自由復式補償器異常變形的分析和處理

摘要：簡要介紹了某工程的送粉管道上豎直布置的自由復式補償器異常變形的情況，通過現場調研分析原因，并運用CAESERⅡ軟件對送粉管道的熱態變形進行模擬計算，解析了支吊架的設置對管道熱態變形的影響。針對自由復式補償器出現的過大橫向熱位移擬定了修改方案，取得了較好的運行效果，為工程設計與現場施工安裝服務提供了參考。

關鍵詞：送粉管道;自由復式補償器;豎直布置;異常變形;支吊架

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

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

1? ? 自由復式補償器異常變形概況

某國外火力發電廠工程采用6×660 MW超臨界燃煤機組，其鍋爐采用四角切圓燃燒方式，每臺爐共設有7層燃燒器。首臺投運的3號機組自2013年3月試運行以來，燃燒器入口送粉管道[1]上豎直布置的自由復式補償器（又稱“三向波紋管補償器”）在熱態運行時有部分變形較大，如圖1所示的3號爐E1、F1、G1送粉管道，部分補償器的波節出現了不同程度的壓癟、壓死的情況;另外還有部分補償器的波節甚至和管道、鋼梁之間發生擦碰，影響機組的安全運行。業主方認為送粉管道上的這些補償器變形過大，且有部分補償器已失效，懷疑補償器的質量有問題或補償器的布置方式不對。

圖2所示是4號爐相同位置的E1、F1、G1送粉管道，根據下文第5節的修改措施進行了整改，圖中自由復式補償器的橫向熱位移相對大幅減小。

2? ? 補償器布置的合理性分析

針對上述補償器異常變形的問題，設計人員赴該工程現場實地調研，充分了解情況，并進行了全面分析和研究。

首先，由于鍋爐的燃燒器在熱態運行時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置自由復式補償器來吸收這個熱位移。自由復式補償器能補償軸向和任何橫向膨脹位移，補償量較大并有減小振動傳遞的性能，適用于煤粉管道中需補償量較大的場合[2]。燃燒器入口的自由復式補償器一般有水平或豎直布置兩種方式，都有較多實際工程應用。（1）自由復式補償器水平布置時，主要吸收橫向位移和少量軸向位移，如圖3所示[3]。對水平布置的自由復式補償器一般應進行冷態偏裝（沿爐膛上下方向的偏裝），該偏裝值應與補償器所承接的燃燒器熱態向下的垂直膨脹量相同，以保證補償器在工作狀態保持平直。（2）自由復式補償器豎直布置時，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）受力，對豎直布置的自由復式補償器應在出廠前進行冷態預拉伸，該預拉伸值一般是補償器所承接的燃燒器熱態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用，各有優缺點。（1）自由復式補償器的軸向剛度遠大于其橫向剛度，當其水平布置時，可以減少補償器對燃燒器的彈性推力，熱態時補償器的變形也相對較小;但需要設置恒力彈簧支吊架[4]（以下簡稱“恒吊”），且需要有較長的水平管道布置補償器。（2）自由復式補償器豎直布置主要是在燃燒器入口有彎頭時，補償器可以靠近燃燒器布置，布置方便，可減少恒力吊架的設置數量。

其次，為全面了解豎直布置的自由復式補償器在火電廠送粉管道上熱態運行的情況，還對西塞山電廠二期、馬鞍山電廠和岳陽電廠三期等3個電廠進行了調研。從調研情況看，這3個電廠的送粉管道上豎直段布置的自由復式補償器運行情況良好，沒有出現碰撞或漏粉的情況，僅有部分管道的補償器出現了較大的變形，但其最大變形量均在設計允許范圍之內，這證明燃燒器入口的自由復式補償器布置在豎直段上是可行的。

同時對自由復式補償器的選型進行了核算，補償器設計的位移量考慮了一定裕量，橫向位移和軸向位移均在補償器能承受的范圍之內，設計能夠滿足要求。

3? ? 補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、馬鞍山電廠和岳陽電廠三期等3個電廠均沒有出現同樣的問題，經過橫向對比分析，認為本項目自由復式補償器產生異常變形的原因，主要在于支吊架設置不合理，其次是鍋爐燃燒器及其送粉管道布置擁擠。

