電廠鍋爐爐墻結(jié)構(gòu)的研究

李 銳 翟志斐

（河南第一火電建設(shè)公司保溫施工處，河南 鄭州 450001）

1 爐墻介紹

爐墻的密封和絕熱性質(zhì)應(yīng)能使它的外壁保持一個(gè)人為規(guī)定的較為合理的溫度，并使進(jìn)入外界的熱流量能符合環(huán)境保護(hù)的要求。

1.1 爐墻保溫概述

鍋爐密封和保溫性能的優(yōu)劣直接影響鍋爐的熱效率、煤的損耗、整個(gè)鍋爐的使用壽命以及工作環(huán)境的保護(hù)。因此，提高爐墻砌筑保溫施工質(zhì)量，確保鍋爐正常運(yùn)行，應(yīng)引起設(shè)計(jì)和施工人員的足夠重視。

1.2 爐墻傳熱計(jì)算基本原則

通常，鍋爐爐墻的外表面溫度基本控制在不超過(guò)環(huán)境空氣溫度的25℃ 以上，換句話說(shuō)，當(dāng)鍋爐周?chē)沫h(huán)境空氣溫度為25℃ 時(shí)，爐墻的外表面溫度應(yīng)不超過(guò)50℃ 。鍋爐爐墻的傳熱計(jì)算基本就是按這個(gè)原則規(guī)定而進(jìn)行的。

1.3 提高爐墻密封和絕熱的意義

目前，我國(guó)電站鍋爐在運(yùn)行時(shí)的散熱損失相對(duì)于鍋爐的熱效率而言所占的比例很小，qs≤0.18%～0.2%，表面上似乎對(duì)鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性影響不大，然而，進(jìn)一步分析一下，如果要想在其他方面使鍋爐的熱效率再提高0.18%～0.2%卻是很不容易的，或許要花費(fèi)不小的代價(jià)而收效甚微。另外，鍋爐的密封結(jié)構(gòu)不嚴(yán)密耐火和絕熱材料的使用選擇不當(dāng)，將直接造成爐內(nèi)的高溫?zé)煔庑孤┖臀肜滹L(fēng)，影響正常的燃燒過(guò)程和破壞受熱面的熱量傳遞導(dǎo)致熱效率的降低，同時(shí)，漏出的煙灰堆積會(huì)無(wú)形中增加吊桿和鋼架的載荷，并使有些受力部件始終處于溫度較高的惡劣工況下工作，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行留下了隱患。因此，爐墻的性能優(yōu)劣是不容忽視的，從經(jīng)濟(jì)安全的角度出發(fā)，爐墻這一部件應(yīng)作為電站鍋爐的一個(gè)重要部件來(lái)開(kāi)發(fā)研究。既然爐墻起著密封和絕熱的作用，那么對(duì)爐墻的結(jié)構(gòu)就有了一個(gè)基本的要求，使之充分發(fā)揮本身的功用從而提高整臺(tái)鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2 爐墻結(jié)構(gòu)研究

2.1 鍋爐的密封難點(diǎn)

鍋爐的密封難點(diǎn)主要集中在爐頂區(qū)域，此處有大量的受熱面管束管排穿出。而懸吊這些受熱面的各種吊桿又占據(jù)了爐頂上大部分的空間，在鍋爐啟停階段，這些受熱面管束管排集箱和吊桿相對(duì)于爐頂都有著位移量不等的膨脹。這種狹小的空間和相互間的位移給爐頂密封的設(shè)計(jì)和安裝帶來(lái)了極大的困難。

目前，國(guó)內(nèi)300MW級(jí)以上的鍋爐全部采用了全鋼結(jié)構(gòu)，這樣利用機(jī)械裝置就可人為地設(shè)置整臺(tái)鍋爐的膨脹中心，由于整個(gè)鍋爐是懸吊結(jié)構(gòu)，所以膨脹中心設(shè)置在爐頂大罩殼頂面和爐膛中心的交界點(diǎn)處，通過(guò)計(jì)算可得出鍋爐任意一點(diǎn)的位移量，這就給鍋爐密封設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大幫助。有了位移量和位移方向，各種密封結(jié)構(gòu)也就應(yīng)運(yùn)而生了。

2.2 密封結(jié)構(gòu)的金屬材料

爐頂密封結(jié)構(gòu)的可靠性還需要有合理的金屬材料來(lái)保證。

因?yàn)橛邢喈?dāng)多的熱面被布置在爐膛和水平煙道上方，所以前爐頂過(guò)熱器設(shè)計(jì)上采用分段鰭片散裝管，故爐頂空隙較多，要求整個(gè)前爐頂區(qū)域全部用鋼板覆蓋密封，又因?yàn)榇藚^(qū)域的爐內(nèi)煙氣溫度很高，所以密封鋼板采用耐高溫性能較好的不銹鋼（如ICr18NigTi等）或低合金耐熱鋼（如12CrlMoV等）。

