循环流化床锅炉水冷滚筒冷渣机选型的研究

2015-03-20魏靖

机械管理开发 2015年7期

关键词：套式壁式膜式

魏靖

（中机国能电力工程有限公司，上海 200061）

引言

目前，冷渣机作为国内流化床锅炉电厂辅机的设计选型中主要难题之一，一直是一个争论的焦点。冷渣机是流化床锅炉辅机设计中影响较大的设备，并在一定程度上影响了锅炉的安全正常运行。

冷渣机作为锅炉底渣输送系统中的前端设备，是一个将锅炉底渣冷却后导入下游输送设备的一个关键设备，冷渣机能否安全可靠地将锅炉底渣进行深度冷却，并顺利地导入下游输送设备，决定了整个底渣输送系统运行状态，也是循环流化床锅炉正常运行的关键设备。

经专家统计，国内已投运的循环流化床锅炉90%以上采用了水冷式滚筒冷渣机，部分采用风水联合冷渣机，水冷式滚筒冷渣机已经成为循环流化床锅炉的主流底渣处理设备，水冷滚筒式冷却方式已经得到电力行业的普遍认同。

1 水冷滚筒冷渣机主要型式简介

1.1 多管式滚筒冷渣机

多管滚筒（蜂窝）式滚筒式冷渣机布置形式上分倾斜式和水平式，其基本特征是筒内布置多根相互平行的六棱管或圆管，各管间隙中通冷却水，内设置有螺旋导向片。

当滚筒由传动装置驱动旋转时，锅炉排出的高温炉渣在各管内由螺旋叶片导向前进，冷却水连续均匀地通过各管间间隙，使热态炉渣逐步冷却。

该型号冷渣机优点是：换热效果强，成本低。

该型号冷渣机缺点是：承压能力小，管程短，堵渣严重，管壁磨损严重，极易漏水且维修难度大，整机寿命短。

该型号冷渣机较适用于小渣量工况。

1.2 夹套式滚筒冷渣机

夹套式（板式）滚筒冷渣机基本特征是内筒和外筒间形成一个夹套，中间通以冷却水；内筒内壁上焊有螺旋片或其他传热元件。

当套筒由传动装置驱动旋转时，锅炉排出的高温炉渣在套筒内由螺旋叶片导向前进，冷却水连续均匀地通过套筒封闭夹层，使热态炉渣逐步冷却。

该型号冷渣机优点是：出力调节性能好，不易堵渣；便于检修，整机寿命较长。

该型号冷渣机缺点是：承压能力一般，换热效果一般，筒体板材较厚，整机重量较大，磨损严重，运行及检修工作量较大。

该型号冷渣机较适用于中小渣量工况。

1.3 膜式壁式滚筒冷渣机

膜式壁式滚筒冷渣机基本特征是它的筒体由沿圆周分布的钢管组成，钢管间通过鳍片焊接而成，钢管内腔通以冷却水。钢管和鳍片组成的原筒体兼起内筒和外筒作用，内筒内壁上焊有百叶状叶片或其他传热元件。该型号冷渣机通常采用分仓结构，将筒体分为3～8个冷却仓以增加冷却面积。

该型号冷渣机优点是：换热效果强，出力调节性能好，不易堵渣，承压能力高，整机寿命长。

该型号冷渣机缺点是：焊缝较多，内应力大，加工及装配精度要求较高。

该型号冷渣机较适用于中大渣量工况。

2 水冷滚筒冷渣机存在问题及分析

水冷滚筒冷渣机主要存在四大问题：出力问题、泄漏问题、安全问题、寿命问题。此外，水冷滚筒冷渣机设计选型中还存在冷却水量过大的问题。

2.1 出力问题

滚筒冷渣机的出力是指在设计排渣温度范围内滚筒冷渣机冷却热渣的处理能力。冷渣机出力大小的本质是热渣的热传递总量大小。在底渣的热传递过程中，主要有辐射传热和传导传热两种方式。

2.1.1 底渣热传递计算

根据传热学计算底渣热传递总量：

式中：Q为底渣散热总量，J；Qc为传导传热量，J；Qf为辐射散热量，J；F为筒体散热水套总面积，m2；Ff为底渣辐射总表面积，m2；Fz为底渣与筒壁接触面积，m2；Tz为底渣进料温度，℃；Tg：筒内壁温度（≈水温），℃；λ为底渣导热系数，w／（m·k）；δ为底渣料层厚度，m；ε为底渣与内筒的角系数；a为底渣与筒壁接触系数；nf为底渣表面积与筒体总换热面积的比。各种结构型号的冷渣机，nf值不同［1］。

