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9F级余热锅炉非受压件设计探讨
发布时间：2013-07-02 07:56 来源：未知
1、前 言
余热锅炉( HRSG)是燃气一蒸汽联合循环电站中的一个重要的有机组成部分。联合循环是指对高温热源使用燃气轮机，对低温热源使用蒸汽轮机的发电循环，具有一般火力发电厂所无法达到的极高的热效率。燃气轮机输出功率大、启动时间短、易于控制，且这类电站还具有很强的调峰能力，特别有利于改善电网结构，这对于缓解我国长期以来各电网的峰谷差问题是非常有利的，而HRSG正是联合循环系统中被普遍采用的一种能量转换设备。
HRSG的结构、性能以及参数在很大程度上影响到整个联合发电循环系统中其它设备的性能参数、热效率等。合理的设计和布置HRSG的非受压部件对余热锅炉适应快速起停和变工况运行的要求具有重要的影响。
华能上海某厂3 x400 MW的燃气一蒸汽联合循环机组中的HRSG为上海锅炉厂有限公司采用引进的阿尔斯通( ALSTOM)公司技术进行设计与制造的。该HRSG所配燃机为西门子V94. 3A型单轴布置。HRSG为三压再热、无补燃、卧式露天布置、自然循环锅炉。部件采用OCC�？槌龀问�。非受压件部件主要有非受压件模块、墙板、连接墙板、膨胀节及功能各异的挡板等组成，富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗�；怪频哪拘忌镏士帕Ｈ剂�。
2、余热锅炉的热力特点
在燃气一蒸汽联合循环系统中，HRSG是以燃机的排气余热作为热源，来产生推动汽轮机运转所需蒸汽的换热设备。由于燃机负荷的不断波动，因此其排气的温度、流量和压力等工况往往会发生较大的变化，而适应这种变工况特性，保证蒸汽侧的热力参数相对稳定，正是对HRSG的一个重要要求。此外，中温、大流量工质也是HRSG的显著的热力特性。燃气轮机的排气是完全发展的紊流，流速和温度场分配很不均匀，虽经过排气扩散段的初步整理，但在HRSG进口烟道的截面上其排气流速和温度仍有很大的差异。HRSG的热面受热主要是以对流传热为主，辐射传热很小。因此，HRSG这种烟气流量大、高紊流度的气动特性对传热是有利的，但这也会导致HRSG受热面产生受热不均、磨损、膨胀不均匀和振动及噪音等不利现象。所以，在HRSG部件特别是非受压部件的设计中要充分考虑HRSG特有的热力特性，采取有效的措施来缓解甚至消除这些不良现象的发生。
3、余热锅炉非受压件的设计
石洞口燃机电厂锅炉为9F级余热锅炉，配备有低、中和高压3个汽水系统，每个系统由锅筒、蒸发器、省煤器、过热器、再热器等组成。锅炉还配备有给水加热器再循环泵、启动旁路除氧器、除氧器泵和排污扩容器以及疏水罐等。非受压件采用单排框架结构，锅筒由炉项钢架支撑，除氧器由辅助钢架支撑在HRSG本体左侧，其余的受压件均为悬吊结构，受热后可自由膨胀。进口烟道钢架按烟气流量的性能计算要求呈变角度喇叭形对称布置。
钢架的立柱与墙板组合为非受压件模块，这是HRSG非受压件设计的一个显著特点，其优点在于：�？榛圃炀诔导浣校蟠蠹跎倭斯さ匕沧暗墓ぷ髁�，缩短了安装周期，由于大多数焊口、保温材料的安装在制造厂内完成，焊接质量和保温材料的铺设质量得到了更有效地保证。
为了方便运输及安装，HRSG本体的�？楹颓桨逶谕磺涫遣捎帽扯员车某龀Ｊ剑缤�1。锅炉的非受压件�？榘ㄇ桨搴透旨�。墙板由内护板、保温层和外护板组成，墙板构成了HRSG气密性的烟气通道（即HRSG本体的外围框架）。
3.1墙板与�？�
