一種新型錐形灰控閥技術

劉孝平

（國家能源集團郭家灣電廠，陜西府谷 719400）

0 引言

CFB鍋爐（Circulating Fluidized Bed Boiler），具有燃料適應性廣、燃燒效率高、負荷調(diào)節(jié)范圍大、可在爐內(nèi)直接脫硫和實現(xiàn)低NOx排放、燃料制備系統(tǒng)簡單，以及易于實現(xiàn)灰渣綜合利用等眾多優(yōu)點，在生產(chǎn)用汽、供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)、電站鍋爐中被廣泛采用［1-3］。

CFB鍋爐的床壓需要通過調(diào)整排渣量來進行控制，而鍋爐排渣溫度通常在1 000℃左右，具有高溫且流動性較差的特點。運行過程中的高溫灰渣需通過連接鍋爐排渣口至冷渣器進口的落渣管進行輸送，而保持渣流在落渣管內(nèi)的通暢性對于鍋爐排渣來講至關重要，落渣管上所布置的閥門是保證落渣管工作可靠性的關鍵因素之一［4-5］。

錐形灰控閥（以下簡稱錐形閥）是應用于CFB鍋爐爐膛排渣口至冷渣器進口的落渣管路上的高溫渣流控制設備。其主要結構如圖1所示，包括閥座、閥頭、閥體、閥桿、導軌及支撐裝置、電動執(zhí)行器、觀察窗及捅渣裝置等。閥座一端與閥體固定連接，另一端與排渣口連通；閥桿的一端與閥頭固定連接，另一端支撐在閥體后蓋法蘭上；閥頭布置于閥體內(nèi)，在閥桿的帶動下在閥體內(nèi)沿閥座軸線方向做直線運動。閥座和閥體設置有灰渣流通通道，閥頭與閥座相適配，通過控制閥頭與閥座的距離可以控制渣流通道的開關或實現(xiàn)渣流量的調(diào)節(jié)。

圖1 錐形閥組件Fig.1 Cone valve subassembly

根據(jù)國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》1.5.3條文中要求：“循環(huán)流化床排渣門須使用先進、可遠方操作的電動錘型閥（錐形閥），取消簡易的插板門”。在CFB鍋爐特別是側排渣方式鍋爐的落渣管路上，裝設錐形閥不僅能減小操作工人的勞動強度，同時也能預防安全事故的發(fā)生。因此，對在運鍋爐排渣系統(tǒng)改造或者新建鍋爐排渣系統(tǒng)設計時，錐形閥都是必不可少的設備。

1 常規(guī)錐形閥在使用中存在的問題及分析

1.1 常規(guī)錐形閥結構及特點

常規(guī)錐形閥結構及特點如表1所示。

表1 常規(guī)錐形閥結構及特點Tab.1 The structure and characteristics of conventional cone valve

1.2 閥座易碎

采用碳化硅（Si C）陶瓷材料作為閥座，雖耐溫耐磨性能較好，但碳化硅陶瓷材料受外力作用時易發(fā)生脆性斷裂（如圖2所示）。在運行過程中，由于閥頭和閥座之間必然存在渣流，要關閉閥門，閥頭與閥座之間一定存在擠壓甚至撞擊作用力，故Si C閥座有局部斷裂、閥座破裂等問題（按使用情況不完全統(tǒng)計，采用Si C閥座的錐形閥，80%以上的閥座出現(xiàn)碎裂情況），因而更換頻繁且不方便，使用成本較高。

圖2 碳化硅閥座實物Fig.2 Silicon carbide valve seat

1.3 閥頭易損

無冷卻結構的閥頭在1 000℃左右的高溫環(huán)境下容易氧化、變形甚至脫落，導致錐形閥堵渣或卡澀，甚至完全不能使用，進而影響鍋爐正常運行。這樣的問題主要發(fā)生在閥頭與閥桿簡單連接的結構上。

