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)化設計。

1　系統(tǒng)與設備概況

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％，每臺機組設置一臺SCR反應器，反應器尺寸為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計參數(shù)

1.2煙道接口設計參數(shù)

脫硝裝置入口煙道設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)技術參數(shù)

原膨脹節(jié)廠家根據(jù)設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)一般應用于金屬膨脹節(jié)中，起加大補償量的作用，應用于非金屬膨脹節(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)部設置雙導流板，材質(zhì)為Q345并設加強筋板。膨脹節(jié)下部導流板間距為350 mm，并設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重視大尺寸和大位移量煙道上非金屬膨脹節(jié)的設計和安裝，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)和保溫材料應細化設計，同時應做好現(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)及其應用［J］.發(fā)電設備，1997(z2) : 64－66.

［2］洪建凡.美國流體密封協(xié)會(FSA)非金屬膨脹節(jié)標準介紹［C］//中國機械工程學會.第十一屆全國膨脹節(jié)學術會議論文集.北京:中國機械工程學會，2010: 20－25.

［3］傅文玲.陳光艷.煙道非金屬補償器選型及安裝建議［J］.電力科技與環(huán)保，2010，26(2) : 61－62.

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

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

［6］設備及管道絕熱設計導則: 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