摘要：簡(jiǎn)要介紹了某工程的送粉管道上豎直布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器異常變形的情況，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析原因，并運(yùn)用CAESERⅡ軟件對(duì)送粉管道的熱態(tài)變形進(jìn)行模擬計(jì)算，解析了支吊架的設(shè)置對(duì)管道熱態(tài)變形的影響。針對(duì)自由復(fù)式補(bǔ)償器出現(xiàn)的過大橫向熱位移擬定了修改方案，取得了較好的運(yùn)行效果，為工程設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工安裝服務(wù)提供了參考。

關(guān)鍵詞：送粉管道;自由復(fù)式補(bǔ)償器;豎直布置;異常變形;支吊架

中圖分類號(hào)：TM621.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）01-0036-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.010

1? ? 自由復(fù)式補(bǔ)償器異常變形概況

某國(guó)外火力發(fā)電廠工程采用6×660 MW超臨界燃煤機(jī)組，其鍋爐采用四角切圓燃燒方式，每臺(tái)爐共設(shè)有7層燃燒器。首臺(tái)投運(yùn)的3號(hào)機(jī)組自2013年3月試運(yùn)行以來(lái)，燃燒器入口送粉管道[1]上豎直布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器（又稱“三向波紋管補(bǔ)償器”）在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)有部分變形較大，如圖1所示的3號(hào)爐E1、F1、G1送粉管道，部分補(bǔ)償器的波節(jié)出現(xiàn)了不同程度的壓癟、壓死的情況;另外還有部分補(bǔ)償器的波節(jié)甚至和管道、鋼梁之間發(fā)生擦碰，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。業(yè)主方認(rèn)為送粉管道上的這些補(bǔ)償器變形過大，且有部分補(bǔ)償器已失效，懷疑補(bǔ)償器的質(zhì)量有問題或補(bǔ)償器的布置方式不對(duì)。

圖2所示是4號(hào)爐相同位置的E1、F1、G1送粉管道，根據(jù)下文第5節(jié)的修改措施進(jìn)行了整改，圖中自由復(fù)式補(bǔ)償器的橫向熱位移相對(duì)大幅減小。

2? ? 補(bǔ)償器布置的合理性分析

針對(duì)上述補(bǔ)償器異常變形的問題，設(shè)計(jì)人員赴該工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，充分了解情況，并進(jìn)行了全面分析和研究。

首先，由于鍋爐的燃燒器在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)有較大的向下的熱位移（各層燃燒器熱位移285～357 mm），燃燒器入口送粉管道上就需要設(shè)置自由復(fù)式補(bǔ)償器來(lái)吸收這個(gè)熱位移。自由復(fù)式補(bǔ)償器能補(bǔ)償軸向和任何橫向膨脹位移，補(bǔ)償量較大并有減小振動(dòng)傳遞的性能，適用于煤粉管道中需補(bǔ)償量較大的場(chǎng)合[2]。燃燒器入口的自由復(fù)式補(bǔ)償器一般有水平或豎直布置兩種方式，都有較多實(shí)際工程應(yīng)用。（1）自由復(fù)式補(bǔ)償器水平布置時(shí)，主要吸收橫向位移和少量軸向位移，如圖3所示[3]。對(duì)水平布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器一般應(yīng)進(jìn)行冷態(tài)偏裝（沿爐膛上下方向的偏裝），該偏裝值應(yīng)與補(bǔ)償器所承接的燃燒器熱態(tài)向下的垂直膨脹量相同，以保證補(bǔ)償器在工作狀態(tài)保持平直。（2）自由復(fù)式補(bǔ)償器豎直布置時(shí)，主要吸收軸向位移和少量橫向位移，如圖4所示。為減少燃燒器接口（A點(diǎn)）受力，對(duì)豎直布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器應(yīng)在出廠前進(jìn)行冷態(tài)預(yù)拉伸，該預(yù)拉伸值一般是補(bǔ)償器所承接的燃燒器熱態(tài)向下的垂直膨脹量的1/3～1/2。