同時(shí)，為延長(zhǎng)這些密封鋼板的使用壽命，在鋼板與向火面間應(yīng)澆灌不定型的耐火材料。

其它密封件則采用低合金耐腐蝕鋼（Corten),對(duì)于那些密封附件如加強(qiáng)筋等可使用一般的碳鋼。密封板的厚度一般取≦5mm，起柔性連接用的膨脹節(jié)等其厚度應(yīng)自≦2mm，而起阻擋高溫?zé)煔庾饔玫氖嵝伟搴穸瓤稍黾又?mm以上。總體來(lái)講，整個(gè)爐頂密封構(gòu)件基本上是連續(xù)布置的，各種密封結(jié)構(gòu)之間是相互聯(lián)系的，因此，密封鋼板的厚度需嚴(yán)格控制在一定的范圍之內(nèi)，如鋼板過(guò)厚，則會(huì)增加整個(gè)爐頂密封結(jié)構(gòu)的剛性，一旦發(fā)生膨脹不暢通現(xiàn)象，極易造成受熱面管子被拉壞的情況。當(dāng)然，較薄的鋼板會(huì)給連續(xù)的密封焊接帶來(lái)一定的困難，所以爐頂密封的焊接工作必須要由合格的焊工來(lái)完成。

2.3 密封結(jié)構(gòu)中的耐火材料

鍋爐密封結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)很重要的組成部分，這就是耐火材料。

2.3.1 耐火材料的重要性

前文中曾提及，為阻擋爐內(nèi)高溫?zé)煔鈱?duì)密封結(jié)構(gòu)的沖刷和腐蝕，減輕或降低密封鋼板的變形拉裂等情況產(chǎn)生，在密封板與向火面之間應(yīng)用耐火材料加以分隔。此外，對(duì)于300MW級(jí)以下的鍋爐密封乃至整個(gè)爐墻，耐火材料的重要性就顯得更為突出。在一般的高壓或超高壓鍋爐的爐墻結(jié)構(gòu)中，耐火材料作為密封的第二道防線而被大量使用，圖5所示的結(jié)構(gòu)即為超高壓鍋爐爐頂密封所采用的金屬與非金屬材料的雙重密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的可靠性在國(guó)內(nèi)為數(shù)眾多的電廠鍋爐運(yùn)行中被證明是令人滿(mǎn)意的。

2.3.2 耐火材料的要求

正因?yàn)槟突鸩牧嫌心透邷亍⒖垢g的特殊性能，所以現(xiàn)代鍋爐對(duì)耐火材料的性能要求也在不斷提升，各種位置對(duì)耐火材料的要求各不相同，因此設(shè)計(jì)選用耐火材料性能的合理性是爐墻在鍋爐正常運(yùn)行中安全可靠的重要保證。

對(duì)耐火材料的普遍要求一般是材料的密度、耐火度（耐火等級(jí)）和抗壓強(qiáng)度，至于材料的熱傳導(dǎo)性沒(méi)有特別要求。而對(duì)于特殊位置的特殊要求是建立在普遍要求基礎(chǔ)上的，例如爐頂密封中要求耐火材料還應(yīng)具有同金屬相近的熱膨脹性，受熱后能隨同金屬一起膨脹，這樣就能避免材料的開(kāi)裂，保證密封的可靠性；對(duì)置于煙道中的耐火材料，如省煤器框架爐墻的向火面集箱的保護(hù)層和折煙角等使用的耐火材料，必須具備足夠的耐磨性能，足以抵抗煙氣對(duì)其不間斷的沖刷。

對(duì)耐火材料熱震穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)當(dāng)是渣斗爐墻了，渣斗在鍋爐運(yùn)行時(shí)的冷熱工況經(jīng)常變化，雖然對(duì)溫度要求相對(duì)較低，但急冷急熱性能則顯得尤為重要，其次是抗沖擊性能與此相反，衛(wèi)燃帶爐墻由于長(zhǎng)期處于燃燒區(qū)域，火焰溫度極高，故對(duì)耐火材料的耐火度就要求很高，普通的耐火材料不能勝任。除耐火度外，此處的耐火材料還需具有較佳的防結(jié)焦性能，否則，隨著結(jié)焦厚度的增加，耐火層會(huì)連同焦塊一起塌落，最終導(dǎo)致燃燒工況的變化，影響整臺(tái)鍋爐的正常運(yùn)行。

以上可見(jiàn)耐火材料在爐墻結(jié)構(gòu)中的重要性了。而且，不僅在設(shè)計(jì)中要正確合理地選用，安裝時(shí)更應(yīng)嚴(yán)格地按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，以充分發(fā)揮耐火材料自身的特點(diǎn)。

2.4 爐墻的保溫結(jié)構(gòu)