墙板一般由内护板、保温层和外护板构成；�？橛汕桨逵敫旨芰⒅蚝崃鹤楹隙伞Ｇ桨宓墓钩尚问饺缤�2所示，外护板按一定的纵、横节距焊有电焊螺柱，内护板则通过电焊螺柱上的螺母及特制的垫圈来固定，保温材料填充在内、外护板之间，保证HRSG运行中墙板的结合而不出现局部热点（超温）。内护板在外护板上螺柱的相应位置开设圆孔，该孔的大小应足以满足当内护板受热后的自由膨胀而不影响电焊螺柱使其产生的偏移。对于不设置膨胀中心的HRSG而言，每一个区间的膨胀都是相对独立的。因此，每一个区间内护板的膨胀都是自由多向的，这给内护板之间的连接带来了一定的困难。为此，设计时应对每一块内护板设置膨胀中心。
考虑到安装顺序及墙板和模块在HRSG中的不同位置，设计中墙板和�？槭墙惶娌贾玫模ㄈ缤�3）。如果右侧的�？椴贾迷诘�1、3、5区间，则左侧墙的�？椴贾迷�2、4区间，余下的均为独立的墙板，从而右侧墙的第1、3、5区间的�？橛胱蟛嗲降牡�1、3、5区间的墙板背靠背出厂，反之亦然。这样设计的目的在于安装时先将�？椋ㄖ装逶诔导浜赣诟旨芰⒅锥耍┯玫亟怕菟ü潭ㄓ诨∶嫔�，然后拆下�？楸趁娴那桨宀⒁浦聊？橥涞亩粤⒚娌⒐潭ň臀�，这样就能方便地将一个区间的�？楹颓桨灏沧暗轿涣�。而底部的�？槭怯傻撞壳桨搴臀挥谄渥笥伊讲嗟母旨艿撞亢崃汗钩傻�，布置在第1、3、5区间，2、4区间则为独立的墙板。在两侧墙的同区间�？楹颓桨灏沧熬臀缓蠹吹跞氲撞磕？椴⒂胫懈招粤�，最后吊装同区间的炉顶主梁，这一区间的框架式结构必须在基础灌浆并养护后，方可进行受压件模块的吊装。进口烟道侧墙模块组成形式是由墙板与位于其后侧的进口烟道钢架立柱单边组合而构成。顶部和底部的模块则是与位于其前侧的进口烟道的顶部和底部的钢架横梁单边组合而构成，因此也只有侧墙最后端和顶部及底部的最前端才是独立的墙板结构。
为使墙板在烟气压力波动时不产生变形，保证烟气流通的截面不发生变化，同时能满足墙板在运输及吊装过程中不产生挠曲变形，并能承受风载和地震载荷等因素，在设计中应结合烟气压力理论上的瞬时峰值以及上述的风载和地震等参数进行计算，合理地选取和布置加强筋以增加墙板的整体刚性。立柱间连接的横梁是用于�？榈亩ㄎ徊⒂肽？橥背龀�，而并非墙板的加强筋。
除了上述带有保温和内护板的墙板外，炉顶墙板是由单独的外护板构成，并且组装在受压件�？榈闹У趿旱撞�，随受压件�？橐黄鸪龀У�。炉项墙板之所以不设计为带有内护板的结构，是因为其布置在受压件的小集箱上方，不构成HRSG的烟气通道。炉顶墙板上的保温在工地安装，便于留出足够的空间给连接相关管道的工地安装及调整，达到结构紧凑的目的。炉顶墙板焊有保温抓钉（保温抓钉在车间内平贴在外护板上，在工地安装保温再弯至垂直于墙板位置）如图4所示。炉项墙板按总体布置要求开设有许多大小不等的穿墙孔，这些大小不等的孔在工地用膨胀节或管套与穿墙管焊接密封。
3.2连接墙板
HRSG侧墙的连接结构是由�？橛肭桨逯苯酉嗷チ拥模酥�，包括炉底、炉顶、进口烟道、连接烟道，它们之间的相互连接以及进口烟道与燃机扩散段的非金属膨胀节的连接均由连接墙板来完成。连接墙板包括内护板、保温材料和保温抓钉，是在工地安装的。设计考虑的是连接墙板的安装能满足烟气流向即顺流布置。另外，在侧墙连接板上布置有为防止受压件模块晃动而设置的限位装置。此装置由钢管、筋板和型钢组成，见图5。连接墙板与其他墙板的连接均为栓接结构，保证膨胀畅通。
3.3挡板
在整个HRSG非受压件部件中包含了许多功能各异的挡板，按其在HRSG中的功能分类，一般有以下3类：(1)防震消音隔板，(2)消音挡板，(3)烟气挡板，如图6所示。
3. 3.1防震消音隔板
防震消音隔板为折边的波形板形式，分别穿插在受压件�？槟邝⑵苤�( Segmented Baffle)和受压件�？橛肽？榈镊⑵苤�( Solid Baffle)，通过U型螺栓、垫片及螺母固定在鳍片管上。防震消音隔板的布置是依据HRSG炉膛宽度方向的受压件�？槭坷淳龆ǖ摹Ｍǔ�，沿炉膛宽度方向布置2组受压件模块时，防震消音隔板( Solid Baf-fle)放置1组；当炉膛宽度方向布置了3组受压件�？槭保蚍胖�2组。防震消音隔板( Solid Baffle)类似一堵墙板将�？楦艨�。另一种模块，内防震消音隔板( Segmented Baffle)是按受压件�？榈目矶�1：2不对称布置的，这一点非常重要。隔板位置的合理布置是使HRSG减少震动，避免共振和降低噪音的有效保证。