3.1? ? 支吊架設置

本工程設計人員進行鍋爐燃燒器入口處送粉管道的支吊架設計，在施工圖設計配合時鍋爐廠要求：“關于燃燒器一次風管的承受載荷問題，理論上，由于燃燒器為薄殼結構，又是鍋爐核心部件;而一次風與煤粉噴嘴相連，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。故而電動煤閘門以及入口彎頭荷載需要提給設計院，在考慮煤粉管道支吊時予以考慮。”根據上述要求，設計人員在燃燒器入口豎直布置的自由復式補償器上方設計了恒力吊架，此恒吊選型時考慮了鍋爐廠彎頭和電動煤閘門的荷載（1 180～1 390 kg）。但實際上鍋爐廠設計的彎頭與送粉管道的連接采用聯管器，基本不會傳遞荷載或只傳遞部分荷載（以往的工程中，設計院的支吊架選型都不考慮全部承受鍋爐廠彎頭和電動煤閘門的荷載）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煤閘門距離燃燒器殼體很近，而距離送粉管道上的支吊點較遠，根據吊點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，而不會全部分配到恒吊上。

由于恒吊的選型荷載與送粉管道實際不匹配（荷載偏大），在熱態時送粉管道隨爐膛向下位移時，恒吊會有較大的反作用力（包括補償器彈性推力在內）阻礙送粉管道向下運動，這個力在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，因此將會以恒吊在送粉管道上的吊桿生根點為軸，產生一個旋轉的力矩，或推動吊架的吊桿水平擺動，導致補償器上方的送粉管道偏斜，產生大于鍋爐燃燒器接口理論水平位移量的橫向位移，使補償器產生異常變形。同時，聯管器也發生局部變形，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生熱位移的情況，圖（b）表示鍋爐燃燒器向下發生熱位移后的情況，這是導致本工程燃燒器入口處自由復式補償器橫向位移過大的主要原因。

原設計的恒吊工作荷載設計計算時包括送粉管道的荷載、耐磨彎頭、補償器的重量以及鍋爐廠要求承受其供貨范圍的電動煤閘門以及入口彎頭荷載，以F2送粉管道上的634號恒吊為例，選用立式恒吊，規格為C58V-69B 356（293↓）/3466-M42。

而實際上，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較遠，根據吊點的位置和管系荷載的分配，其荷載實際上都靠燃燒器自身承受，無法分配到恒力吊架上。在熱態時補償器還會有向上的彈性推力（補償器的剛度為49.37 N·mm，以F層293 mm向下的熱位移計算，如冷拉170 mm的話，為6.07 kN）。

原設計的恒吊理論計算荷載和管道熱態實際荷載對比如表1所示。

從表1可以看出，實際條件下，恒吊承受的工作荷載要遠小于理論設計值。因為不僅鍋爐廠要求恒吊承受的荷載不會傳遞到送粉管道上，而且熱態運行時，自由復式補償器上方的管道受到補償器向上的彈性推力和內壓軸向推力，所以熱態時此處吊架的荷載是變小的（相對于冷態），并不是恒定的。根據以往的工程經驗，當送粉管道上豎直的自由復式補償器靠近燃燒器布置時，在自由復式補償器的上方一般不設置恒力吊架，如馬鞍山電廠，其送粉管道在熱態運行時正常，而且豎直的自由復式補償器橫向變形也較小。所以經過分析，建議本項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，在爐膛每個角接到燃燒器的送粉管道有7根（管徑是760 mm，補償器波節外徑870 mm），這些燃燒器接口立管間距偏小，僅有1 000 mm。當相鄰管道上補償器的波節在同一個標高時，凈間距只有130 mm，在熱態時，補償器波節就有可能發生碰撞。同時有些補償器與支吊架的鋼梁安裝在同一標高，熱態運行時補償器徑向變形，補償器的波節就與鋼梁碰撞。解決這一問題只需調整補償器的安裝標高，把相鄰管道上補償器的波節錯開安裝，同時保證補償器的波節在冷態和熱態時均不與支吊架的鋼梁碰撞。

