超临界“W”型锅炉炉顶密封升级措施

引言

火电锅炉在运行过程中，炉顶密封性能直接影响锅炉的热效率和运行环境。传统的密封方式在高温、高压及动态应力环境下，容易出现泄漏、开裂等问题，导致热量损失、环境污染及维护成本增加。因此，研究和改进火电锅炉炉顶密封技术具有重要意义。本文以超临界“W”型锅炉为例，针对顶棚穿墙管一次密封脱落、二次密封焊缝开裂；顶护板侧面护板屈曲变形、前部顶板塌陷等问题进行分析研究，并有针对性的提出优化研究的方案，为处理锅炉炉顶密封改造的方案提供思路。

1 实例概述

1.1 锅炉基本情况

贵州某电厂 2 台机组燃煤锅炉为 660MW 超临界“W”型火焰锅炉，锅炉为超临界参数、垂直炉膛，一次再热平衡通风、固态排渣、全钢结构、露天布置的 π 型锅炉。锅炉炉顶密封采用一次密封、二次密封、顶护板覆盖的结构形式。锅炉顶护板采用钢板拼接、内部加强筋模式设计制造，主要荷载通过受热面部件吊杆上的托板传递到顶板层钢结构主梁上。护板的加强筋由不同规格的工字钢、槽钢及角钢组成，材质为碳钢，与钢板焊接制造成片出厂，现场拼接安装。顶护板顶部两层保温材料敷设，下层采用不定形隔热耐火材料，上层采用普通抹面；顶护板四周及底部采用硅酸铝耐火纤维毡 + 高温玻璃棉的保温形式。

1.2 存在的问题

锅炉检修中发现顶护板内积灰严重，一次密封脱落、二次密封焊缝开裂；顶护板侧面护板屈曲变形、前部顶板塌陷，左右两侧变形严重。锅炉运行中，外侧波形板表面出现局部严重超温情况。

2 原因分析

2.1 一次密封脱落

一次密封耐火板不与受热面管组或顶棚管焊接，仅靠自身焊接两块梳形板连接在一起，结构稳定性差。加之施工过程中此位置空间狭窄，施工难度较大，施工人员常常无法完全按照设计意图保证焊接工作。在之后的运行过程中，锅炉启停过程产生的膨胀变形对耐火板挤压或者拉伸，造成耐火板的脱落。耐火板脱落后，敷料类保温材料直接面对高温烟气，导致变脆、碎裂，产生缝隙，导致高温烟气泄漏至二次密封处。

2.2 二次密封烧损、焊缝开裂

一次密封的脱落、破损造成二次密封受到从炉膛泄漏的高温烟气冲刷，高温烟气使得二次密封所用材质长期工作在其所能承受的几下温度下。同时锅炉热态所产生的膨胀反力加剧了焊缝开裂、折板变形等一系列问题，从而导致高温烟气从二次密封的破损或焊缝开裂缺口位置向顶护板环境内部泄漏。

2.3 顶护板结构件屈曲变形，外护板烧损

顶护板的制造材料通长为普通碳钢，高温烟气泄漏至顶护板环境内部后，使得局部位置的护板所承受的温度从超过了其材料的使用温度上限，导致材料的屈服强度大大下降，最终造成型钢的屈曲变形。同时，因为顶护板为非全密封结构，与外界环境存在热交换。高温烟气向锅炉外部的环境中泄漏，造成泄漏位置的外护板烧损、熏黑问题。

3 优化措施

3.1 一次密封优化方案

3.1.1 耐火板结构形式优化

原结构设计，一次密封的耐火板放置在顶棚管跳管壁内侧，其采用两半式梳形板结构，从左右侧卡住管组。耐火板即不与顶棚管焊接，也不与穿顶棚管组焊接，上方横置拉紧圆钢，分别焊接。以此种方式固定住耐火板，防止其脱落。

