全烧高炉煤气锅炉燃烧器配管设计探讨VIP

2 0 1 1 年第 5 期 总 第 1 4 7期 冶 金 动 力 ME T A I L U R G I C A L P OWE R 3 5 全烧高炉煤气锅炉燃烧器配管设计探讨 张学超 ( 中冶华天工程技术有限公司 ， 安徽 马鞍 山， 2 4 3 0 0 0 ) 【 摘要】一般全烧高炉煤气锅炉， 燃烧器嵌在悬吊的炉膛水冷壁 中， 在锅炉启动和运行过程中， 燃烧器 由于水冷壁的热膨胀产生附加热位移， 承受管道额外的转移荷载。在燃烧器配管力学模型建立的基础上， 结合 具体的工程设计实例， 探讨如何优化燃烧器的配管设计， 降低其承受的管道转移荷载。 【 关键词】燃烧器 ； 热位移； 转移荷载； 配管设计 【 中图分类号 】T K 2 2 9 【 文献标识码 】B 【 文章编号 】 1 0 0 6 6 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 3 5 0 4 Di s c us s i o n o n Bu r ne r Pi p i ng De s i g n o f A1 1 Bl a s t Fu r na c e Ga s -fir e d Bo i l e r ZHANG Xu e -c ha o ( Hu a t i a n E n g i n e e r i n g& T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n MC C ,Ma a n s h a n , A n h u i 2 4 3 0 0 5 ,C h i n a ) 【 A b s t r a c t 】A b u r n e r i s e m b e d d e d i n h a n g i n g w a t e r c o o l e d w a l l i n t h e h e a r t h o f a n a l l b l a s t f u r n a c e g a s fir e d bo i l e r Du r i ng s t a r t -u p a n d r u n ni n g o f t h e bo i l e r ，t h e bu rne r h a s a d d i t i o n a l t h e r mal di s pl a c e me n t be c a u s e o f t he r ma 1 e x p a n s i o n o f t he wa t e r c o o l e d wa l l ，a nd b e a r i n g t h e a d d i t i o n a l t r a n s f e r l o a d o f p i p e On t h e b a s i s o f b u i l d i n g o f p i p i n g me c h a n i c a l m o d e l o f t h e b u r n e r ，c o mb i n e d w i t h t h e p r o j e c t d e s i g n e x a mp l e ，o p t i m i z a t i o n o f t h e b u rne r p i p i n g d e s i g n i s d i s c us s e d t o r e d uc e t h e bu rne r S l o a d t r a n s f e r r e d by t h e p i p e 【 Ke y w o r d s 】b u r n e r ；t h e r mal d i s p l a c e m e n t ；t r a n s f e r l o a d ； p i p i n g d e s i g n 1 前言 现代钢铁联合型企业 采用全烧高炉煤气锅 炉 生产过热蒸汽 ， 作为电力生产和动力设备 的驱动汽 源 ， 可 以实现高炉煤气综合利用、 减少污染 物排放、 提高企业 电力 自给率和经济效益 。