4? ? 補償器異常變形的計算分析

運用CAESERⅡ軟件來計算送粉管道F2上的634號恒吊對管道熱態位移的影響。選取送粉管道F2從燃燒器入口到自由復式補償器下方628號固定支架之間這段管道進行建模計算。對于634號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）進行計算分析，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兩種情況模擬計算分析的熱位移值，從表2對比可知，荷載較大時，冷態下，恒吊把管道和補償器向上拉產生的變形也較大;熱態下，送粉管道隨爐膛向下位移時，恒吊也會有較大的反力阻礙送粉管道向下運動，這時補償器向下的熱位移DZ就變小了，而橫向位移DY就變大了。需要說明的是，上述模擬計算時，補償器是按彈性變形來模擬，而實際上由于該補償器的變形量很大（約350 mm），其變形是彈性變形和塑性變形的組合，所以表2計算的位移值并不是真實的位移量。但該模擬計算得出的恒吊荷載對送粉管道熱態變形的影響的趨勢是有說服力的，而且與上述3.1節中的理論分析也是吻合的。

5? ? 修改方案和效果

根據上述理論分析和模擬計算，針對本工程的現場實際情況，提出了以下解決方案：

（1）針對燃燒器入口的自由復式補償器異常變形問題，前文分析是由于恒吊設置的緣故，所以該處的恒吊原則上可以取消，但由于該工程是國外項目，恒吊已供貨到現場，恒吊規格也無法調整，只能采取以下權宜方案：恒吊安裝時，將其拉桿有效長度調長到燃燒器的最大熱位移值（可通過增設連接耳子和調整花蘭螺絲間隙以及拉桿的螺紋來實現），使其在冷態下不受力;熱態運行時，適當調整拉桿以保證在最大熱位移時恒吊是受力的，其他工況下不受力。這樣可以消除恒吊對送粉管道的向下熱位移的影響，同時在最大熱位移時可以保護送粉管道，防止其進一步變形。

（2）調整自由復式補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）對于豎直布置的自由復式補償器的橫向熱位移較大，還可將補償器進行冷態預偏裝，以減小熱態的變形位移。

該工程4號機組的送粉管道系統的安裝通過上述修改措施進行了整改，熱態運行后，自由復式補償器的橫向熱位移相對3號機組有了大幅減小，如圖2所示。圖1所示3號機組的F1管道上補償器位置較低，橫向變形偏大，約220 mm;而圖2所示4號機組的F1管道上補償器位置向上移動，而且調整了恒吊，補償器的橫向變形減小，約120 mm，基本達到了設計要求，修改方案效果較好。

6? ? 經驗總結

圓滿解決某國外工程6×660 MW超臨界燃煤機組送粉管道的補償器異常變形問題后，總結了以下幾點經驗，可供今后工程借鑒。

（1）送粉管道布置時，應充分注意燃燒器接口的熱位移對送粉管道布置的影響，首先應合理布置送粉管道的間距，考慮熱位移的空間，同時合理布置自由復式補償器和設置支吊架來吸收熱位移。

根據布置的空間，優先把自由復式補償器布置在水平段上，可以減少補償器對燃燒器的彈性推力。當布置空間受限，自由復式補償器布置在豎直段上時，補償器應靠近燃燒器入口的彎頭布置，減少恒吊的設置。

（2）確定送粉管道上支吊架的荷載時，應充分與鍋爐廠溝通配合，以確定實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，否則可能帶來不可預料的后果。

（3）考慮到目前國內補償器的產品質量良莠不齊，在確定補償器招標訂貨參數時，補償器最大的補償量相對于管道工作狀態下的膨脹量，要留有一定的裕度。

（4）工程施工現場遇到問題時，在現場的設計人員和工地服務代表應積極主動地幫助解決。現場需要修改或增加設計時，應充分了解和利用現場條件，盡量避免材料重新訂貨并減少現場的施工量，減少對工期的影響。特別是國外工程，材料訂貨周期較長，施工條件受限，對工期的影響會更大。

[參考文獻]

[1] 火力發電廠制粉系統設計計算技術規定：DL/T 5145—2012[S].

[2] 火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程：DL/T 5121—2000[S].

[3] 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.

[4] 管道支吊架 第1部分：技術規范：GB/T 17116.1—2018[S].

收稿日期：2021-09-09

作者簡介：王漢強（1974—），男，湖北襄陽人，高級工程師，主要從事熱力發電工程熱機專業的規劃和設計工作。