机械管理开发 总第149期 2015年第7期 设计试验 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total of 149 N0.7 2015 循环流化床锅炉水冷滚筒冷渣机选型的研究 魏 靖 (中机国能电力工程有限公司,上海200061) 摘要:为了解决循环流化床锅炉水冷式冷渣机型号多样化、选型困难的问题,在充分调研的基础 上,对国内几种主要型号的水冷滚筒冷渣机进行技术论证及比较,给出了设备选型建议,同时也 对冷渣机的发展提出了建设性的建议。 关键词:循环流化床;冷渣机;多管式;夹套式;膜式壁;选型 中图分类号:TK229 文献标识码:A 文章编号:1003—773X(2015)07—0042.04 DoI:10.16525/i.cnki.CR14—1134/th.2015.07.016 引言 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。 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。 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 均匀地通过各管问间隙,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, 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,并顺利地导人下游输送设备, 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 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, 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 收稿日期:2015—07—15 作者简介:魏靖(1983一),男,江苏溧阳人,工程 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 师,现任中机国能电力工程有限公司机械部副主任兼 副主任师,从事火力发电厂运煤/除灰设计工作。 膜式壁式滚筒冷渣机基本特征是它的筒体由 魏靖:循环流化床锅炉水冷滚筒冷渣机选型的研究 2015年第7期 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,将简体分为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 m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: Q—Q +Qf Q 一(T 一T )F / ===(Tz—Tg)口 / Qf一 Ff(T 一 )一 fF(Tz 一Tg ) 式中:Q为底渣散热总量,J;Q 为传导传热量,J; Qf为辐射散热量,J;F为简体散热水套总面积, m ;F 为底渣辐射总表面积,m。;F 为底渣与筒壁 接触面积,m。;Tz为底渣进料温度,℃;T :筒内壁 温度(≈水温),℃; 为底渣导热系数,w/(m・k); 为底渣料层厚度,m;e为底渣与内筒的角系数; a为底渣与筒壁接触系数; 为底渣表面积与简体 总换热面积的比。各种结构型号的冷渣机, 值 不同 。 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 ・43・ 大底渣总表面积。 增大换热面积主要采用增大冷渣机简体长度 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简体长度及直径上 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 渣机简体长度和直径、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 机械管理开发 jxglkfbjb@126.corn ・44・ 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、简体爆裂等。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1.2 MPa~2.6 MPa, 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4.0 MPa,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 第3O卷 简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8.0 MPa 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 简内磨损 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,底渣夹持在叶片于简体之间基本不动, 一直到简体顶端时抛洒而下。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 了对简体的直接冲击,从而在根本上解决叶片及 简体机械磨损。 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 魏 靖:循环流化床锅炉水冷滚筒冷渣机选型的研究 2015年第7期 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 渣箱与简体之间磨损、出渣箱与简体之间磨损。 解决动静结合部磨损最主要的措施是降低简体 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1.25 MPa,夹套式滚筒冷渣机适用冷却水水压 为不大于2.5 MPa,膜式壁式冷渣机适用冷却水 水压为不大于4.0 MPa。 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(Q )+设备本体散热总量 (Q )一底渣热传递总量(Q。)。 由于设备本体散热总量(Q。)