根据该上述计算分析，在相同换热面积的前提下，传导传热量与底渣料层厚度成反比，与底渣与筒壁接触系数成正比；辐射传热系数与底渣的总表面积成正比。

因此，水冷式滚筒冷渣机提高出力主要手段为：增大换热面积、增大底渣与筒壁接触系数、增大底渣总表面积。

增大换热面积主要采用增大冷渣机筒体长度和直径、采用曲线结构冷却壁、分仓等方式。

增大底渣与筒壁接触系数主要采用筒内密布百叶状叶片，降低底渣料层高度等方式。

增大底渣总表面积主要采用采用分管、增大抛洒面积等方式。

2.1.2 各型号滚筒冷渣机主要结构特征及适用范围

1）多管式滚筒冷渣机的结构上主要采用了曲线结构冷却壁、管内密布螺旋叶片、分管等方式以增大换热面积、底渣与筒壁接触系数和底渣总表面积，该型号冷渣机冷却效果较好。同样，由于其采用蜂窝式多管结构，排渣量较大时易堵渣、承压能力较差、端板易开裂、管内螺旋焊接难度较大。因此，多管式水冷滚筒冷渣机筒体长度及直径上限制性较大，其在设备中大型化上有较明显瓶颈。根据运行经验，该型号冷渣机较适宜排渣量小的工况。

2）夹套式滚筒冷渣机结构上主要采用了增大冷渣机筒体长度和直径、筒内密布百叶状叶片、增大抛洒面积等方式以增大换热面积、底渣与筒壁接触系数和底渣总表面积，该型式冷却效果一般。同样，由于采用夹套式结构，在相同处理量时，它的体积较大，设备本体质量较重，运行及检修成本较高，在设备大型化上有较明显瓶颈。根据运行经验，该型号冷渣机较适宜排渣量适中的工况。

3）膜式壁式滚筒冷渣机结构上采用了增大冷渣机筒体长度和直径、采用曲线结构冷却壁、分仓、筒内密布百叶状叶片，降低底渣料层高度、增大抛洒面积以增大换热面积、增大底渣与筒壁接触系数、增大底渣总表面积，该型式冷渣机冷却效果较好。同样，由于采用模式壁结构，在具备了夹套式和多管式滚筒冷渣机的主要优势的同时，还采用了分仓结构，在设备大型化上没有明显瓶颈。根据运行经验，该型式冷渣机较适宜排渣量较大的工况。

2.2 泄漏问题

水冷滚筒式冷渣机主要泄漏点有：旋转接头处漏水、进渣箱与筒体之间漏渣、出渣箱与筒体之间漏渣、锅炉渣管与进渣斗之间漏渣。

2.2.1 旋转接头处漏水

冷却水旋转接头技术几年来虽然有了很大的进步，但在运行可靠性上仍然存在问题。目前，采用机械密封的旋转接头，以波纹管作弹性元件，磨损后可自动进行补偿，抗振性好，对旋转轴的振动、偏摆以及对密封性腔的偏斜不敏感，因此使用寿命长，漏水现象得到很好控制，此外降低筒体转速也是提高旋转接头的有效措施。

2.2.2 底渣泄漏

底渣泄漏问题的主要原因在于冷渣机设备的特殊性，冷渣机既是一个热力设备又是一个转动机械设备，还是输送设备。冷渣机在工作状态下，由于热膨胀及转动的影响，本体部件很难直接采用接触式精密密封结构，同时由于冷渣机内部在运行过程中处于正压状态，因此密封问题比较突出。目前，各冷渣机厂家主要采用迷宫密封、间隙密封、胀套密封、间隙密封与疏通返料相结合等方式。其中，在达到设计工况的前提下，间隙密封与疏通返料相结合的方式可较好地控制动静结合部底渣泄露。

2.3 安全问题

水冷式滚筒冷渣机主要的安全隐患为：漏红渣、爆管、筒体爆裂等。其中较大的事故为江西分宜电厂滚筒冷渣机爆裂，撞坏下降管底部至水冷壁下联箱的分配管，导致大量汽水混合物喷出，造成3人死亡和6人烫伤的事故。事故调查初步分析及近年CFB锅炉运行情况表明：冷渣机作为CFB炉重要的辅助设备，在运行中容易发生冷却水流量不足，从而造成冷渣机筒体爆裂，引发事故。

目前，水冷式冷渣机大多采用闭式循环水、除盐水及凝结水，水压一般在1.2MPa～2.6MPa，而在冷渣机事故状态下，冷却水会迅速汽化，水压会突然升高，因而冷却水系统设计压力一般要求大于4.0MPa，这就要求水冷式滚筒冷渣机的承压能力必须满足系统要求［2］。

夹套式水冷滚筒冷渣机换热采用内外筒体夹套结构，在夹套中间水压较高时容易出现内筒失稳和端板失效现象。夹套式水冷滚筒冷渣机换热筒体设计的瓶颈在于内筒的失稳保护、端板的应力释放以及端板的制造工艺上。

多管式水冷滚筒冷渣机换热筒体采用多管蜂窝式结构，承压能力较低，瓶颈在于端板承压设计，无法在结构上保证设备安全运行。

膜式壁式冷渣机换热筒体采用压力管系结构，承压能力高，理论最高承压能力可高达到8.0MPa左右，水容积较小，即使在人为故障、冷却水中断等极端事故工况下，均不会造成严重的筒体爆炸等安全事故，具有较高的使用安全保证系数。

