WNS冷凝式锅炉支撑结构研究

庞洪忠，曹凤显，周国栋，杨洪斌，刘培利，赵金峰，周 丰，王 钊

(山东圣奥化学科技有限公司，山东 菏泽 274000）

WNS冷凝式锅炉为两回程式结构，燃烧机燃烧的高温烟气经波纹炉胆、回燃室回转进入螺纹烟管，再从螺纹烟管流出进入锅炉前烟箱，并从前烟箱顶部出烟口排出，经转弯烟道进入节能器与冷凝器，最后排入大气［1-4］。受该型锅炉结构形式的限制，前管板上只布置与回燃室管板连接并配合两回程的螺纹烟管，后管板上只有直拉杆与回燃室后管板连接，这样就造成管板两端边缘的空隙过大，管板强度不够，需要增加钢板厚度整体补强，导致管板与其连接的锅壳筒体之间错边量太大，必须削薄才能满足焊接要求。目前解决此问题的方法是在锅炉前后管板两端边缘的空隙上均匀布置一定数量的拉撑管［5-6］。但该此方法存在诸多弊端，一是拉撑管贯穿锅炉前后管板连接，浪费了大量钢管。二是为防止烟气流通短路，一般采用耐火水泥将拉撑管两端封堵，但在锅炉运行过程中耐火水泥可能因为高温烟气辐射和锅炉运行振动出现脱落，导致高温烟气从前烟箱经拉撑管流入后烟箱，烟气聚集造成后烟箱温度过高，形成安全隐患。

为此，文中提出了一种新的WNS冷凝式锅炉支撑结构，在拉撑管布置区域，采用斜拉杆连接管板与锅壳筒体，起到锅炉支撑的作用。斜拉杆结构的设计、制造及安装满足国家相关标准对锅炉安全与节能的各项规定［7-8］，能大幅减少材料成本，降低制造难度，提高锅炉安全性能。

1 WNS冷凝式锅炉管板支撑原理

1.1 拉撑管强度计算

WNS冷凝式锅炉本体管板上的拉撑件之间应当留有足够的呼吸空位（即管板上温度不同的相邻元件之间的最小距离），以防止产生过大的温差应力［9］。锅壳锅炉系特种设备，其前、后管板为主要受压部件，管板材质与厚度的选取需满足文献［7］对呼吸空位的相关要求，并且经过严格的强度计算。目前，解决锅炉管板两端边缘空隙的方法大都是均匀布置一定数量的拉撑管，通过减小相邻部件之间的呼吸空位来减小前、后管板的计 算厚 度［10-12］。

拉撑管的最小需要截面积Fmin为：

式中，p为计算压力（锅炉额定工作压力与附加压力之和），［σ］为拉撑管的许用应力，MPa；A为拉撑管所支撑的面积，mm2。［σ］为计算温度下对应的基本许用应力［σ］j与修正系数η的乘积，［σ］j与η可先在文献［9］表中查寻，然后利用插值法进行计算。

进行拉撑管校核计算时，拉撑管的最高允许工作压力为：

式中，F为所选取的拉撑管的截面积，mm2。校核结果应满足 F≥Fmin、［p］≥p。

拉撑管最大允许内径de为：

式中，d为所选取的拉撑管的公称直径，mm。

拉撑管设计厚度δs为：

拉撑管直径与厚度的选取还必须满足表1的要求。

表1 拉撑管直径与厚度选取要求

与前、后管板焊接连接的拉撑管作为拉撑件用于烟气温度大于600℃的部位时，拉撑管管端超出焊缝的长度L不应大于1.5 mm；当用于烟气温度不大于600℃的部位时，拉撑管管端超出焊缝的长度L可放大至5 mm。拉撑管与管板焊接结构见图1，图中δ为管板的厚度，δ1为拉撑管的名义厚度［13-16］。

图1 拉撑管与管板焊接结构

1.2 斜拉杆强度计算

斜拉杆的最小需要截面积Fmin1为：

式中，A1为斜拉杆所支撑的面积，mm2；［σ］1为斜拉杆的许用应力，MPa；α为斜拉杆与管板的夹角，α应不小于60°。［σ］1的计算方法与拉撑管［σ］的计算方法相同。