爐墻的密封性能主要由金屬密封件和耐火材料等來(lái)保證，它的絕熱性就應(yīng)該由保溫材料來(lái)負(fù)責(zé)實(shí)施了。

2.4.1 敷管式爐墻

電站鍋爐普遍采用的是膜式水冷壁和尾部包覆受熱面，所以，爐墻的結(jié)構(gòu)形式就可采用輕型敷管式爐墻（除高壓超高壓等鍋爐的省煤器框架外）。

所謂敷管式爐墻即指將輕質(zhì)的保溫材料緊貼在鍋爐的各受熱面外側(cè)，保溫材料不能直接接觸火焰。目前，保溫材料大多數(shù)以輕質(zhì)的纖維狀材料和發(fā)泡狀材料為主。廣泛被爐墻所采用的有礦巖棉、玻璃棉廈合硅酸鹽等等，它們的共同點(diǎn)是密度低，保溫效果較好。

敷管式爐墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般采用多層布置，其目的很明確，第一是多層布置的結(jié)構(gòu)可以使保溫材料層與層之間錯(cuò)縫壓縫，減少因接縫處縫隙所造成的散熱，其次，多層結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的溫度條件而采用相應(yīng)的保溫材料，提高鍋爐保溫的經(jīng)濟(jì)性。在多層的保溫結(jié)構(gòu)中，緊貼水冷壁涎伸側(cè)墻（水平煙道）和包覆壁（尾部煙道）的內(nèi)層基本上選用耐溫性較好的硅酸鋁纖維制品，并依據(jù)需要內(nèi)側(cè)面做成與這些管壁相吻合的梳形面，這樣可最大限度地阻止保溫材料與管壁間留出空隙而產(chǎn)生熱空氣的波動(dòng)。然后，可根據(jù)爐墻傳熱計(jì)算的要求，在確定保溫層總厚度的前提下平均分配余下的層數(shù)，并選用導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫材料。

2.4.2 集中保溫

同樣，鍋爐的其他部位如爐頂大罩殼、折煙角和爐底框架等區(qū)域采用集中保溫后，保溫形式與水冷壁等一致，所不同的只是保溫總厚度而已。這里所提到的集中保溫這一概念，也是爐墻結(jié)構(gòu)的一種，以前只有300MW 級(jí)或以上容量鍋爐采用此結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在在其它較小容量的鍋爐上也開(kāi)始引用這一爐墻形式。其優(yōu)點(diǎn)是，免除了這些位置上錯(cuò)綜復(fù)雜的各類(lèi)管道、管束、管排和集箱等的逐一保溫工序。在這些區(qū)域設(shè)置罩殼形式，而在罩殼外統(tǒng)一保溫，且保溫效果較好，同時(shí)還為鍋爐檢修帶來(lái)了極大的便利。

上述保溫結(jié)構(gòu)中的保溫材料通過(guò)保溫抓釘、自鎖壓板和六角鐵絲網(wǎng)被緊固在受熱面管子上并與之緊密的貼合，在鍋爐運(yùn)行時(shí)隨同受熱面一起膨脹，整體性較好。

2.4.3 其他保溫結(jié)構(gòu)

其他還有煙風(fēng)道、空氣預(yù)熱器次風(fēng)箱等的保溫，這些部件的保溫基本上也采用多層結(jié)構(gòu)，只是在加強(qiáng)筋膨脹節(jié)等特殊位置加以局部處理。

鍋爐框架的水平樓板及罩殼頂部由于在鍋爐檢修時(shí)有人員走動(dòng)以及臨時(shí)堆放一些設(shè)備，所以此處的保溫結(jié)構(gòu)要求有較高的抗壓強(qiáng)度。顯然，輕質(zhì)柔性的保溫材料就不適用了，一般在這些位置均采用輕質(zhì)絕熱的澆注型保溫材料，并在澆注保溫材料自然固化后覆蓋一層耐壓強(qiáng)度較高的抹面涂料，在兩者材料的結(jié)合面鋪設(shè)一層鉛絲網(wǎng)以增加整個(gè)平面的整體強(qiáng)度。為防止?jié)沧⒈夭牧虾湍嫱苛显阱仩t運(yùn)行時(shí)受熱膨脹而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，在這些材料中應(yīng)按規(guī)定的節(jié)距設(shè)置縱、橫的膨脹縫，膨脹縫應(yīng)連續(xù)布置并用纖維狀保溫材料填塞而避免熱量從此處散發(fā)。

在多層保溫結(jié)構(gòu)中，由于保溫材料是依靠焊于受熱管子（或鰭片）和鋼板上的保溫抓釘和自鎖壓板來(lái)緊固的，這樣就會(huì)產(chǎn)生爐內(nèi)的熱量從這些金屬抓釘和自鎖壓板傳至保溫層外，為解決這一問(wèn)題，可以在多層的保溫層結(jié)構(gòu)外再敷設(shè)一層保溫毯，保溫毯用專(zhuān)用的鉤釘和壓板緊固在保溫層外側(cè)。

[1]鍋爐密封及爐墻設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].上海：上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所出版，1991.

[2]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]日本耐火材料技術(shù)協(xié)會(huì).筑爐工藝學(xué)［M].北京：冶金工業(yè)出版社，1987.