氣氣換熱器進(jìn)出口集箱與鍋爐耦合布置結(jié)構(gòu)

王 玥，陽緒東，盛佳眉，俸錦興

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

尿素作為SCR 脫硝的常用還原劑，主要工藝有熱解制氨和水解制氨工藝，相比較而言尿素?zé)峤庵瓢惫に囉捎谙到y(tǒng)簡單、投資成本低、運(yùn)行穩(wěn)定，被越來越多電廠采用。尿素?zé)峤夥üに囀菍⒖諝饧訜岬?00 ℃左右作為尿素?zé)峤獾臒嵩匆氲綗峤鉅t中，尿素?zé)峤馍砂睔夤┟撓跹b置使用。常規(guī)的電加熱器加熱空氣的方式存在能耗過大、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。新興起的氣氣換熱器技術(shù)則是利用鍋爐尾部豎井的高溫?zé)煔饧訜崂湟淮物L(fēng)作為尿素?zé)峤鉄嵩?，替代原電加熱的方式可大大降低脫硝運(yùn)營成本，降低電廠能耗，實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能環(huán)保［1-3］。

按如何利用鍋爐高溫?zé)煔鉄崃?，氣氣換熱器分為爐內(nèi)氣氣管式換熱器和爐外氣氣管式換熱器兩種型式［4］。爐外氣氣管式換熱器由于需要增加較大額外占地、成本高等因素而應(yīng)用較少。而爐內(nèi)氣氣管式換熱器結(jié)構(gòu)具有對鍋爐影響較小，結(jié)構(gòu)布置簡單等特點(diǎn)，逐漸成為現(xiàn)在氣氣換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)置的主要型式。

東方鍋爐開展了針對爐內(nèi)氣氣換熱器的傳熱實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與常規(guī)管式空預(yù)器程序計(jì)算結(jié)果匹配。氣氣換熱器屬于鍋爐系統(tǒng)之外新增的設(shè)備，如何保障氣氣換熱器與原鍋爐本體結(jié)合后安全運(yùn)行是研究的重點(diǎn)。氣氣換熱器的換熱過程需要設(shè)置進(jìn)出口集箱，集箱的布置方式會(huì)影響換熱管系的布置，進(jìn)而對管系的膨脹應(yīng)力產(chǎn)生影響。氣氣換熱器集箱設(shè)置有兩種型式：圓形集箱式結(jié)構(gòu)布置、風(fēng)室式結(jié)構(gòu)布置。通過管系應(yīng)力計(jì)算軟件對比分析兩種集箱型式管系的應(yīng)力情況，為采用更為合理的對鍋爐本體影響更小的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 氣氣換熱器整體設(shè)計(jì)

由于鍋爐爐型眾多，所述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取應(yīng)用較為廣泛的∏型鍋爐為例。根據(jù)尿素?zé)峤鉁囟刃枨螅瑺t內(nèi)氣氣管式換熱器設(shè)置位置通常選在鍋爐后豎井轉(zhuǎn)向室內(nèi)，受熱面布置于低溫過熱器或低溫再熱器上方，如圖1所示。

圖1 ∏型爐氣氣管式換熱器系統(tǒng)

在鍋爐尾部豎井低溫過熱器或低溫再熱器區(qū)域，煙溫在400～900 ℃之間，可以將氣氣換熱器管子支撐在該區(qū)域的吊掛管過熱器上。氣氣換熱器由爐內(nèi)換熱管、集箱及爐外連接管道組成。換熱管內(nèi)空氣壓力只有約10 kPa，換熱管材質(zhì)選取具有一定抗高溫氧化能力的SA-213TP347H。換熱管在穿鍋爐后包墻處焊接固定，在爐內(nèi)水平方向可自由熱膨脹。

鍋爐冷一次風(fēng)進(jìn)入氣氣換熱器進(jìn)口集箱，分配到布置在鍋爐后豎井的換熱面管組中與高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，加熱后的高溫?zé)犸L(fēng)在氣氣換熱器出口集箱匯集，再通過熱風(fēng)連接管道引出到尿素?zé)峤鉅t中。

為使換熱器管內(nèi)空氣流量分布均勻，通過數(shù)值模擬進(jìn)、出口集箱不同接口數(shù)的靜壓分布，最終選取氣氣換熱器進(jìn)、出口集箱均設(shè)置兩個(gè)接口?？紤]氣體受熱膨脹，氣氣換熱器出口集箱容積設(shè)置較進(jìn)口集箱容積大，以降低出口集箱壓力。