斜拉杆的转角半径r不应小于斜拉杆直径d1的2倍，斜拉杆的拉杆端头与管板及锅壳筒体的焊接结构及要求见图2。图中Lw为斜拉杆与锅壳筒体焊缝长度，δw为焊缝厚度。

图2 斜拉杆端头与管板及锅壳筒体的焊接结构及要求

校核计算时，斜拉杆的最高允许工作压力按下式进行计算：

式中，F1为所选取的斜拉杆的截面积，mm2。

对于图2中斜拉杆A向焊缝，焊缝厚度δw取为d1/4，所需焊缝长度L1应满足：

校核结果应满足 F1≥Fmin1，［p］1≥p，Lw≥L1。

斜拉杆与锅壳筒体连接部位的烟气温度不大于600℃，斜拉杆作为拉撑件均匀布置在前、后管板上，不直接受烟气或火焰加热。选取斜拉杆规格型号时，强度计算中的计算温度即锅壳锅炉承装介质的最高温度。而拉撑管因布置在对流受热面内，其计算温度为锅壳锅炉承装介质的最高温度再加上25℃［17］。根据受压元件在不同温度下对应的许用应力可知，温度越高，许用应力越小，因此所需拉撑件的最小截面积越大，即所需拉撑件的直径越大。

2 WNS冷凝式锅炉管板强度计算

有拉撑的管板和烟管管束区以外的管板厚度δ计算公式为：

式中，K为与锅炉受压元件类别和连接的焊接方式有关的系数；df为利用管板上支撑点所绘制的当量圆的直径，mm；［σ］2为管板的许用应力，MPa。［σ］2的计算方法与拉撑管［σ］的计算方法相同。

校核计算时，有拉撑的管板最高允许工作压力［p］2为：

校核结果应满足［p］2≥p。

3 WNS冷凝式锅炉支撑结构计算实例

3.1 拉撑管支撑

某 WNS8-1.6-Y（Q）冷凝式锅炉的直径为2 400 mm，锅壳筒体长度5 090 mm，绝压下的计算压力1.664 MPa，该计算压力对应的饱和蒸汽温度为206.11℃，则管板与拉撑管的计算温度为206.11+25=231.11（℃），管板与锅壳筒体材质Q245R钢板在该计算温度下对应的许用应力为97.75 MPa。经强度计算［7］，锅壳筒体名义厚度为16 mm。

拉撑管在前、后管板两侧边缘空隙位置均匀对称布置情况见图3。图3中左半部分为前管板拉撑布置结构，右半部分为后管板拉撑布置结构。通过图3可以看到，均匀布置的拉撑管满足对锅壳锅炉相邻部件之间呼吸空位的要求。利用管板上各支撑点绘制当量圆，分别将每个当量圆直径 df尺寸代入式（8）、式（9）进行校核计算，可得管板计算厚度为19.75 mm。若选取的管板厚度为20 mm，则管板与锅壳筒体的错边量为4 mm，根据焊接工艺要求，管板端部必须削薄，增加了施工难度。

图3 拉撑管在前后管板均匀布置结构

拉撑管在锅炉管板上的最大支撑面积A=28 687.88 mm2，拉撑管选用20无缝钢管，计算温度下其对应的许用应力［σ］=70.2 MPa，将各数据代入式 （1）可以得到拉撑管的最小需要截面积Fmin=680.01 mm2。在拉撑管规格选取过程中，将拉撑管直径d与对应的截面积F分别代入式（2）～式（4）反复校核计算并进行比较，当拉撑管直径为ϕ63.5 mm时，设计厚度δs=3.63 mm。考虑制造成本，拉撑管选取规格为ϕ63.5 mm×4 mm的无缝钢管，其满足 F＞Fmin、［p］＞p 及表 1 中拉撑管最小厚度的要求。图3中拉撑管共布置36根，所需管材总质量为1 126.8 kg。