1.4 水平直段堵渣

有水平直段型結構，渣在直段上容易搭橋、堆積、結焦，導致堵塞。水平直段越長，堵塞越嚴重，清理工作量很大，嚴重影響鍋爐的正常運行。

1.5 閥門內(nèi)漏

CFB鍋爐排渣錐形閥所控制的物料流為鍋爐排出的高溫灰渣（粒徑正常為0 mm～8 mm），由于高溫灰渣流內(nèi)有大顆粒的存在，閥頭與閥座在渣流通道內(nèi)工作時，大顆?；以鼧O易卡塞在閥頭與閥座之間的環(huán)形間隙內(nèi)，導致閥頭與閥座繼續(xù)進行密封接觸受阻（如圖3所示），最后造成閥座與閥頭貼合不嚴，此時爐膛內(nèi)的正壓煙氣會攜帶細灰會從縫隙內(nèi)進入落渣管內(nèi)，出現(xiàn)“內(nèi)漏-冒灰”現(xiàn)象。錐形閥“內(nèi)漏”給落渣管道在線檢修帶來一定的安全隱患。高溫物料錐形閥最早被普遍應用于化工系統(tǒng)的高溫粉末物料的流量控制，后來被引入到CFB鍋爐作為排渣閥使用。密封不嚴、卡渣冒灰是所有高溫物料錐形閥的通病，根本原因可能是由使用環(huán)境所決定的。

圖3 閥座與閥頭卡渣示意圖Fig.3 Schematic diagram of slag sticking between valve seat and valve head

1.6 傳動機構故障率高

錐形閥執(zhí)行機構傳動組件僅有簡單的橡膠波紋管防護（如圖4所示）。在CFB鍋爐運行時，其灰渣溫度高和且煙氣中存在SOx，所以橡膠波紋管容易高溫老化損壞，且更換和檢修不便。這種未設外防護結構的執(zhí)行機構，現(xiàn)場工況較為惡劣，積塵積灰嚴重，最終會導致傳動機構卡澀，運轉不暢。而其現(xiàn)場空間狹窄，檢修人員上下不易、不容易檢修，所以其使用很不方便。

圖4 傳動機構無圍護結構圖Fig.4 Picture of transmission mechanism without enclosure structure

1.7 耐火材料破碎導致堵渣

CFB鍋爐在落渣管路中須設置金屬膨脹節(jié)，對鍋爐的軸向和橫向位移進行補償。金屬膨脹節(jié)的波紋管是一種特殊的彈簧，在彈性范圍內(nèi)遵循胡克定律，反作用力按式（1）計算：

式中：F為膨脹反力，N；k為膨脹節(jié)剛度系數(shù)，N/mm；ΔL為膨脹量，mm。

根據(jù)所用膨脹節(jié)的橫向和軸向剛度系數(shù)k，鍋爐對應位置橫向以及軸向膨脹量ΔL，有下式：

F軸=k軸ΔL軸.

F橫=k橫ΔL橫.

金屬膨脹節(jié)與錐形閥之間為剛性連接，對應的反作用力由錐形閥承受。

簡單吊掛、無導向限位裝置的錐形閥在使用過程中，錐形閥根部（錐形閥與爐膛排渣口連接段）承受膨脹節(jié)被壓縮之后產(chǎn)生的反作用力，外殼被擠壓變形（外殼溫度高時尤為明顯）導致內(nèi)部耐火材料碎裂、脫落，甚至堵塞在閥座前端，且很難疏通，嚴重時根本無法正常排渣，嚴重影響鍋爐的正常運行。

2 針對性的解決方法和說明

2.1 提出針對性的結構

根據(jù)前文所述的錐形閥使用中存在的問題，對錐形閥結構進行改進，如表2所示。

表2 錐形閥結構及特點對比Tab.2 Structure and characteristics comparison of cone valve

2.2 長壽命、易維護型閥座

一般錐形閥閥座易損壞的根本原因是采用了易碎裂的碳化硅（Si C）材料?？紤]到閥座惡劣工況（高溫、受力），新型錐形閥首先是采用高耐熱耐磨又有一定高溫強度的稀土鑄鋼作為閥座材料，其次是配合水冷結構以改善閥座的工作環(huán)境，確保大幅提高閥座的可靠性和使用壽命，其結構如圖5所示。

圖5 水冷式耐熱鑄鋼閥座Fig.5 Water cooled heat resistant cast steel valve seat

閥座采用了高耐熱耐磨稀土鑄鋼+水冷組合式閥座，可靠性更高、壽命更長、維護更方便。

閥座溫度按以下熱平衡計算：

式中：K1為灰渣與閥座的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；K2為閥座與冷卻水的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Δt1為閥座與冷卻水之間的溫差，℃，按式（3）計算；Δt2為灰渣與閥座之間的溫差，℃，按式（4）計算；H1為閥座與灰渣的接觸面積，m2；H2為閥座與冷卻水的接觸面積，m2。