3. 3.2消音挡板
消音挡板( Cavity Baffle)由带有加强筋的金属薄板构成，布置在2个区间相对应的受压件模块之间。有时按需要，在HRSG最后一个区间与烟囱进口框架之间也布置有消音挡板。消音挡板在炉膛宽度方向的布置数量与模块间防震消音隔板( Solid Baffle)相同，通过防震消音隔板( Solid Baffle)两端的开孔，用螺栓把消音挡板固定在防震消音隔板上。如果在最后一个区间与烟囱进口框架之间也需要设置消音挡板，那么其数量与HRSG炉膛内的消音挡板数量是相等的。其一端与最后一个区间的防震消音隔板连接，另一端与烟囱进口框架连接。消音挡板的布置高度与受压件�？榈母叨认嗟�，上下挡板之间的连接应该是设有间隙的，保证挡板膨胀畅通，这对消音挡板而言是很重要的。
3.3.3烟气挡板
烟气挡板在HRSG中可分成几种且功能各异，包括位于受压件小集箱和端部的U型挡板(UBaffles)，管子到集箱的挡板(Tube to Header)，导流挡板( Diverter)，空腔处（前、后模块之间）上、下集箱过道挡板( Vestibule Blocker Baffles)和安装于墙板上的烟气挡板( Channel Baffles)。它们的功能是使高温烟气集中于�？轺⑵�，从而提高受热面与烟气的对流换热效率并保证密封。U形挡板是悬挂在上、下集箱的端部并紧靠侧墙墙板，形似小集箱的延伸，起到阻止烟气从小集箱端部与墙板之间的间隙处流失。管子到集箱的挡板安装于管屏两端的光管部分，沿模块深度方向，一片隔一片安装，避免大量烟气从光管部分流过。导流挡板的作用是对流经小集箱处的烟气进行导流，减少烟气流向空腔。过道挡板又分为水平过道挡板和阻流板，水平过道挡板实际上就是HRSG炉膛顶部和底部的烟气密封挡板，也是HRSG墙板式烟道（烟气走廊）的一个组成部分，过道挡板分别与相邻2个区间的受压件�？橄嗔�；阻流板按位置将空腔也划分为与�？橄喽杂Φ�5个区间，阻止流入空腔内的烟气在空腔内流动，而对小集箱、汇合集箱及其连接管道等进行非受控的换热，保证空腔内的烟气相对静止且相互独立，并与所对应的�？榍浔３忠桓鱿喽院愣ǖ奈露瓤占�。位于侧墙内护板上的烟气挡板主要是将流向两侧墙与鳍片管间的烟气导向�？榈氖苋让妫⑵埽庇挚杉跎傺唐郧桨宓某逅⒍鸬矫芊夂捅；さ淖饔谩Ｕ庵值舶宓牟贾糜氩嗲叫纬梢欢ǖ乃称鞣较虻慕嵌�，以减少阻力。
3.4膨胀节
在联合循环系统中布置有2个非金属膨胀节，分别位于燃机排气系统扩散段的出口与HRSG进口烟道之间和HRSG出口与烟囱进口之间，它们的功用是一致的，主要是吸收扩散段与进口烟道之间的热膨胀位移和HRSG与烟囱之间的膨胀位移。膨胀节由法兰、蒙皮和保温层构成一个柔性的连接结构，它能吸收较大的位移量。采用这种柔性的密封连接结构能有效地阻隔（断）燃机、HRSG和烟囱之间作用力的相互传递，对于那些不可预见的破坏性因素出现时，可使这些部件处于独立的相互不受干扰的状态中，不至于产生连锁性地破坏。
在HRSG本体中有为数众多的各类管道和仪表测量装置穿出墙板，对于这些穿墙管必须按受热后膨胀位移量而度身定制大小不等的金属膨胀节，起到密封和不影响膨胀的功用。安装时，膨胀节事先套入那些需要密封的穿墙管外，在管子对接后实施膨胀节的密封焊接，为�；づ蛘徒诘恼９ぷ�，在膨胀节外套入�；ぬ淄膊⒃谔淄餐饨斜Ｎ�。
4、结束语
本文是以上海某燃机电厂9F级HRSG的设计为实例，对9F级HRSG的非受压件结构设计及其功能进行说明，随着我国燃气一蒸汽联合循环电站建设的不断发展以及经验的积累，各种先进的理念和更为合理的结构将会不断出现，有待于我们去深入地研究和探讨。
