，停備時(shí)檢修的便利性，從檢、運(yùn)、維的三方面重點(diǎn)考慮了設(shè)備的周期性規(guī)律。為冷渣機(jī)高參數(shù)，大型化的發(fā)展上具有指導(dǎo)意義。