优化方案：

1）优化拉紧件结构

将圆钢更换改为宽扁钢，扁钢与密封板之间焊缝改为角焊缝，大大增强了焊缝强度，减少其在高温烟气冲击下开焊的可能性。

2）优化耐火板结构尺寸

耐火板左右两端长度超过顶棚跳管的中心线。第一，加长了焊缝长度；第二，宽度增加对于施工焊接操作更为方便；第三，上方扁钢整体搭在顶棚管上，降低中间塌陷的趋势[1]。

3.1.2 耐火板上方微膨胀可塑料敷设的优化

原设计在耐火板上方直接敷设微膨胀耐火可塑料，形成隔热耐火层，以防止高温烟气从耐火板与顶棚管之间的缝隙处向外泄漏。

优化方案：

耐火板为不锈钢材质，因为不锈钢膨胀系数较大，受热膨胀量大，微膨胀耐火可塑料膨胀系数小，受热膨胀量小。在两者紧密接触的情况下，锅炉热态膨胀，会出现不锈钢的耐火板将微膨胀耐火可塑料局部挤裂的风险，从而进一步造成整体浇筑的耐火隔热层碎裂[2]。

在一次密封的耐火板与微膨胀耐火可塑料之间，采用常温固化、高温易分解材料形成膨胀缝隙层。缝隙层的存在，保证两种材料间的预留膨胀间隙，防止不锈钢耐火板膨胀时，较大的金属膨胀力造成耐火隔热层的破坏。

3.2 二次密封优化方案

原设计二次密封采用金属密封方式，耐热合金钢折弯形式制作的。按照锅炉受热面的部件整体贯通覆盖。与顶棚上的二次密封板之间用“Z”形折弯板连接密封。

优化方案：

1）增大折弯板的折弯半径。此种制造思路不会大幅增加制造材料的使用量，但能增加折弯板的柔性，当锅炉热态膨胀时，折弯板的柔性会降低板间焊缝所承受的拉力，减少焊缝被撕扯开的风险[3]。

2）将原来整体的部件密封区域分割开。用各个独立的密封盒形成互补的密封区域，这样处理的方式会降低因一处泄漏造成整体密封区域受高温烟气冲击的。

3.3 顶护板结构优化

顶护板做为炉顶密封的最后一道屏障，采用加强筋焊接于钢板上的箱型非受压结构。因采用非全密封结构，所以顶护板多用间断焊缝连接结构，而非整体气密性部件。

优化方案：原设计的铰接节点，为保证受热膨胀不收限制，多为护板的型钢间不直接焊接，焊接不同护板间钢板的形式来保证结构强度。此类节点位置的优化方案，增加两块钢板，一块钢板上开腰型孔，另一块采用圆孔，分别焊接于铰接节点相接的两根型钢上，既能起到铰接作用，又能保证膨胀不受限制，从而起到对顶护板整体结构的加强作用[4]。

4 结语

在“双碳”目标的驱动下，锅炉密封技术正朝着“零泄漏”的方向发展。本次炉顶密封升级优化的措施，针对传统密封的顽疾，探索了三条创新路径： ① 一次密封采用扁钢 + 延长耐火板的组合方案，大大提升施工合格率②二次密封大折弯半径和相对独立密封，焊缝开裂频次下降 ③ 顶护板增加铰接结构，使其在多次启停炉时保证结构稳定。炉顶密封结构的稳定，直接提升锅炉的热效率和运行环境，对于环境污染治理也有积极作用。

参考文献

[1] 张征 .300MW“W”火焰锅炉炉顶密封的安装及改进 [J]. 中国高新技术企业 ,2013,(35):85-86.

[2] 尹双林 , 胡明旺 . 超超临界锅炉炉顶密封探析 [J]. 锅炉技术 ,2016,47(04):30-33.

[3] 姚建村 , 李树民 , 艾晨辉 .1050MW 超超临界 Π 型锅炉炉顶密封优化和改进 [J]. 神华科技 ,2015,13(05):45-48.

[4] 刘坤 . 锅炉炉顶密封的探讨 [J]. 锅炉制造 ,2015,(06):21-22+28.

作者简介：程良桥（1994.09-），男，本科，贵州习水人，工程师，从事燃煤电厂锅炉专业生产管理工作