氣氣換熱器管系應(yīng)力是否合格，主要判斷最大應(yīng)力比（計(jì)算應(yīng)力/許用應(yīng)力）是否小于1，滿足ASME B31.1 的要求。最大應(yīng)力比主要分為兩個(gè)方面：一次應(yīng)力比及二次應(yīng)力比。一次應(yīng)力考慮管子自重及內(nèi)壓，二次應(yīng)力考慮溫度和邊界熱位移。主要研究管子規(guī)格及材料選定滿足高溫下一次應(yīng)力合格時(shí)，二次應(yīng)力對管系安全性的影響。

2 氣氣換熱器進(jìn)出口集箱結(jié)構(gòu)

2.1 圓形集箱式布置

氣氣換熱器進(jìn)出口集箱采用有縫鋼管卷制而成，集箱與爐內(nèi)受熱面之間采用與受熱面同規(guī)格的彎管進(jìn)行連接，如圖2所示。

圖2 集箱式氣氣換熱器進(jìn)口集箱和出口集箱布置

氣氣換熱器進(jìn)口集箱和出口集箱壁厚均較薄，為增強(qiáng)集箱剛度，集箱通過懸吊或者支撐的方式，每隔2～3 m設(shè)置一個(gè)吊點(diǎn)/支撐點(diǎn)固定在剛性梁上。

受熱面管組穿后包墻處設(shè)置密封盒，為減小管組受熱面給后包墻帶來的應(yīng)力集中，密封盒與管組不焊接，密封盒內(nèi)敷設(shè)澆注料，形成完全密封結(jié)構(gòu)。進(jìn)口集箱設(shè)計(jì)溫度為冷一次風(fēng)溫，溫度較低不需要保溫。出口集箱敷設(shè)保溫層，保溫將集箱與爐外受熱面管一同進(jìn)行包覆。氣氣換熱器管系溫度場的分布如圖3所示。

圖3 氣氣換熱器溫度分布

根據(jù)氣氣換熱器溫度場計(jì)算，盡管出口集箱進(jìn)行了保溫包覆，氣氣換熱器管組出口段爐外部分的溫度仍然比爐內(nèi)部分低近50 ℃。在氣氣換熱器最初進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，并未設(shè)計(jì)多個(gè)彎頭，但在對管系進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，最高一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均出現(xiàn)在氣氣換熱器出口端管組后包墻外和集箱之間，并且管系二次應(yīng)力超過安全管系應(yīng)力要求，如圖4所示。

圖4 初期管系設(shè)計(jì)二次應(yīng)力比分析

為降低管系應(yīng)力，需在包墻與出口集箱之間設(shè)置多個(gè)彎管，以降低管系熱應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，通過增加彎管能夠有效地降低管系熱應(yīng)力（圖5），長彎管的設(shè)置可以吸收出口集箱與后包墻的熱膨脹差。在增加了多個(gè)彎管后，雖然管系應(yīng)力計(jì)算合格，但其最高應(yīng)力發(fā)生在氣氣換熱器管穿包墻的進(jìn)出口處，設(shè)計(jì)裕量較小，且暫時(shí)沒有更有效的手段進(jìn)一步降低該處結(jié)構(gòu)應(yīng)力。同時(shí)彎管的增加使得爐外不受熱的高等級受熱面管材使用量增加，設(shè)計(jì)所需布置空間增加，帶來一定的設(shè)計(jì)和施工困難。

圖5 增加彎管后管系設(shè)計(jì)二次應(yīng)力比分析

2.2 風(fēng)室式布置

風(fēng)室式布置的氣氣換熱器進(jìn)口集箱和出口集箱是在集箱式布置的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的［5］。氣氣換熱器無傳統(tǒng)集箱設(shè)計(jì)，采用與原進(jìn)口集箱和出口集箱厚度相當(dāng)?shù)匿摪迤唇映晌迕婷芊獾娘L(fēng)室，緊貼于后包墻上，如圖6 所示。風(fēng)室合理分段，每段風(fēng)室之間采用金屬膨脹節(jié)進(jìn)行連接，以減小風(fēng)室的熱膨脹與包墻的熱膨脹偏差，保障風(fēng)室不對包墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力破壞。

采用風(fēng)室結(jié)構(gòu)后，氣氣換熱器進(jìn)出口風(fēng)室均直接固定在后包墻上，進(jìn)口風(fēng)室重量較輕，因此進(jìn)口風(fēng)室的負(fù)荷由后包墻直接承擔(dān)。雖然出口風(fēng)室重量也較輕，但考慮到出口高溫所需保溫重量的影響，利用出口風(fēng)室附近的剛性梁對出口風(fēng)室進(jìn)行補(bǔ)充支撐，以減輕對后包墻施加彎矩，防止對后包墻造成破壞。