式中：t渣為灰渣溫度，℃；t座為閥座溫度，℃；t水為冷卻水平均溫度，℃。

錐形閥和爐膛排渣管開孔接口處，采用水冷集箱+稀土耐熱耐磨鑄鋼材質(zhì)閥座，閥座通過柔性高導熱材料與內(nèi)層水冷集箱環(huán)板實現(xiàn)高導熱性精密配合，耐熱耐磨鑄鋼閥座的安裝、拆卸，采用拆卸緊固螺栓即可，不再需要用耐火泥或耐磨料澆注在一起，1小時內(nèi)即可完成更換。

2.3 渣流通道無水平直段結構

采用無水平段渣流通道結構（如圖6所示），避免渣在水平段堆積、結焦堵塞，同時布置耐高溫的可視觀察窗，便于事故狀態(tài)下進行疏通。

圖6 無水平段錐形閥剖面示意圖Fig.6 Profile diagram of conical valve without horizontal section

2.4 采用復合式水冷閥頭

采用水冷組合式閥頭和閥桿結構，其防卡塞、密封和冷卻效果好。

閥帽部分材料采用高耐熱耐磨稀土鑄鋼，閥帽通過高導熱精密配合結構（龍麟科創(chuàng)專利技術）與閥頭水冷內(nèi)芯連接，而閥頭水冷內(nèi)芯與閥桿為焊接連接，因此既不會出現(xiàn)漏水問題，也方便了閥帽的更換。水冷式閥桿設計為夾套管結構，閥桿外管采用厚壁高壓鍋爐管型號20G，并經(jīng)過焊接—退火—粗/精車—精磨加工而成，外表面精度高，內(nèi)管采用直徑較小的高壓鍋爐管型號20G。外管進水、內(nèi)管出水，內(nèi)、外管水流截面分配合理可保證閥頭與閥桿充分冷卻。其結構如圖7所示。

圖7 冷閥桿及閥頭Fig.7 Cold stem and valve head

2.5 閥桿密封采用復合結構

水冷閥桿與閥體之間采用耐高溫的柔性材料密封，且密封處設有空氣吹掃裝置（如圖8所示），可避免高溫細灰進入密封處造成水冷閥桿卡塞。

圖8 閥桿密封及空氣吹掃結構Fig.8 Stem seal and air purge structure

2.6 系統(tǒng)嚴控內(nèi)部漏灰

目前的錐形閥，無論是進口錐形閥還是國產(chǎn)錐形閥，其主流結構都是依靠閥頭線型推進，通過與閥座進行貼合實現(xiàn)渣流控制。而落渣系統(tǒng)的工作條件決定了在其貼合面上可能出現(xiàn)渣粒停留，此時閥頭和閥座無法緊密貼合，所以無法對含有粗顆粒的渣流以及爐內(nèi)正壓煙氣形成可靠密封，這是由閥體結構和工作介質(zhì)的特性共同決定的。

在錐形閥下游、膨脹節(jié)之前增設隔熱式高溫灰渣閥（專利技術），既能保證排渣管路的密封便于設備的檢修維護，又能確保整個排渣管路的隔熱性能，配合模塊式快裝（快速安裝）隔熱渣管，可確保原生完美連接（指接口相互配合緊密），如圖9所示。