以上兩種布置方式在火電廠的送粉管道上都有廣泛的工程應(yīng)用，各有優(yōu)缺點(diǎn)。（1）自由復(fù)式補(bǔ)償器的軸向剛度遠(yuǎn)大于其橫向剛度，當(dāng)其水平布置時(shí)，可以減少補(bǔ)償器對(duì)燃燒器的彈性推力，熱態(tài)時(shí)補(bǔ)償器的變形也相對(duì)較小;但需要設(shè)置恒力彈簧支吊架[4]（以下簡(jiǎn)稱“恒吊”），且需要有較長(zhǎng)的水平管道布置補(bǔ)償器。（2）自由復(fù)式補(bǔ)償器豎直布置主要是在燃燒器入口有彎頭時(shí)，補(bǔ)償器可以靠近燃燒器布置，布置方便，可減少恒力吊架的設(shè)置數(shù)量。

其次，為全面了解豎直布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器在火電廠送粉管道上熱態(tài)運(yùn)行的情況，還對(duì)西塞山電廠二期、馬鞍山電廠和岳陽(yáng)電廠三期等3個(gè)電廠進(jìn)行了調(diào)研。從調(diào)研情況看，這3個(gè)電廠的送粉管道上豎直段布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器運(yùn)行情況良好，沒有出現(xiàn)碰撞或漏粉的情況，僅有部分管道的補(bǔ)償器出現(xiàn)了較大的變形，但其最大變形量均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，這證明燃燒器入口的自由復(fù)式補(bǔ)償器布置在豎直段上是可行的。

同時(shí)對(duì)自由復(fù)式補(bǔ)償器的選型進(jìn)行了核算，補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的位移量考慮了一定裕量，橫向位移和軸向位移均在補(bǔ)償器能承受的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)能夠滿足要求。

3? ? 補(bǔ)償器異常變形的原因

由于采用類似布置的西塞山電廠二期、馬鞍山電廠和岳陽(yáng)電廠三期等3個(gè)電廠均沒有出現(xiàn)同樣的問題，經(jīng)過橫向?qū)Ρ确治?，認(rèn)為本項(xiàng)目自由復(fù)式補(bǔ)償器產(chǎn)生異常變形的原因，主要在于支吊架設(shè)置不合理，其次是鍋爐燃燒器及其送粉管道布置擁擠。

3.1? ? 支吊架設(shè)置

本工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行鍋爐燃燒器入口處送粉管道的支吊架設(shè)計(jì)，在施工圖設(shè)計(jì)配合時(shí)鍋爐廠要求：“關(guān)于燃燒器一次風(fēng)管的承受載荷問題，理論上，由于燃燒器為薄殼結(jié)構(gòu)，又是鍋爐核心部件;而一次風(fēng)與煤粉噴嘴相連，一旦受力角度改變，必然影響噴嘴的定位，所以燃燒器一般要求盡量不能承受任何外力。故而電動(dòng)煤閘門以及入口彎頭荷載需要提給設(shè)計(jì)院，在考慮煤粉管道支吊時(shí)予以考慮?！备鶕?jù)上述要求，設(shè)計(jì)人員在燃燒器入口豎直布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器上方設(shè)計(jì)了恒力吊架，此恒吊選型時(shí)考慮了鍋爐廠彎頭和電動(dòng)煤閘門的荷載（1 180～1 390 kg）。但實(shí)際上鍋爐廠設(shè)計(jì)的彎頭與送粉管道的連接采用聯(lián)管器，基本不會(huì)傳遞荷載或只傳遞部分荷載（以往的工程中，設(shè)計(jì)院的支吊架選型都不考慮全部承受鍋爐廠彎頭和電動(dòng)煤閘門的荷載）到送粉管道上。從圖5可以看出，鍋爐廠燃燒器入口彎頭和電動(dòng)煤閘門距離燃燒器殼體很近，而距離送粉管道上的支吊點(diǎn)較遠(yuǎn)，根據(jù)吊點(diǎn)的位置和管系荷載的分配，其荷載基本上是靠燃燒器自身承受，而不會(huì)全部分配到恒吊上。

