大容量煤粉锅炉长伸缩式蒸汽吹灰器枪管变形失效分析

汤学义 冉燊铭 王婷 易泽中

【关键词】大容量锅炉;蒸汽吹灰器;枪管;变形

【中图分类号】TK221 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）05-0084-06

0 引言

吹灰器是清除固体燃料锅炉受热面积灰的辅助设备，对锅炉可靠、经济运行有重要作用[1]。吹灰器通常利用加压流体产生机械/热冲击使沉积物脱落，达到清灰目的[2]，有蒸汽、声波、激波、声波等多种形式[3-5]。我国大型电站锅炉普遍采用蒸汽吹灰器[6]。

大容量高参数超（超）临界机组是我国火电发展的重要方向[7]，锅炉尺寸随机组容量增加而增大，国产百万千瓦超超临界“Π”形煤粉锅炉的炉膛宽度达32.084～35.496 m[8-11]，600 MW级超临界“W”形火焰锅炉的炉膛宽度也达到26.68～34.48 m[12-14]，与百万千瓦常规燃烧方式煤粉炉相近。为满足炉膛宽度方向受热面吹灰覆盖的需要，布置在烟温较高区域的长伸缩式蒸汽吹灰器（简称长吹）行程需与炉膛尺寸匹配，工作时，枪管伸入炉膛宽度一半距离（长达17 m），承受自重引起的弯矩，同时受到炉内高温烟气加热，工况非常恶劣，部分电厂出现了炉膛出口高烟温区域长吹枪管变形失效问题，造成高温受热面吹扫工作不能正常进行，导致受热面积灰结渣加剧、超温，排烟温度升高，锅炉热效率降低，对锅炉正常、稳定及经济运行产生不利影响。

本文以百万千瓦对冲燃烧“Π”形锅炉长吹为研究对象，基于壁温计算和力学分析两个方面对影响枪管变形的主要因素进行分析，再根据分析结果探讨运行中避免枪管变形的措施。

1 长吹枪管受力分析

1.1 长吹工作原理

长吹结构如图1所示，由内外枪管、提升阀、枪架、齿条箱及电机等组成，吹灰器运行时驱动机构带动吹灰外管进入炉膛，吹扫蒸汽经吹灰器尾部的阀门依次流经内管、外管，最后从枪头的喷嘴开孔对称高速喷入炉膛，对炉内受热面进行吹扫。枪管运行至设定行程后被驱动机构带动退出炉膛，完成整个吹扫过程。

吹扫用蒸汽来自吹灰汽源，通过吹灰蒸汽减压站减压后送至各吹灰器。吹灰系统原理图如图2所示。

1.2 长吹枪管受力分析

以某百万千瓦超超临界锅炉为研究对象，其炉膛断面尺寸为33 967.1 mm（宽）×16 828.4 mm（深），炉膛出口高烟温区域的长吹布置如图3所示。

吹灰枪管每次工作持续时间不长，可忽略枪管上的结渣和积灰载荷;炉膛内上升气流速度一般低于10 m/s，对枪管的作用力可忽略不计;枪管内的蒸汽质量不到枪管自重的万分之一，也可忽略不计;吹灰枪管喷嘴对称布置，蒸汽喷出后对枪管的反作用力可相互抵消。因此，工作状态下的长吹枪管可简化为只受自重作用的悬臂梁结构，选取某项目吹灰器作为研究对象，其力学计算模型如图4所示。

1.3 主要影响因素分析

对于带均布载荷的悬臂梁，最大挠度值出现在梁的自由端[15]，其值如下：

ω=-■ （1）

由此可知，影响长吹枪管变形的影响因素主要有以下4个。①均布荷载q：q值越大，枪管变形挠度越大。对于只承受自重的悬臂梁结构，q值仅与枪管的截面几何尺寸有关。②悬臂长度I：枪管最大挠度与枪管长度的四次方成正比，枪管长度越长，枪管变形挠度越大。③截面惯性矩I：I值越大，枪管变形挠度越小。和q值一样，I值仅与枪管的截面几何尺寸有关。④弹性模量E：E值越大，枪管变形越小。E值与枪管材料和温度有关，而枪管温度又与枪管热流密度、吹灰蒸汽流量、吹灰蒸汽温度等有关。

由此可知，前面3个因素由吹灰器的几何参数决定，其在吹灰器出厂时已由吹灰器厂家设计确定。第4个因素E值由厂家设计和现场运行控制共同决定，对于现场已安装完成的长吹，现场只能通过调整控制相关参数以降低枪管的温度，最终达到降低其变形失效风险的目的。