一般全烧高炉煤 气锅炉 ， 燃烧器嵌在悬 吊的炉膛水冷壁 中 ， 在锅炉 启动和运行过程中， 燃烧器由于水冷壁的热膨胀产 生附加热位移 ，连接到燃烧器上的高炉煤气管道 、 热风管道和点火用天然气或焦炉煤气管道也将随 燃烧器一起移动 ，对燃烧器产生额外 的转移荷载 。 点火用天然气或焦炉煤气管道 ， 由于 口径小 、 重量 轻 ， 对燃烧器的转移荷载较小 ， 因此 ， 本文 主要探讨 高炉煤气和热风管道的配管设计 。 2设计原则 在锅炉燃烧器配管设计 中 ， 需要遵照如下设计 原则 ： 第一 ， 保证管道设计的安全性 ， 选用 的管道零 部件必须满足相关规程规范 的要求 ， 在设计寿命 内 不会发生泄漏、 断裂等安全事故 。第二 ， 保证燃烧器 接管处的转移荷载在热位移过程中满足锅炉厂的限 值要求。第三 ， 保证管道设计 的经济性 ， 在安全、 可 靠的基础上尽量减少建设成本 。 3 补偿器及支 吊架设计选用 为补偿连接到燃烧器上管道的热位移 、 支撑管 道和控制燃烧器处的转移荷载 ， 高炉煤气和热风管 道一般采取安装补偿器、设置弹簧支吊架等措施。 补偿器可分为金属和非金属两大类 ， 而弹簧支吊架 可分为普通弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架两大类。 3 1 补偿器设计选用 高炉煤气是有毒气体 ， 一旦泄漏将可能造成重 大安全生产事故 ， 而 目前非金属补偿器尚存在泄漏 的隐患 ，因此高炉煤气管道通常采用金属补偿器 。 根据燃烧器前水平空间的大小 ， 补偿器可装设在高 炉煤气管道 的垂直段或水平段 ， 分别采用 吸收轴向 热位移的轴 向补偿器和吸收横 向热位移的横向补偿 器 。 轴 向补偿器价格便宜 ， 但轴向刚度和盲板力大 ， 3 6 冶 金 动 力 ME T ALL U RGI CAL P O W E R 2 0 1 1 年第5 期 总 第 1 4 7期 补偿器需垂直安装 ，在吸收管道热移位的过程中对 燃烧器的转移荷载较大。 而横向补偿器横向刚度小， 盲板力对燃烧器没有转移荷载 ， 但价格 昂贵， 同等规 格价格要 比轴向补偿器贵近一倍 ，而且补偿器需水 平安装 ， 燃烧器前水平空间要求较大 ， 因此在满足燃 烧器转移荷载限值要求的情况下应优先选用轴向补 偿器。 热风管道由于不存在泄漏的危险性 ，因此从安 全性的角度考虑 ，金属补偿器和非金属补偿器均可 采用 ， 而且价格也差不多 ， 但非金属补偿器没有刚度 和盲板力 ，可以减小补偿器吸收热位移过程中对燃 烧器的转移荷载 ，因此优先选用非金属补偿器。另 外 ， 燃烧器前管道多 ， 热位移大 ， 补偿器水平安装需 占据较大的空间， 不利于管道布置 ， 因此优先选用吸 收轴向位移的非金属补偿器 ，在热风管道上垂直安 装 。 3 2 弹簧支吊架设计选用 普通弹簧支吊架在吸收热位移的过程中存在荷 载转移的问题 ，而恒力弹簧支吊架则可以保持荷载 不变， 若热风和高炉煤气管道采用恒力弹簧支吊架， 则其随燃烧器向下热位移的过程中不会有荷载转移 到燃烧器上，从而使燃烧器上的转移荷载满足锅炉 厂的要求。另外 ， 随着锅炉容量的不断增大， 燃烧器 的热位移也不断增大 ，恒力弹簧支吊架相对于普通 弹簧支吊架可以吸收更大的热位移量 。但恒力弹簧 支 吊架价格昂贵 ，价格往往是普通弹簧支 吊架的几 倍 ， 因此 ， 在满足转移荷载和热位移的条件下应优先 选用普通弹簧支吊架 。 4 建立燃烧器 配管力学模型 为简化分析过程 ，简化热风和高炉煤气管道从 补偿器出口至燃烧器进 口之间的管道系统，建立燃 烧器配管力学模型。 