由于恒吊的選型荷載與送粉管道實(shí)際不匹配（荷載偏大），在熱態(tài)時(shí)送粉管道隨爐膛向下位移時(shí)，恒吊會(huì)有較大的反作用力（包括補(bǔ)償器彈性推力在內(nèi)）阻礙送粉管道向下運(yùn)動(dòng)，這個(gè)力在20～34 kN;而燃燒器接口需要隨爐膛向下位移，受到恒吊的阻力，因此將會(huì)以恒吊在送粉管道上的吊桿生根點(diǎn)為軸，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力矩，或推動(dòng)吊架的吊桿水平擺動(dòng)，導(dǎo)致補(bǔ)償器上方的送粉管道偏斜，產(chǎn)生大于鍋爐燃燒器接口理論水平位移量的橫向位移，使補(bǔ)償器產(chǎn)生異常變形。同時(shí)，聯(lián)管器也發(fā)生局部變形，有些密封連接處被拉開甚至破壞。如圖6所示，圖（a）表示鍋爐燃燒器開始發(fā)生熱位移的情況，圖（b）表示鍋爐燃燒器向下發(fā)生熱位移后的情況，這是導(dǎo)致本工程燃燒器入口處自由復(fù)式補(bǔ)償器橫向位移過大的主要原因。

原設(shè)計(jì)的恒吊工作荷載設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)包括送粉管道的荷載、耐磨彎頭、補(bǔ)償器的重量以及鍋爐廠要求承受其供貨范圍的電動(dòng)煤閘門以及入口彎頭荷載，以F2送粉管道上的634號(hào)恒吊為例，選用立式恒吊，規(guī)格為C58V-69B 356（293↓）/3466-M42。

而實(shí)際上，鍋爐廠要求恒吊承受的這部分荷載，距離送粉管道上的支吊點(diǎn)較遠(yuǎn)，根據(jù)吊點(diǎn)的位置和管系荷載的分配，其荷載實(shí)際上都靠燃燒器自身承受，無(wú)法分配到恒力吊架上。在熱態(tài)時(shí)補(bǔ)償器還會(huì)有向上的彈性推力（補(bǔ)償器的剛度為49.37 N·mm，以F層293 mm向下的熱位移計(jì)算，如冷拉170 mm的話，為6.07 kN）。

原設(shè)計(jì)的恒吊理論計(jì)算荷載和管道熱態(tài)實(shí)際荷載對(duì)比如表1所示。

從表1可以看出，實(shí)際條件下，恒吊承受的工作荷載要遠(yuǎn)小于理論設(shè)計(jì)值。因?yàn)椴粌H鍋爐廠要求恒吊承受的荷載不會(huì)傳遞到送粉管道上，而且熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，自由復(fù)式補(bǔ)償器上方的管道受到補(bǔ)償器向上的彈性推力和內(nèi)壓軸向推力，所以熱態(tài)時(shí)此處吊架的荷載是變小的（相對(duì)于冷態(tài)），并不是恒定的。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)送粉管道上豎直的自由復(fù)式補(bǔ)償器靠近燃燒器布置時(shí)，在自由復(fù)式補(bǔ)償器的上方一般不設(shè)置恒力吊架，如馬鞍山電廠，其送粉管道在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)正常，而且豎直的自由復(fù)式補(bǔ)償器橫向變形也較小。所以經(jīng)過分析，建議本項(xiàng)目鍋爐燃燒器入口管道上的恒力吊架原則上予以取消。