3.2 斜拉杆支撑

斜拉杆在前、后管板两侧边缘空隙位置均匀对称布置，见图4。图4中左半部分为前管板斜拉杆布置结构，右半部分为后管板斜拉杆布置结构，颜色较深的斜拉杆布置在了拉撑管不能布置的区域，该布置结构满足对锅壳锅炉相邻部件之间呼吸空位的要求。斜拉杆与管板的夹角α=60°。斜拉杆的计算温度为206.11℃，斜拉杆材质20圆钢在该温度下对应的许用应力［σ］1=69 MPa。将利用管板上的各支撑点绘制的当量圆直径df分别代入式（8）、式（9）进行校核计算，可以得到管板的计算厚度为16.81 mm。若选取的管板厚度δ=18 mm，则管板与锅壳筒体的错边量为2 mm，无需削薄即能满足焊接工艺的要求，同时可节省管板材料142 kg。

图4 斜拉杆在前后管板均匀布置结构

斜拉杆在锅炉管板上的最大支撑面积A1=39 954.3 mm2，将各数据代入式（5），可得斜拉杆的最小需要截面积Fmin1=1 222.071 mm2，对应的斜拉杆最小直径为ϕ39.45 mm。将斜拉杆直径与对应的截面积分别代入式（5）～式（7），可得焊缝长度L1=76.38 mm。故斜拉杆选用ϕ40 mm的圆钢，焊缝长度 Lw=80 mm，并满足 Lw＞L1、［p］1＞p1的要求。 图4中的前、后管板斜拉杆共布置74根，所需圆钢总质量为470.6 kg，比采用拉撑管节省钢材656.2 kg，且制造更为方便。斜拉杆在前、后管板均匀布置的实物图分别见图5、图6。

图5 斜拉杆在前管板均匀布置实物

图6 斜拉杆在后管板均匀布置实物

3.3 对比分析

对比图3可知，拉撑管作为支撑件时，均匀对称布置在前、后管板两侧边缘空隙上，贯穿于锅壳锅炉的前管板和后管板，其管端与前、后管板焊接需满足图1的要求。文献［7］对锅壳锅炉内部相邻部件的受压元件之间的呼吸空位大小有明确要求，将均匀布置的拉撑管作为拉撑件计算管板强度时，必须满足该呼吸空位的要求，同时还不能与锅壳筒体内的其他零部件相冲突，这就限制了拉撑管布置的数量，使得强度计算得到的拉撑管直径和厚度较大，导致管板的计算厚度结果偏大，从而使管板与连接锅壳筒体之间错边量增大，只能削薄管板端部才能满足施焊要求，不但加大了施工难度，又浪费了大量钢材。

受冷凝式锅炉结构限制，为防止烟气短路，避免高温烟气从前烟箱流通进入后烟箱，拉撑管两端必须完全封堵。为施工方便并节省成本，一般采用耐火水泥封堵拉撑管两端。但随着使用年限的延长，锅炉运行过程中耐火水泥可能因烟气辐射和锅炉振动出现脱落，导致烟气进入后烟箱聚集造成面板温度过高。此外，观火装置与防爆门设置在后烟箱上，在操作人员观火与检修过程中可能会发生烫伤等安全事故，存在安全隐患。而斜拉杆是圆钢结构，采用焊接形式将前、后管板与锅壳筒体连接起来，斜拉杆长度有限，可节省大量钢材，降低制造难度。采用斜拉杆结构既无需考虑与锅壳筒体内其他零部件相冲突的问题，也不会因烟气流通短路造成后烟箱温度过高。斜拉杆一端加工有报警孔，当锅炉运行过程中出现压力异常时，还会发出报警的蜂鸣声，提高安全运行可靠性。

4 结语

WNS冷凝式锅炉是一种特种设备，其结构设计必须符合国家相关标准对安全和节能方面的要求与规定。将WNS冷凝式锅炉前、后管板上均匀布置的拉撑管改为斜拉杆，可降低制造难度，节省生产成本，方便吊装与运输，同时减少锅炉运行时的安全隐患，提高安全性能。