特邀《电力设备管理》杂志推文

一、概况

    循环流化床渣冷却系统一直随着循环流化床锅炉的发展而发展，从风水联合冷却结构，到绞龙水冷夹套结构，再到夹层式螺旋结构，渣冷却系统技术已走进膜式壁螺旋结构。膜式壁冷渣机是一种实现物料之间热量传递的安全节能工艺设备，随着设备的大型化、内部换热管结构的紧凑化发展，冷渣机内部检查检修难度日益加大。四川白马公司，针对现有冷渣机的结构特点，调研国内冷渣机生产的几个主流技术，通过技术优化创新，提高了冷渣机的可靠性。其中主要创新点为：

1、改变冷渣机局部水管道的位置，将管道重叠、移位，让出部分检查检修空间，提高了检修的便利性。

2、通过新型全框架支撑系统，提高了冷渣机内部换热元件的支撑强度，避免了固定件松动，部件掉落的问题。

3、采用独特的冷渣机进渣管浇筑工艺，铆扣工艺，加强了冷渣机进渣管道的可靠性。

    通过优化后的冷渣机，工作运行状态较好，第一台优化的冷渣机时间是在2015年9月，运行近2年时间，未曾有冷渣机漏水、管排支撑件松动、进渣管脱落等问题，大大提高了冷渣机的安全可靠性，为将来冷渣机的发展指明了方向。

二、整体分析

    大型冷渣机的结构现在主要分为两个流派，一是以双管排为主的青岛派系，一是以十字分仓为主的成都派系。

图1成都派系的分仓结构

    分仓结构是将内筒分为大小不等的仓格，每个仓格的灰渣几乎成独立运动，也有部分交混，来提高换热面积。而双筒结构是采用同心的管排滚筒，来提高换热面积。

    上述两种结构，不管派系结构如何，均采用的内部增加换热管道，来加强冷渣机的整体换热。内部换热管道的增加，提高了检查检修的难度。

1、冷渣机漏水

    冷渣机漏水是该设备常见故障。由于检查难点的存在，会造成冷渣机运行时无法检查和检修，处理一小处漏点所需的时间及工期较长，设备的可靠率降低。特别是在冷渣机发生漏水以后，水和灰渣进行反应，产生难以清除的渣块。渣块会造成管排换热极具恶化，管排其它部位缺水干烧损坏。另外当渣块堆积位置集中时，冷渣机筒体处于不平衡状态，造成设备无法启动。

    根据统计，处理一次渣块堆积的故障，白马公司最长时间为23天，大大增加了机组的安全隐患。

图2冷渣机泄漏照片

    统计我厂和其它循环流化床电厂冷渣机漏水的缺陷，发现漏水部位集中在高温段（高温段是冷渣机下渣口向后延伸3米范围内）。在高温段，灰渣急剧换热，辐射换热能力强，管道及金属件热疲劳强度大。冷渣机的运行转速最高为3r/min，这就造成管排每分钟发生3次不同程度的冷热交替，工况恶劣。同时在加工制造中的残余应力与使用过程中的工作应力共同影响下，容易导致鳍片、导渣片焊缝位置发生裂纹。

    通过在冷渣机外筒体上增加测温孔、测温仪器取平均值，发现高温段能将灰渣从900℃左右降低到400℃左右。低温段虽然长，但是换热能力由于热辐射下降和传热温差下降而逐渐降低。另外当温度下降到400℃以下后，温度对碳钢的热疲劳影响逐渐下降，低温段管排由热疲劳引起的故障很少。

图3冷渣机换热曲线图

2、支撑固定件松动

    冷渣机的管排固定方式均为卡件或支撑件，其作用点均在外管内壁上。由于外观内壁上的卡件部位的特殊性，当遭受外力作用时，整个内部的受热面不能形成有效的刚体结构，内部管排首先破坏薄弱点，然后引起整个内换热面晃动，造成设备焊缝、管排拉裂漏水。

3、下渣管断裂

    冷渣机内部进口下渣管均采用奥氏体不锈钢310S结构，在冷渣机内部长期运行后，下渣管上部焊缝强度变低，甚至断裂，断裂后的下渣管在进渣段反复碰撞冷渣机内部管排。使管道泄漏。

    热疲劳造成的换热管漏水，支撑件松动，进渣管脱落不是偶然性的问题，它是长时间运行过程中，从量变到质变的一个过程。如果在每一个检查周期（1个月一次）能有效的检查预防热疲劳造成的管排、卡件、管道缺陷，前期预防处理，就能提高冷渣机可靠性。            

三、关键技术和创新点

1、管道让管技术

    让管主要是利用弯管将外管排向两边移开，同时在外筒体高温段开设长方形检修孔。外管排组由两根回水管及两根进水管组成，将外管排两组供水管二合一为一根供水让管，两组回水管二合一为一根回水让管，让管靠近筒体外壁，形成一个检查孔。并以相同的的结构在高温段处开设5组检查孔。在开孔后，整个视线空间能覆盖内筒外壁，0-2.5米长度范围的检查视野达95°，不存在检修死区。

图4让管空间布局图

    下图中将两根供水管和两根回水管采用三通合二为一成让管，让管穿过外部筒体钢板，管道与外部筒体钢板贴近，这样不会影响管道的受热膨胀，也将需要的检修检查空间让开，起到检修孔的作用。