3.2? ? 管道布置

本工程鍋爐采用四角切圓燃燒方式，共有7層燃燒器，在爐膛每個(gè)角接到燃燒器的送粉管道有7根（管徑是760 mm，補(bǔ)償器波節(jié)外徑870 mm），這些燃燒器接口立管間距偏小，僅有1 000 mm。當(dāng)相鄰管道上補(bǔ)償器的波節(jié)在同一個(gè)標(biāo)高時(shí)，凈間距只有130 mm，在熱態(tài)時(shí)，補(bǔ)償器波節(jié)就有可能發(fā)生碰撞。同時(shí)有些補(bǔ)償器與支吊架的鋼梁安裝在同一標(biāo)高，熱態(tài)運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償器徑向變形，補(bǔ)償器的波節(jié)就與鋼梁碰撞。解決這一問題只需調(diào)整補(bǔ)償器的安裝標(biāo)高，把相鄰管道上補(bǔ)償器的波節(jié)錯(cuò)開安裝，同時(shí)保證補(bǔ)償器的波節(jié)在冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)均不與支吊架的鋼梁碰撞。

4? ? 補(bǔ)償器異常變形的計(jì)算分析

運(yùn)用CAESERⅡ軟件來(lái)計(jì)算送粉管道F2上的634號(hào)恒吊對(duì)管道熱態(tài)位移的影響。選取送粉管道F2從燃燒器入口到自由復(fù)式補(bǔ)償器下方628號(hào)固定支架之間這段管道進(jìn)行建模計(jì)算。對(duì)于634號(hào)恒力彈簧吊架的荷載，分別按30.67 kN和10.98 kN兩種情況（表1）進(jìn)行計(jì)算分析，得到的熱位移圖如圖7和圖8所示。

表2列出了按恒吊荷載為30.67 kN和10.98 kN兩種情況模擬計(jì)算分析的熱位移值，從表2對(duì)比可知，荷載較大時(shí)，冷態(tài)下，恒吊把管道和補(bǔ)償器向上拉產(chǎn)生的變形也較大;熱態(tài)下，送粉管道隨爐膛向下位移時(shí)，恒吊也會(huì)有較大的反力阻礙送粉管道向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)補(bǔ)償器向下的熱位移DZ就變小了，而橫向位移DY就變大了。需要說(shuō)明的是，上述模擬計(jì)算時(shí)，補(bǔ)償器是按彈性變形來(lái)模擬，而實(shí)際上由于該補(bǔ)償器的變形量很大（約350 mm），其變形是彈性變形和塑性變形的組合，所以表2計(jì)算的位移值并不是真實(shí)的位移量。但該模擬計(jì)算得出的恒吊荷載對(duì)送粉管道熱態(tài)變形的影響的趨勢(shì)是有說(shuō)服力的，而且與上述3.1節(jié)中的理論分析也是吻合的。

5? ? 修改方案和效果

根據(jù)上述理論分析和模擬計(jì)算，針對(duì)本工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了以下解決方案：

（1）針對(duì)燃燒器入口的自由復(fù)式補(bǔ)償器異常變形問題，前文分析是由于恒吊設(shè)置的緣故，所以該處的恒吊原則上可以取消，但由于該工程是國(guó)外項(xiàng)目，恒吊已供貨到現(xiàn)場(chǎng)，恒吊規(guī)格也無(wú)法調(diào)整，只能采取以下權(quán)宜方案：恒吊安裝時(shí)，將其拉桿有效長(zhǎng)度調(diào)長(zhǎng)到燃燒器的最大熱位移值（可通過增設(shè)連接耳子和調(diào)整花蘭螺絲間隙以及拉桿的螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)），使其在冷態(tài)下不受力;熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)調(diào)整拉桿以保證在最大熱位移時(shí)恒吊是受力的，其他工況下不受力。這樣可以消除恒吊對(duì)送粉管道的向下熱位移的影響，同時(shí)在最大熱位移時(shí)可以保護(hù)送粉管道，防止其進(jìn)一步變形。