较小,故冷却水 量可按下列公式估算: 冷却水吸收热量(Q )≈底渣热传递总量( ) W1×*(T2一T1)×C1一W2×(T4一T3)×C2 W1===0.24×W2×(T4一T3)/(Tz—T1) 式中:w 为冷却水量,t;W 为底渣总量,t;T2为 出水水温,℃;T 为进水水温,℃;T3为出渣渣 温,℃;T4为人渣渣温,℃;C 为水比热容, J/(kg・℃);C。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 。 ・45・ 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,简体内压力增大引发 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:水一1:4.0~4.9 夹套式滚筒冷渣机:渣:水一1:3.5~4.2 膜式壁式滚筒冷渣机:渣:水一1:2.5~3.2。 3 结论及建议 3.1结论 1)多管式滚筒冷渣机较适用于冷却水水压不 大于1.25 MPa,设计出力小于6 t/h的工况; 2)夹套式滚筒冷渣机较适用于冷却水水压不 大于2.5 MPa,设计出力小于15 t/h的工况; 3)膜式壁式滚筒冷渣机较适用于冷却水水压 不大于4.0 MPa,设计出力大于15 t/h的工况; 4)在选用水冷式滚筒冷渣机时,冷却水量宜 按设计铭牌出力计算供给; 5)在设计选型过程中,冷却水量严重不足的 情况下,膜式壁式滚筒冷渣机冷却水量可根据锅 炉实际排渣量计算供给。必要时,可采用冷却水 二次循环的办法,保证冷渣机冷却水流量充足。 3.2建议 1)冷渣机设备选型应在设计煤种的基础上充 分考虑到今后煤种变化的趋势,至少考虑一台冷 渣机的备用; (下转第58页) ・58・ 机械管理开发 jxglkfbjb@126.corn 第30卷 小在0.005 ̄0.020 mill之间 ,距离太小会出现干 涉,使得辅助支承变为主定位;太大起不到辅助支 承作用。到目前一直采用此种结构定位加工,没 出现因加工不稳定造成位置度超差的零件。 3 结语 合理利用过定位,可以有效提高定位基准之 图2 改进后铣用夹具 (mm) 间的位置精度,也可增强系统刚性和加工质量的 竖直方向受力,使得零件端面发生弹性变形。使 可靠性。 用这种夹具加工出的孔位置度在0.03 mm左右。 参考文献 连续加工了1 000件,位置度都在0.1 mm内,且 [1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社, 比较稳定。此种定位方式要求精车被加工件时两 1995:11. 定位端面间距离一致性要好,做夹具时A基准与 [2]朱耀祥,浦林祥.现代夹具设计手册I-M].北京:机械 B基准的同轴度应保证在0.O1 mm以内,C基准 工业出版社,2009. 与D基准之间的距离要比零件两端面之间的距离 (编辑:张柯慧) Application of Over Location in Fixture Zhang Xiuli,Song Xinwen (China National Heavy Duty Truck Group Datong Gear Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037305) I-Abstract]The machining fixture design,to meet the machining accuracy of parts,the parts to enhance the rigidity,positioning in a pivotal position,obtained the position should be reasonable application in fixture design. [Key words]fixture;over location;application (上接第45页) 参考文献 2)中大型冷渣机选型宜优先选择膜式壁式滚 [1] 岑可法.循环流化床锅炉原理设计及运行[M].北京:中 筒冷渣机,并优化冷却水系统; 国电力出版社,1998. 3)依据水冷式冷渣机的传热计算方法计算灰 [2]蔡渊.火力发电厂除灰设计技术规程I-M].北京:中国计 渣传热曲线,得出冷渣机选型可按二级冷却的方 划出版社,2012. E3] 张晓杰.循环流化床水冷式冷渣机的传热计算方法探讨 案设计,即:高温段采用水冷滚筒式冷渣机冷却, [M].东北电力技术,1999(2):2O一21. 低温段采用风水联合冷渣机冷却的组合方式,以 (编辑:赵婧) 达到最优化设计。 Analysis on Choosing of the Barrel Type Slag Cooler of Boiler Water of Circulating Fluidized Bed Wei Jing (China Sinogy Electric Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200061) [Abstract]In order to solve the circulating fluidized bed boiler water—cooled cold slag type diversification,selection and difficult problems,on the basis of sufficient investigation and research,the domestic several main types of water cooling roller technology demonstration and comparison of slag cooler,equipment type selection suggestions are given,and constructive suggestions are al— so puts forward on the development of slag cooler. [Key words]circu1ating fluidized bed;slag cooler;multituhe;jacked type;membrane panel;model selection