圖9 落渣管系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of slag pipe system

2.7 全密封可拆卸式傳動機構防護

在錐形閥的傳動機構外增加可拆卸式整體金屬防護罩殼，可防止精密傳動組件積灰，降低傳動機構的故障率，同時也便于檢修維護。

2.8 設置限位導向裝置

鍋爐熱態(tài)運行后，鍋爐排渣口產(chǎn)生熱位移，冷渣機與鍋爐排渣口中間布置的金屬膨脹節(jié)只能起到吸收位移的作用，但金屬膨脹節(jié)必然給鍋爐排渣口反作用力和反作用力矩，這個和鍋爐膨脹產(chǎn)生的力和力矩是不一樣的。這些力和力矩最終通過排渣管傳遞至鍋爐排渣口位置（特別是鍋爐排渣口與錐形閥連接位置的焊縫）。國內(nèi)使用的光管結構排渣管在該處出現(xiàn)焊縫斷裂的現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，渣管限位導向裝置是非常有必要的。限位導向裝置的作用在于，可以確保錐形閥在鍋爐膨脹時與其所對應的鍋爐排渣口位置在水平方向保持相對靜止，同時又能夠確保錐形閥隨鍋爐的垂直向下而自由熱膨脹（結構如圖10所示）；這樣就可確保在鍋爐熱態(tài)運行時，由膨脹節(jié)被壓縮后產(chǎn)生的反作用力全部傳遞到限位導向裝置上，從而避免（因該作用力）在錐形閥根部形成轉矩，進而實現(xiàn)局部避免焊縫拉裂或耐磨材料擠壓碎裂。

圖10 導向限位裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of guide limit device

2.9 采用稀土合金內(nèi)管

一般的錐形閥采用耐火澆注料作為耐熱耐磨內(nèi)襯，其缺點是一方面在使用過程中容易粉末化脫落，另一方面是在內(nèi)部疏通過程中容易損壞，導致堵渣。采用稀土耐磨耐熱合金鑄鋼材料作為內(nèi)管，有效地避免了澆注料脫落以及容易損壞的問題。

3 新型錐形閥在郭家灣電廠技改項目中的使用效果

3.1 使用的效果

從郭家灣電廠渣管技改項目中采用新型錐形閥的使用情況來看，達到了如下效果：

（1）渣流通暢，無堵渣現(xiàn)象。

（2）開關到位，動作靈活，無卡渣現(xiàn)象。

（3）閥座采用水冷閥座后，無閥座破裂情況出現(xiàn)。

（4）采用復合結構水冷閥桿，閥桿變形卡澀情況得到了根本改善，閥門動作靈活。

（5）閥體無超溫現(xiàn)象。

（6）前期采用平蓋鑄鋼閥頭時，閥頭雖然有水冷，但依然出現(xiàn)了開裂情況；后期改為鍛鋼錐形閥頭，使用情況良好，已經(jīng)順利運行1年左右，無異常出現(xiàn)。

（7）閥桿與閥體后蓋法蘭密封在使用幾個月后，出現(xiàn)少量漏灰，經(jīng)檢查是密封盤根失效造成，只能采用更換盤根來處理。

總的來說，采用錐形閥的結構改進達到了預期的使用效果，具體的運行情況見運行情況記錄表（如表3所示）。

表3 郭家灣電廠新型錐形閥的運行情況記錄Tab.3 Operation record of the new cone valve in Guojiawan Power Plant

3.2 有待完善的結構

錐形閥安裝運行1年多后尚存在需后續(xù)研究解決的問題，具體如下。

（1）閥桿密封盤根壽命短。

目前閥桿采用密封結構與甲公司基本一致，即壓縮空氣+耐高溫石墨盤根組合密封結構，由于閥桿每天動作次數(shù)頻繁（40～50次/天），而盤根在高溫情況下失去彈性會出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，使得閥門在開關過程中有少量灰泄漏。

針對此問題，應當進一步研究動作構件在高溫固體物料環(huán)境下使用的密封問題，進一步提高密封件使用壽命，減少運行過程中灰渣及煙氣泄漏，降低維護工作量和使用成本。

（2）直線導軌長期使用易積灰卡澀。

由于鍋爐使用年限已久，現(xiàn)場環(huán)境差容易出現(xiàn)積灰，錐形閥使用精密直線導軌，對導軌滾珠的密封要求相對較高，一旦直線導軌滾珠內(nèi)出現(xiàn)積灰就出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

針對此問題，應當考慮采用更適應積灰多、環(huán)境狀況較差的直線導軌，即導軌應考慮防塵防卡，以確保錐形閥在多灰環(huán)境下可靠運行。

4 結束語

從新型錐形閥在郭家灣電廠渣管及渣閥技改項目中所使用的效果來看，其閥頭的耐用性、動作機構的可靠性、渣流通性、表面溫度控制等均符合預期的改進要求，所以整體可靠性和安全性大幅提高。此次技改項目為提高CFB鍋爐排渣系統(tǒng)的可靠性、安全性提供了一種高性價比的產(chǎn)品和方案選擇，建議推廣。