2 工况设置与计算模型

2.1 计算工况

各计算工况下的输入参数见表1，其中Case 1～12为维持入口蒸汽参数1.8 MPa、350 ℃情况下，分别逐项调整蒸汽流量值、热负荷值及枪管材质的对比工况，Case 13～15为维持蒸汽流量、压力、枪管材质及热负荷值不变的情况下，调整入口蒸汽温度值的对比工况。

2.2 计算模型

以吹灰器固定端为原点，吹灰器轴向为x轴，固定端指向自由端为正方向建立坐标系及计算模型（如图4所示），并将a=3.5 m，b=3 m，q1=308.4 N/m，q2=203 N/m，q3=q4=

q5=104.5 N/m代入并计算整理得到各分段枪管的弯矩方程组，如公式（2）：

M1（x）=-18 159.07+2 834.9x-154.2x2（0≤x≤a）M2（x）=-17 513.5+2 466x-101.5x2（a≤x≤2a）M3（x）=-15 100.25+1 776.5x-52.25x2（2a≤x≤3a）M4（x）=-15 100.25+1 776.5x-52.25x2（3a≤x≤4a）M5（x）=-15 100.25+1 776.5x-52.25x2（4a≤x≤4a+b）（2）

由撓曲线微分公式（3）和公式（4）如下：

可得到方程组（5）、（6）。

假定枪管在A点处的转角为θ，由变形边界条件及变形连续性条件可得方程组（7）、（8）：

θ1（0）=θθ1（a）=θ2（a）θ2（2a）=θ3（2a）θ3（3a）=θ4（3a）θ4（4a）=θ5（4a）    （7）   θ1（0）=0ω1（a）=ω2（a）ω2（2a）=ω3（2a）ω3（3a）=ω4（3a）ω4（4a）=ω5（4a）（8）

联立方程组（5）至（8）计算可得：

将C9、C10及x=17代入公式（3）得到枪管最大挠度值（F点处）：

由公式（2）可知，枪管最大弯矩位于A点，Mmax=M1（0）=-18 159.07 N·M，σmax=±■=±169.5（MPa），由于吹灰器枪管允许一定的弹塑性变形，因此取Rp0.2作为枪管材料的强度许用值，由此可查得枪管材料对应的最大允许温度值Tmax。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

由前述初步分析可知，热流密度、吹灰蒸汽流量、吹灰蒸汽温度及枪管材质都会对枪管弹性模量产生影响，为了定量分析各参数对枪管温度及变形的影响，根据苏标壁温计算标准分别计算在不同工况条件下的枪管壁温，再由枪管壁温查出材料对应的弹性模量E值，同时令固定端初始角θ=0代入公式（9）最终计算出枪管的最大挠度值，具体计算工况及计算结果见表2。

3.2 相关参数对于枪管温度的影响

根据表2中的计算结果分析相关参数对枪管温度的影响。

（1）材料对于枪管温度的影响。两种材质的枪管温度如图5所示。可知在相同参数条件下，枪管材质的选用对枪管温度的影响较小。

（2）蒸汽流量对于枪管温度的影响。不同蒸汽流量条件下枪管温度曲线如图6所示。其他参数相同条件下，蒸汽流量越大，枪管温度越低，增大枪管内蒸汽流量可有效降低枪管温度。

（3）热流密度对于枪管温度的影响。热流密度条件下枪管温度曲线如图7所示。在其他参数不变时，热流密度值越大，枪管温度越高，降低热流密度可有效降低枪管温度。

（4）蒸汽进口温度对于枪管温度的影响。蒸汽进口温度对枪管温度的影响如图8所示。入口温度越高，枪管壁温越高。枪管入口蒸汽温度越低，枪管温度越低，降低进入枪管的蒸汽温度可有效降低枪管管壁温度。

3.3 相关参数对于枪管变形的影响

根据表2中的计算结果分析相关参数对枪管变形量的影响。

（1）材料对于枪管变形的影响。不同材质的枪管变形曲线如图9所示。枪管选用高弹性模量值的材料，可有效地减少枪管的最大挠度值，降低枪管变形失效的风险。高等级材质的枪管通常许用应力也更高，可以提高安全裕度，降低失效风险。

（2）蒸汽流量对于枪管变形的影响。管内蒸汽流量对枪管最大挠度的影响如图10所示。枪管内蒸汽流量越大，枪管的最大挠度值越小，枪管变形失效的风险越小。增加枪管蒸汽流量的主要措施如下：①提高长吹入口蒸汽压力;②在保证吹扫效果的前提下，增加枪管喷嘴开孔大小、数量及调整喷嘴形状等;③增大枪管流通截面;④降低提升阀压损等。

