王义厢

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

随着矿物能源的无节制利用以及一次能源储量日益枯竭引发的环境污染问题日趋严重，以高新技术开发清洁、可再生的新能源以替代煤炭、石油和天然气等不可再生能源，是解决能源危机和环境问题的有效途径。生物质能来源十分丰富,属于可再生能源，它是居于世界能源消费总量第四位的能源。我国是一个农业大国，大量秸秆每到收获季节就被燃烧，这本身也造成了污染。如果把这些秸秆集中起来加工为生物质燃料，不仅大大提高了能源效率，并且生物质能还可再生、含硫量低，不增加温室气体排放，是一种非常好的绿色能源。由于循环流化床燃烧技术在替代燃料、处理各种废弃物和保护环境三方面具有其他燃烧技术无可比拟的独特优势，生物质循环流化床锅炉应运而生。由于生物质燃料中含有较多熔点低的钾元素,燃烧后的飞灰容易在受热面管表面结垢。同时燃料中还含有腐蚀作用很强的氯和碱性物质，因而在锅炉的炉膛中布置的受热面采用不锈钢材质来解决这一问题。但在锅炉的实际使用过程中，布置在炉膛内的屏式过热器弯曲变形，给锅炉的安全运行带来了很大的影响。

1 屏式过热器布置与变形

某生物质循环流化床微正压燃烧方式，平衡通风，燃料为生物质，露天布置。采用四级过热蒸汽系统，蒸汽依次通过包墙过热器，低温过热器，炉膛内屏式过热器至后烟井内高温过热器。屏式过热器为膜式结构，由18根Φ42 mm×8 mm的TP347H管子与扁钢焊接而成，屏式过热器长度约为14 m。设置6屏在炉膛前墙水冷壁位置沿炉膛中心线向两侧均匀布置，如图1所示。管屏下部覆有浇注料，防止炉膛稀相区颗粒对受热面管子的磨损、冲蚀。下部穿水冷壁前墙处通过密封罩壳固定在前墙水冷壁上(如图2所示)，管屏出口集箱处采用悬挂结构。锅炉投运一年后，该类型不同电厂锅炉的屏式过热器均产生较大侧向变形(如图3、图4所示)，管屏偏离中心线向两侧弯曲，其中炉膛左右两屏弯曲变形量最大，最大值达到900 mm。

图1 屏式过热器布置图/mm

图2 屏式过热器底部穿墙处示意图

图3 屏式过热器变形示意图1

图4 屏式过热器变形示意图2

2 管屏变形原因分析

2.1 宏观分析

停炉检修过程中对管屏变形部分的管子进行了壁厚测量、硬度测定及金相检验，发现过热器管子壁厚、硬度、金相组织正常。对屏式过热器管屏穿水冷壁前墙处检查发现，为了保证锅炉良好的密封性，屏式过热器进口集箱位置采用密封盒与前墙水冷壁相连接，管屏可以通过滑槽向下膨胀(如图2所示)。但在锅炉安装初始，往往为了防止炉膛稀相区颗粒对管屏的磨损，将管屏下部采用浇注料覆盖，施工过程中把浇注料与前墙水冷壁交接处固定在一起(如图3所示)，使得管屏热膨胀时的膨胀行程受阻。

2.2 理论分析

根据管屏的布置情况，可以按为细长杆的失稳变形模型分析[1-2]。假设理想状况下，锅炉运行时，管屏达到稳态时近似平均温度为T，当管屏可以上下自由膨胀则其膨胀伸长量LT为

LT=LαΔT

(1)

式中：LT为温度为T时管子的膨胀伸长量，mm；L为管子原长度，mm；α为工作温度时管子线膨胀系数，10-6/℃；ΔT为管子的温度变化值，℃。

实际情况是锅炉安装过程中管屏下部防磨浇注料的敷设，限制了管屏向下膨胀的空间，进而管屏产生了轴向压力，管屏径向有个微小的扰动，则会使得管子向两侧方向变形，从而导致管屏在内压力的作用下发生侧向弯曲变形，变形后的实际长度为Lw，则管屏在温度T时变形量为LT-Lw，那么压力F做的功W=F(L+LT-Lw)。

令Ls=L+LT-LW，即管子在压力F的作用下实际缩短量为Ls，有

Ls=FL/EA

(2)

式中：Ls为压力作用下的管子缩短量,mm；F为失稳变形的临界压力，Pa；E为杨氏模量；A为管子的截面积,mm2。

管子变形储存的变形能为

U=B2F2L/(4EI)

(3)

式中：B为管子最大挠度的1/2；I为截面惯性矩,m4。

(4)

式中：λ为管子的柔度；μ为两端固定的压杆长度系数。

从式(4)可以看出，管子变形的最大挠度与其温度变化量、长度和材料的热膨胀系数的变化成正比。屏式过热器材料为TP347H物理参数如表1所示。

表1 TP347H物理参数

从表1可以看出，不锈钢材料TP347H的热膨胀系数较大，相比碳钢、低合金钢而言同样的温度变化不锈钢TP347H将产生更大的膨胀量，当自由度被限制后，产生的应力也会越大。从锅炉设计资料中得到，屏式过热器的出口工质温度达到520 ℃，炉膛烟气温度约为850～900 ℃，从式(4)得出温度变化量与线性膨胀量成正相关，因此较高的温度会导致管子较大的变形量，同时也验证了同类型的锅炉采用同样的结构的水冷屏及低合金钢材质的屏式过热器并没有产生如此大变形的原因。

2.3 其他影响因素

启炉初期，自然循环水动力不足，流动阻力大产生膜态沸腾等传热恶化现象[3]，产生的蒸汽量不足更会导致对过热器冷却不够等因素，高温烟气持续加热使过热器管屏温度进一步提高，从而导致管屏更大的膨胀量以及更大的热应力。锅炉采用循环流化床燃烧方式，后墙靠近两侧处布置有炉膛出口，因此炉膛两侧处的烟气流速会更大，屏式过热器变形量最大的也恰恰是布置在炉膛最外侧的两屏。

3 结 论

根据以上分析可以得出布置在炉膛内的屏式过热器运行一段时间后产生弯曲变形的原因主要有以下几个方面：

(1)在锅炉设计中对屏式过热器轴向的膨胀设计不够周全，虽然在下部穿墙处设置密封盒并预留自由移动的滑槽，但在安装施工过程中管屏下部水平段的防磨浇注料将管屏固定于前墙水冷壁之上，使其失去了作用。

(2)屏式过热器选择TP347H不锈钢材料，解决了生物质燃料中腐蚀的特性，轻视了材料的较大的线性膨胀率的物理特性。

(3)屏式过热器运行时较高的温度，生物质循环流化床锅炉炉膛的温度场不均，以及启动锅炉时汽水循环不畅导致对过热器的冷却程度不够等因素造成了管屏较大的变形。

4 解决措施

(1)调整屏式过热器防磨浇注料的敷设位置，如在穿墙处采用防磨涂料等措施，保证管屏膨胀间隙；

(2)把过热器管屏最外圈管子作为夹持管，加大管屏的刚度；

(3)更换管屏材质，选用热膨胀系数低的低合金钢，表面增加防腐蚀涂层；

(4)在保证锅炉炉膛温度场以及烟气阻力不受较大影响的情况下，增加屏式过热器的管屏数量从而缩短管屏的长度，降低管屏的线性膨胀量；

(5)加强锅炉运行和启炉的操作规范性，严格控制管壁温度和烟气温度，做到管壁不超温，降低材料热应力。