（2）調(diào)整自由復(fù)式補(bǔ)償器盡量靠近燃燒器入口的彎頭，以減少燃燒器所承受的送粉管道荷載。

（3）對(duì)于豎直布置的自由復(fù)式補(bǔ)償器的橫向熱位移較大，還可將補(bǔ)償器進(jìn)行冷態(tài)預(yù)偏裝，以減小熱態(tài)的變形位移。

該工程4號(hào)機(jī)組的送粉管道系統(tǒng)的安裝通過上述修改措施進(jìn)行了整改，熱態(tài)運(yùn)行后，自由復(fù)式補(bǔ)償器的橫向熱位移相對(duì)3號(hào)機(jī)組有了大幅減小，如圖2所示。圖1所示3號(hào)機(jī)組的F1管道上補(bǔ)償器位置較低，橫向變形偏大，約220 mm;而圖2所示4號(hào)機(jī)組的F1管道上補(bǔ)償器位置向上移動(dòng)，而且調(diào)整了恒吊，補(bǔ)償器的橫向變形減小，約120 mm，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，修改方案效果較好。

6? ? 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

圓滿解決某國(guó)外工程6×660 MW超臨界燃煤機(jī)組送粉管道的補(bǔ)償器異常變形問題后，總結(jié)了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可供今后工程借鑒。

（1）送粉管道布置時(shí)，應(yīng)充分注意燃燒器接口的熱位移對(duì)送粉管道布置的影響，首先應(yīng)合理布置送粉管道的間距，考慮熱位移的空間，同時(shí)合理布置自由復(fù)式補(bǔ)償器和設(shè)置支吊架來(lái)吸收熱位移。

根據(jù)布置的空間，優(yōu)先把自由復(fù)式補(bǔ)償器布置在水平段上，可以減少補(bǔ)償器對(duì)燃燒器的彈性推力。當(dāng)布置空間受限，自由復(fù)式補(bǔ)償器布置在豎直段上時(shí)，補(bǔ)償器應(yīng)靠近燃燒器入口的彎頭布置，減少恒吊的設(shè)置。

（2）確定送粉管道上支吊架的荷載時(shí)，應(yīng)充分與鍋爐廠溝通配合，以確定實(shí)際需要送粉管道支吊架承受的荷載，恒吊與剛性吊架不同，不能盲目放大選型裕量，否則可能帶來(lái)不可預(yù)料的后果。

（3）考慮到目前國(guó)內(nèi)補(bǔ)償器的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，在確定補(bǔ)償器招標(biāo)訂貨參數(shù)時(shí)，補(bǔ)償器最大的補(bǔ)償量相對(duì)于管道工作狀態(tài)下的膨脹量，要留有一定的裕度。

（4）工程施工現(xiàn)場(chǎng)遇到問題時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)人員和工地服務(wù)代表應(yīng)積極主動(dòng)地幫助解決?，F(xiàn)場(chǎng)需要修改或增加設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分了解和利用現(xiàn)場(chǎng)條件，盡量避免材料重新訂貨并減少現(xiàn)場(chǎng)的施工量，減少對(duì)工期的影響。特別是國(guó)外工程，材料訂貨周期較長(zhǎng)，施工條件受限，對(duì)工期的影響會(huì)更大。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定：DL/T 5145—2012[S].

[2] 火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5121—2000[S].

[3] 華東電力設(shè)計(jì)院.煙風(fēng)煤粉管道零部件典型設(shè)計(jì)手冊(cè)：D-LD2000[M].上海：百家出版社，2005.

[4] 管道支吊架 第1部分：技術(shù)規(guī)范：GB/T 17116.1—2018[S].

收稿日期：2021-09-09

作者簡(jiǎn)介：王漢強(qiáng)（1974—），男，湖北襄陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事熱力發(fā)電工程熱機(jī)專業(yè)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作。