（3）热流密度对于枪管变形的影响。不同热流密度条件下枪管变形对比曲线如图11所示。热流密度值越小，枪管的最大挠度值越小。在相同的负荷和燃料条件下，通过燃烧优化调整，降低炉膛火焰中心、减少受热面结渣，可以降低吹灰器区域烟温，减小枪管变形失效风险;还可在枪管外表面添加热障涂层材料[16]对枪管进行保护。

（4）吹灰器蒸汽温度对于枪管变形的影响。不同吹灰器管内蒸汽温度情况下枪管变形曲线如12图所示。蒸汽温度越低，枪管的最大挠度值越小，枪管变形失效的风险也越小。降低蒸汽温度的主要措施有选取合理的吹灰汽源、对吹灰汽源进行合理的喷水减温等。

（5）枪管截面规格对于枪管变形的影响。在枪管温度为412 ℃时，如果吹灰器整根枪管采用同一规格，将相关参数代入公式（1），得到枪管的最大挠度值见表3。

对枪管截面规格进行合理的分段设计，最大挠度值约为单一规格的一半，可见，枪管规格分段设计对降低槍管变形失效的风险效果相当明显。

（6）固定端初始角θ对于枪管变形的影响。表3中枪管的最大挠度值均为假定固定端初始角θ=0°的情况下得出。在工况1条件下，利用公式（9）计算枪管固定端初始角θ（向上为正）对应的枪管最大挠度计算值，结果见表4。可见，给枪管固定端赋予一个向上的初始角θ，可以有效抵消一部分枪管由于自重而引起的弯曲变形，大大降低枪管最大挠度值和枪管变形失效的风险。

（7）枪管长度L对于枪管变形的影响。在工况1条件下，分别计算枪管EF段长度b=3 m、b=2.5 m及b=2 m时，对应枪管总长分别为L=17 m、L=16.5 m及L=16 m时枪管的最大挠度值，计算过程重复“2.2计算模型”相关步骤，得到的枪管最大挠度值如图13所示。

由图13可知，枪管长度由17 m降至16.5 m，最大挠度值减少了144 mm，枪管长度由16.5 m降至16 m，最大挠度值减少了130 mm。在其他参数相同条件下，枪管长度越小，最大挠度值越小。枪管越长，通过减小枪管长度达到降低枪管变形失效风险的效果越明显。

一般来说，对于沿炉宽方向对称布置的吹灰器，为保证吹灰器全范围吹扫，其长度一般取为炉膛宽度的一半。因此，炉膛宽度确定后，枪管长度值L亦随之确定。从上文计算结果可知，枪管长度每减少0.5 m，挠度值可减少130 mm以上，通过减少枪管长度来降低枪管变形失效风险的收益非常可观。

因此，为兼顾吹灰器吹扫效果及降低枪管变形失效风险，可考虑将枪管前端喷嘴设计成朝前斜喷的方式，利用枪管斜喷出的气流惯性能达到吹灰器吹扫范围覆盖至最远端受热面的目的。这样，在保证吹灰器吹扫蒸汽全覆盖的同时，可适当减小吹灰器枪管长度，降低枪管变形失效的风险。此外，如条件允许，可将吹灰器外管支撑位置适当向枪管自由端方向前移，即使图4中固定端位置（A点）更靠近炉墙，从而达到减少计算模型中枪管长度的目的。

（8）枪管外径对于枪管变形的影响。在枪管壁厚、长度维持不变的情况下，分别计算枪管外径为φ127 mm、φ131 mm、φ135 mm、φ140 mm及φ145 mm时工况1条件下枪管的最大挠度值，计算结果如图14所示，可见随着枪管外径的增加，枪管最大挠度值逐渐减少。外径每增加3～5 mm，枪管最大挠度值可减少70～80 mm。

4 结语

本文以百万千瓦对冲燃烧“Π”形锅炉长伸缩式吹灰器为对象，研究了枪管材质、蒸汽流量、热流密度、吹扫蒸汽温度、枪管截面尺寸、固定端初始角、枪管长度及枪管外径等影响长吹枪管变形的主要因素，分析了提高枪管可靠性的措施，研究表明：①枪管失效风险随热流密度增加、蒸汽温度升高、枪管长度增加而逐渐加大，随蒸汽流量增加、材质等级提高、枪管口径增大逐渐减小。②提出了降低枪管变形失效风险的措施，主要有选用具有高弹性模量值和许用应力的枪管材质;提高吹灰器入口蒸汽压力;降低蒸汽温度;通过优化喷嘴设计、增大枪管流通截面、降低提升阀压损等手段提高吹灰器通流能力;通过优化运行调整、添加隔热涂层减小热流密度;增大吹灰器枪管外径并对吹灰器枪管规格进行合理的分段设计;在吹灰器枪管固定端预置向上的初始角;减少吹灰器枪管长度。

参 考 文 献

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