因此，夹套式水冷滚筒冷渣机及多管式水冷滚筒冷渣机，由于结构的限制，都存在着一定的安全隐患；同样，膜式壁式冷渣机由于结构的优势，在安全性上有了较大的提高。此外，由于膜式壁式冷渣机焊缝较多，如何在设备大型化的过程中减少焊缝、提高焊接质量、减小焊接变形和消除内应力等方面还需要做进一步研究。

2.4 寿命问题

多管式滚筒冷渣机由于结构形式上的瓶颈，该型号冷渣机一旦出现管内严重堵渣或漏水故障，整机将报废。而影响夹套式及膜式壁式滚筒冷渣机使用寿命因素主要为筒内磨损、支撑轮和滚齿圈的磨损、动静结合部的磨损，该两种型号冷渣机整机寿命一般较长。

2.4.1 筒内磨损

筒内磨损主要为机械磨损和高温烧损。

夹套式和膜式壁式冷渣机内部均采用百叶式叶片内筒，底渣夹持在叶片于筒体之间基本不动，一直到筒体顶端时抛洒而下。在此过程中底渣与筒体几乎无相对运动，而抛洒而下的底渣不但速度非常低，而且落点是铺满底渣的筒体底部，避免了对筒体的直接冲击，从而在根本上解决叶片及筒体机械磨损。

当质点温度超过材料的蠕变温度时发生烧损。夹套式和膜式壁式冷渣机内部叶片的温度及其材质决定其高温烧损寿命。而一般叶片的材质为Q345，蠕变温度为480℃，因此，如何在运行时保证叶片处于该温度以下，是决定其烧损寿命的核心问题。

根据部分设备厂家的经验，底渣温度在小于1 000℃时，叶片温度可按下列公式估算：

叶片温度≈水温＋叶片高度×3.5

2.4.2 支撑轮和滚齿圈的磨损

支撑轮和滚齿圈的磨损主要为机械磨损。

夹套式和膜式壁式冷渣机的支撑轮和滚齿圈机械磨损寿命主要受到其材质、承重线宽度、装配精度及转速等因素影响。解决机械磨损措施主要围绕以上因素综合考虑。

2.4.3 动静结合部的磨损

动静结合部的磨损主要为旋转接头磨损、进渣箱与筒体之间磨损、出渣箱与筒体之间磨损。解决动静结合部磨损最主要的措施是降低筒体转速。

2.5 冷却水问题

水冷式滚筒冷渣机冷却水主要有两大问题，即冷却水水压问题和冷却水水量问题。

2.5.1 冷却水水压问题

国内电厂多台冷渣机实际使用效果统计数据显示，多管式滚筒冷渣机适用冷却水水压为不大于1.25MPa，夹套式滚筒冷渣机适用冷却水水压为不大于2.5MPa，膜式壁式冷渣机适用冷却水水压为不大于4.0MPa。

2.5.2 冷却水水量问题

冷渣机冷却水量计算依据为：能量守恒定律。即：冷却水吸收热量（Q1）＋设备本体散热总量（Q2）＝底渣热传递总量（Q3）。

由于设备本体散热总量（Q2）较小，故冷却水量可按下列公式估算：

式中：W1为冷却水量，t；W2为底渣总量，t；T2为出水水温，℃；T1为进水水温，℃；T3为出渣渣温，℃；T4为入渣渣温，℃；C1为水比热容，J／（kg·℃）；C2为渣比热容，J／（kg·℃）［3］。

根据该上述计算分析，冷却水水量与底渣总量成正比，与水温差、渣温差成函数关系。

冷渣机选型根据规范要求，不宜小于燃用设计煤种排渣量的150%，不宜小于燃用校核煤种排渣量的135%。

冷渣机正常工况排渣温度应小于150℃，故障时冷渣机排渣温度应小于200℃。

故冷渣机的设计出力大于实际出力，冷渣机为了达到设计出力，其热交换面积及冷却水量需按设计值计算。

锅炉实际运行时排渣量达不到设计值时，多管式及板式冷渣机受到其承压能力较低的限制，需保证冷却水流量以防止排渣量突然增大时，筒体间隙内冷却水迅速汽化，筒体内压力增大引发爆裂事故。因而，多管式及板式冷渣机冷却水水量需按冷渣机设计铭牌出力供给。而膜式壁式冷渣机采用压力管系设计，承压能力较高，在排渣量突然增大时，管内可形成一定压力下的饱和水而不会汽化引发爆裂事故。因而，在冷却水量不足时，膜式壁式冷渣机冷却水量可根据锅炉实际排渣量供给。

根据电厂运行经验并结合各设备厂家提供的经验数据，冷却水量渣水比约为：（t／t）

多管式滚筒冷渣机：渣∶水＝1∶4.0～4.9

夹套式滚筒冷渣机：渣∶水＝1∶3.5～4.2

膜式壁式滚筒冷渣机：渣∶水＝1∶2.5～3.2。