4 1 燃烧器配管力学模型范围 补偿器是柔性件 ， 相对于管道 刚度较小 ， 特别是 非金属补偿器 ， 刚度几乎可以忽略不计。 因此可以把 补偿器出口看作配管力学模型的进口 端面。配管力 学模型在进 口端面上传递受力的大小只与补偿器的 刚度和变形量有关 ， 而与上游管道 的荷载大小无关 。 管道与燃烧器的连接处是配管力学模型的另一个端 面， 它们是刚度无 限大的刚性连接 。 4 2 配管力学模型分析 整个配管力学模型只受 四个力作用 ，如图 1 所 示。 第一个为管道 自身质量产生向下的重力 G； 第二 个为锅炉燃烧器对配管力学模型的推力或拉力 F g ， 方向需要根据力学平衡确定 ，它是配管力学模型需 要控制对象参数 ；第三个为弹性支吊架提供的向上 支撑力 F z ， 大小 由弹簧支座 的类型决定 ， 普通弹簧 支座与弹簧的压缩值成正比，恒力弹簧支座则在整 个热位移过程保持设定值不变；第 四个为补偿器对 配管力学模型产生的推力或拉力 F h ，其大小和方向 跟补偿器的刚度和变形量有关 ；它们应该满足公式 G + + F z 十 F b = 0 。通过分析系统力学模型 ， 选用合适 的弹簧支吊架、 补偿器型式和技术参数， 满足锅炉厂 对燃烧器接管处支撑力 F g 的限值要求。 补偿器拉伸、 压缩或偏转对力学模型 产生的推力或拉力R 生的重力 G 图 1 燃 烧 器 配管 力 学模 型 受 力 图 在锅炉启动过程中，管道系统随燃烧器一起向 AF g ，它们大小相等 ，方向相反 ，满足AF + AF z + 下移动 ， 由于补偿器及上游管道有刚性支撑 ， 不会向 AF g = 0 。 下一起移动 ， 因此补偿器将拉伸( 轴 向补偿器 ) 或向 根据上述分析， 锅炉在启动过程中， 燃烧器处受 下偏转 ( 横 向补偿器 ) ， 补偿器对力学模型的作用力 力的变化 AF g 不仅与弹簧支 吊架和补偿器的型式 在冷态的基础上额外产生一个向上的拉力 F b ； 弹 和设计参数有关 ，而且与燃烧器处向下的热位移值 性支吊架生根在厂房或锅炉柱子上 ，也不会随燃烧 有关。对特定的锅炉 ， 燃烧器处 向下的热位移确定 ， 器一起 向下移动 ，这样弹簧支吊架 的弹簧必然进一 当弹簧支 吊架和补偿器的型式和参数，即它们的刚 步压缩 ，对力学模型的作用力在冷态的基础上额外 度确定以后 ，燃烧器处的受力变化 F g 也将确定 ， 产生一个向上的支撑力AF z( 当采用恒力弹簧支吊 而改变弹簧和补偿器的预压缩值或偏转值不会改变 架时F Z = 0 ) ；而由管道 自身质量产生 的重量 G将 AF g的绝对值 ， 只能改变燃烧器接管处冷态和热态 保持不变 ； 为了平衡这两个 向上额外产生 的力 AF b + 时的受力分配。 因此 ， 当燃烧器处受力( 转移荷载) 超 AF z ，在燃烧器接管处必须产生一个额外向下的力 出锅炉厂的限值 ，只能通过改变弹簧支吊架和补偿 2 0 1 1 年第5 期 总 第1 4 7期 冶 金 动 力 唧 A L L U R G I C A L P O WE R 3 7 器的型式或技术参数 ，降低它们的刚度 ，从而减小 F g的值 ， 再通过调整弹簧和补偿器 的预压缩值或 偏转值 ， 改变冷态和热态时对燃烧器的转移荷载 ， 满 足锅炉厂的限值要求。 5工程实例分析 5 1 N T S 1 2 MW 电站 6 5 t h全烧高炉煤气锅炉 某 国 N T S 1 2 Mw 电站 6 5 t h全烧高炉煤气锅 炉为悬 吊结构 ，燃烧器在额定工况下 的热位移为向 下 5 4 mm。为保证燃烧器承受的热风和高炉煤气管 道转移荷载满足锅炉厂的限值 ，同时保证管系运行 的安全性和经济性 ，采用如图 2 所示的热风管道和 高炉煤气管道布置型式。 根据热风管道的工作温度和工作压力 ，选择非 金属织物补偿器， 由于其轴 向刚度可以忽略不计 ， 因 此对燃烧器处受力 的变化量 AF g 基本没有影响。