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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(shè)計優(yōu)化

      2016-05-09 01:23:39王森安鴻朱斌王書山
      綜合智慧能源 2016年1期
      關(guān)鍵詞:隔熱層蒙皮法蘭

      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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(yīng)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(shè)計。

      1 系統(tǒng)與設(shè)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(shè)置一臺SCR反應(yīng)器,反應(yīng)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(shè)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(shè)計參數(shù)

      1.2煙道接口設(shè)計參數(shù)

      脫硝裝置入口煙道設(shè)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(shè)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(shù)參數(shù)

      原膨脹節(jié)廠家根據(jù)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)用于金屬膨脹節(jié)中,起加大補償量的作用,應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)置雙導流板,材質(zhì)為Q345并設(shè)加強筋板。膨脹節(jié)下部導流板間距為350 mm,并設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)重視大尺寸和大位移量煙道上非金屬膨脹節(jié)的設(shè)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(yīng)細化設(shè)計,同時應(yīng)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(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)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(shù)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(shù)條件: DL/T 776—2001[S].

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

      [6]設(shè)備及管道絕熱設(shè)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(shù)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

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