    将两管并联后，通过让管流速变化趋势，来判断冷渣机让管处是否存在传热恶化情况。冷渣机在设计时，按照美国换热器协会（HEI）发布的《电厂换热器标准》（PPHX）进行流速控制。该标准提出最大换热管内流速碳钢管不超过2.4m/s进行设计。通过供水处旋转接头压力表可以测得供水压力门后为1.5MPa,回水压力门前测得1MPa。水管直径由两组内径50mm的换热管合并为内径为64mm的换热管，管道的流通整体截面积减小。

采用流态模拟的方式，对整个变换区域的管组进行流速及流态检查。三通制作外壁轨迹与流体运动时流迹线接近，没有在三通处形成回流漩涡，避免了在三通处局部传热恶化，三通不影响流态变化。流速在三通前部为1.1m/s，合管后增大到2.1m/s,后部三通处流速又降低到1.2m/s。以温度为60℃流速水运动粘度计算雷诺数：

式中ρ为温度下的密度，v为流速，d为管道内径，η为运动粘度

在1.2m/s时，Re=114884＞4000 流体为紊流状态

在2.2m/s时，Re=219324＞4000流体为紊流状态

符合管道传热设计

图5让管流速分布图

    让管位置管排采用让管后，在冷渣机外筒内部形成了两组受热区。为了保证受热区内，外壳钢板干烧无冷却造成钢板碳化变形，在受热区内填充耐火材料。另外采用耐火材料浇筑可以保护双筒冷渣机内部支撑件的整体刚性。

1、框架支撑系统

    原设计的支撑结构由于外筒空间限制，需要将支撑件减薄。采用让管后，支撑件采用整体圆形框架，这种结构由于截面积增大，其支撑强度也增大，由于管道内有水高速流动，容易产生管道振动，圆形框架结构在水平、垂直、倾45°时更能稳定内管排，改变设备的固有频率，不让内管排发生振动、异响等机械缺陷。（该支撑结构主要针对双滚筒结构）

2、耐火材料浇筑管道

（1）卷管、抓钉焊接位置

    卷管作为下渣管的骨架，支撑内部所有的耐磨耐温材料。卷管采用304钢板制作。抓钉采用310S材料制作，抓钉的Y型面分叉圆钢采用螺旋结构，增加整个抓钉的抓伸力，从而避免内部浇注料的垮塌。

抓钉与卷管之间采用焊接固定。抓钉长度比下渣管耐磨材料内壁低15mm左右。抓钉采用梅花交叉型结构焊接。            

（2）制作模具

    模具的制作采用木材+铝皮的结构，木材为模具的骨架，而铝皮为脱模层。由于铝皮的外表面较为光滑，能更好的进行脱模。并能保持下渣管内壁的光滑度，避免过于粗糙，造成堵渣。

将加工好的模具布置到焊接完成后的下渣管外管内，并将模具使用木板做好限位，防止模具在浇筑过程中发生脱落或者损坏。木板限位做成凹凸结构，并做好Z型膨胀缝的预留。

（3）浇筑渣管

    浇筑采用#8料进行。将原浆按照水、料、合剂的比例使用搅拌机制作好。使用人工喂浆的方式将材料注入下渣管，并使用振动棒分层、逐级的震动排除浆液里的空气。浇筑到顶层后，使用大小木环制作下渣管的膨胀Z型缝，待耐磨材料完全固化后形成膨胀缝所需要的间隙。

（4）渣管取模

    将渣管放置在干燥地点，在温度25℃以上放置7天以上，就可以进行取模。取模时要防止损坏浇筑层，禁止用撬棍直接敲击模具。正规的做法是利用錾子将连接模具的铁钉斩断，然后将模具取出。

（5）整体烘烤安装

为了排除内部的水分，并且保证耐磨料的紧至、细密。需要对内部的耐磨料进行烘烤。烘烤可根据条件进行，如有较好的烘炉设备或整体烘箱最好。如达不到以上条件，可以使用在内部燃烧原木的方式进行烘烤，烘烤的标准是材料发生色变，并从内部析出水分为准；与原有下渣管道焊接安装。

4、使用效果

    技术改造完成时间为2015年9月，2017年7月对该新结构技术可靠性及性能进行验证。

    检修空间验证：打开5组检修孔后，内筒0-2.5米位置均能进行检修，检查检修空间满足技改设计要求。

    排渣温度验证：在3r/min转速下对回水温度及出渣温度进行试验。回水温度采用系统自带DCS数据，出渣温度采用红外线测温仪取渣堆中部温度，试验数据如图12。

    对比之前的设备排渣温度，偏差为1%左右，满足设备使用要求。

四、成果应用

1、获得相关专利1项，论文1篇。

2、集团内获奖：神华国能公司第一届青年科技创新项目一等奖。

五、结论

    冷渣机已不止运用于循环流化床锅炉上，在钢渣冷却及其它恶劣环境下需换热项目上均有发展。上述三项创新内容，提升了运行时的可靠性，停备时检修的便利性，从检、运、维的三方面重点考虑了设备的周期性规律。为冷渣机高参数，大型化的发展上具有指导意义。