圖6 風(fēng)室式氣氣換熱器進(jìn)出口集箱布置

氣氣換熱器進(jìn)出口集箱采用風(fēng)室式結(jié)構(gòu)布置后，管組穿后包墻處依舊需要設(shè)置密封盒。密封盒與管組上的預(yù)埋件焊接，同時(shí)密封盒內(nèi)敷設(shè)澆注料，確保形成完全密封，煙氣與一次風(fēng)之間無相互泄漏。保溫敷設(shè)于風(fēng)室外層。

該結(jié)構(gòu)進(jìn)口風(fēng)室和出口風(fēng)室直接布置在后包墻上，受熱面管組端口位于密封盒后，直接接入進(jìn)口風(fēng)室和出口風(fēng)室，因此采用該結(jié)構(gòu)布置無爐外受熱面，從而也不存在管系應(yīng)力問題。

2.3 兩種集箱結(jié)構(gòu)對比

分析以上兩種集箱結(jié)構(gòu)布置可以發(fā)現(xiàn)，采用風(fēng)室式集箱將會(huì)帶來更多的好處。

2.3.1 管系安全性方面

由于集箱式結(jié)構(gòu)布置受熱管組與包墻管之間的溫度差，以及爐內(nèi)、爐外受熱面管之間的溫度差造成的應(yīng)力必然會(huì)對氣氣換熱器管組和鍋爐包墻系統(tǒng)帶來一定影響。而對于風(fēng)室式結(jié)構(gòu)而言，通過把進(jìn)出口風(fēng)室緊貼鍋爐后包墻固定的方式，使得風(fēng)室和鍋爐后包墻之間的熱應(yīng)力差大大減小。同時(shí)由于風(fēng)室式結(jié)構(gòu)不需要爐外受熱面管設(shè)計(jì)，也完全避免了爐外受熱管為滿足熱應(yīng)力安全需求所帶來的設(shè)計(jì)問題。

2.3.2 布置空間方面

由于集箱式結(jié)構(gòu)存在連接管，并且為了降低連接管熱應(yīng)力需要設(shè)計(jì)多個(gè)彎管，必然會(huì)占用更多的布置空間。而在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，由于此處上下剛性梁的限制，同時(shí)由于氣氣換熱器出口處煙溫較高，需設(shè)置較厚的保溫層。集箱式結(jié)構(gòu)會(huì)給設(shè)計(jì)和施工都造成較大的困難。而風(fēng)室式結(jié)構(gòu)則因無連接管，給設(shè)計(jì)和施工都預(yù)留了較大的空間。

2.3.3 工藝制造方面

氣氣換熱器不屬于壓力管件，因此采用的集箱或者管道壁厚均較薄。對于集箱式布置來說，集箱是通過鋼板卷制而成，并且需要在集箱上開孔；連接管管段上存在90°的彎管設(shè)計(jì)。在生產(chǎn)制造過程中，給工藝造成了較大的困難，須進(jìn)行專門針對薄壁厚管板的工藝研發(fā)［6］。采用風(fēng)室式布置則無此項(xiàng)生產(chǎn)工藝要求。

2.3.4 整體設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性方面

氣氣換熱器雖然不屬于壓力管道，但由于其管材需滿足耐高溫、抗氧化的要求，氣氣換熱器管子采用的材料等級較高。采用風(fēng)室式結(jié)構(gòu)后，新的結(jié)構(gòu)和布置形式可節(jié)省氣氣換熱器爐外受熱面管材。以某臺(tái)600 MW機(jī)組鍋爐的氣氣換熱器為例，采用風(fēng)室式布置僅爐外受熱面管材成本可減少近30 萬元。同時(shí)，風(fēng)室式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，不須為進(jìn)出口集箱設(shè)置復(fù)雜的吊掛裝置，也在一定程度上進(jìn)一步降低了成本。

3 結(jié)語

尿素?zé)峤庥脿t內(nèi)氣氣換熱器是電站鍋爐環(huán)保領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新。氣氣換熱器與鍋爐結(jié)合處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不斷發(fā)展。針對氣氣換熱器進(jìn)出口集箱的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較，并得到了以下結(jié)論：

氣氣換熱器圓形集箱式結(jié)構(gòu)作為初代產(chǎn)品完成了其匯集冷/熱一次風(fēng)的功能，但在設(shè)計(jì)、制造及安裝過程中均存在一定的困難。氣氣換熱器采用風(fēng)室式結(jié)構(gòu)則能夠更好地兼顧結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)、系統(tǒng)膨脹應(yīng)力、制造工藝及安裝，并且?guī)砀玫脑O(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性。