考 虑到高炉煤气泄漏 的危险 生和热位移方向，高炉煤 气管道选择轴向金属补偿器 。 这样 ， 决定燃烧器处受 力变化 AF g的因素只有三个 ， 轴向金属补偿器 的轴 向刚度 K 1 1 、高炉煤气管道普通弹簧支 吊架的弹簧 刚度 K 2 1和热风管道普通 弹簧支 吊架的弹簧刚度 K 2 2 。为减少燃烧器处受力变化量 F g ， 采取如下措 施 ： 1 )增加轴 向金属补偿器 的波数 ，降低轴向刚度 K1 1 ； 2 ) 在满足支 吊架处荷载和变形量 的条件下 ， 采 用大变形量和低荷载范 围的弹簧 ， 降低 K 2 1和 K 2 2 的数值。 通过上述两个措施 ， 可以降低 F g 的数值 ， 再通过设置轴 向金属补偿器和弹簧 的预压缩值 ， 改 变冷态和热态时燃烧器的受力 F g ， 满足锅炉厂的限 值要求 。 图 2 6 5 锅炉高炉煤气管道和热风管道布置图 5 2某钢 6 0 MW 电站 2 2 0 t h全烧高炉煤气锅炉 某钢 6 0 Mw 电站 2 2 0 t h全烧高炉煤气锅炉 亦为悬吊结构 ，燃烧器在额定工况下的热位移为向 下 1 1 0 m m。由于热位移较 大、 管道 自身质量较重 ， 而锅炉四周空间较为宽敞 ，为保证管系运行的安全 性和经济性 ，采用如图 3所示 的热风管道布置型式 和图4 所示的高炉煤气管道布置型式。 吕 2 舌 昌 囊 图 3 2 2 0 t h锅炉高炉煤气管道布置 图 图 4 2 2 0 t h锅炉热风管道布 置图 热风管道由于不存在泄漏 的安全性问题 ，而现 有织物非金属补偿 器的性能又可 以满足 2 2 0 t h锅 炉热风管道工作温度和工作压力的要求 ，而且对燃 烧器处受力 的变化量 基本没有影响 ，因此 ， 非 金属织物补偿器是最佳选择 。热风管道 自身重量和 向下热位移均较大，普通弹簧支吊架 即使可以通过 串联弹簧来满足吸收热位移的要求 ，但在燃烧器 向 下热位移的过程中管道对 ( 下转第 4 1页) 2 0 1 1 年第 5 期 总 第 1 4 7期 冶 金 动 力 ME T A L L U R G I ( A L P O WE R 41 汽冷却区和与之相对的区域应作为重点监督 、 检验 的部位。 4 3 加 强运行 控制 f 1 1 控制高加温升率 前所分析 ， 高加温升率直接影 响到高加的使用 寿命 ， 因此在投用高加时 ， 注意缓慢开启高加注水 门向高加水侧注水 ， 同时控制 给水温度变化率在合 格范围之 内。一般给水温度变化是 以加热器出水温 度变化为准 ， 当加热器启 、 停或工况 变化 时 ， 控制温 度的变化在 2 C ra i n ，以保证管板和管束有足够 的 时间均匀地吸热或散热 ， 防止 因温度变化过大对高 加热冲击造成的损坏 。 f 2 ) 维持高加运行的正常水位 运行 中必须加强对汽液两相 流工作 状态监控 调整 ， 禁止无水位运行 ， 以减少上级疏水对高加 内 部汽水 冲刷 。同时针对每 台高加运行工况不同 ， 疏 水管道现场布置不 同等原 因， 结合实际运行工况试 验确定各台高加最佳水位控制方法 ， 以保证高加安 全及提高运行经济性。 f 3 1 提高运行人员故 障判断能力 通过加强 岗位人员专业培训来提高人员对高 加内漏的判断能力 ， 平时加强对不 同工况下端差及 疏水水位等相关数据收集 ， 并做好参数分析工作， 在 发现水位异常或出现可疑水位时可先解列高加 ， 对 高加给水侧进行小流量验漏或通知检修人员一起 共 同判断 ， 避免泄漏扩大。 5 结束语 高加加热器投入率是 电厂经济指标 中重要 的 一 项考核指标 ，高加运行可靠性和运行性能的高 低 ， 直接影响到机组 的运行经济性。通过对高加钢 管泄漏原 因的细致技术分析 ，并结合 内部结构优 化 、 运行操作 、 检修工艺改善等针对性措施实施 ， 现 场高加运行状况将会得到有效改善 ，