分析超临界锅炉刚性梁的设计特点

黄丹

【摘  要】在锅炉正常运行时，烟道与炉膛都会承受一定程度的压力，如果发生非正常情况，则会导致锅炉受到严重的冲击力，为了能够有效避免烟气压力脉动与燃烧振荡所造成的炉谱低频振动情况，应建立整体性的锅炉膨胀中心，为了能够达到这一要求，必须要建立完善的刚性梁体系。基于此，论文主要对超临界锅炉刚性梁的设计特点进行分析，希望能够为相关人士提供帮助。

【Abstract】During the normal operation of the boiler， the flue and the furnace will withstand a certain degree of pressure. If an abnormal situation occurs， the boiler will be subjected to severe impact. In order to avoid the low frequency vibration of furnace spectrum caused by flue gas pressure fluctuation and combustion oscillation， an integral boiler expansion center should be established. In order to meet this requirement， a complete rigid beam system must be established. Based on this， this paper mainly analyzes the design characteristics of the supercritical boiler rigid beam， hoping to provide assistance to relevant personnel.

【关键词】刚性梁;超临界;锅炉;设计;特点

【Keywords】rigid beam; supercritical; boiler; design; characteristics

【中图分类号】TK229.2                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）06-0151-02

1 引言

在锅炉中，受压元件为悬吊结构，而在锅炉的正常运行中，锅炉内的管子与扁钢焊接成的烟道与膜式壁炉膛非常容易受到外界因素的影响，对爆燃、地震、炉内负压、自然风力、脉动荷载以及其他自重和负载无法承受，特别是在爆燃的情况下，非常容易受到冲击压力的影响。因此，为了能够保护受压元件管墙不会遭到破坏，保证锅炉具有良好的密封性、有序膨胀以及正确传递荷载，在锅炉炉壁四周布置刚性梁，增强炉膛和尾部烟道的刚性，保护管子在炉膛设计瞬间压力作用下不发生永久变形。

2 刚性梁的作用与工作原理

刚性梁是沿着锅炉炉膛和后竖井四周布置的结构系统，在炉内运行负压、炉膛爆燃正压以及引/送风机事故跳闸等多种因素造成锅炉内的压力出现改变时，对管墙起箍紧和提高刚度的作用，从而保护管子使其在锅炉最大瞬时允许压力作用下不产生永久变形和损坏。

以锅炉两侧墙为例说明刚性梁的工作原理，炉内压力和风荷载或地震作用→管墙→张力板→连接件→刚性梁→角部结构→前后墙张力板（炉内压力自平衡）风荷载或地震作用→导向装置→锅炉构架。

3 刚性梁系统布置原则

3.1 膨胀中心

所谓膨胀中心指的是人为设定的冷热态不变的位置，作用是使锅炉运行有明确的膨胀方向，准确计算热膨胀位移。

超临界锅炉的膨胀中心：

锅炉宽度方向：一般都在锅炉对称中心线上。

锅炉深度方向：有一个膨胀中心，炉膛内距炉膛后墙中心线3000mm左右;

锅炉高度方向：在炉顶有大包时，膨胀零点在大包顶部标高;在炉顶无大包时，膨胀零点在锅炉顶棚中心标高。为了达到膨胀中心的零位移值，一般都将管墙与刚性梁在膨胀中心线处固定起来，其余位置保证管墙与刚性梁之间由于热膨胀能相对自由地滑动。

3.2 导向装置的设置

为了将地震作用、风荷载和不平衡压力所产生的水平力，以及由于人为膨胀中心与自然膨胀中心不一致所产生的导向力传递给锅炉构架，以确保炉体自身的平衡，我们要设置3～5层导向装置。最终要根据锅炉容量等级、炉型结构以及工程设计的自然环境条件（风荷载、地震作用）来设置导向装置的层数，最少3层。炉宽方向导向装置一般放在锅炉对称中心线。

3.3 刚性梁间距

刚性梁系统的布置与受它保护的受压部件密切相關，必须以管子的应力分析为基础，使管子和刚性梁本身在炉膛压力作用下有足够的强度、刚度和稳定性。

刚性梁的最大间距是通过对管墙的初步应力计算并结合设计实践和使用经验得到刚性梁最大间距。所有部位正常区域刚性梁的最大间距不得超过96倍的管子外径（通常控制在72倍）。位于其他拐点或硬点（如顶棚管，起拱部分及环形、Π形集箱等处）附近的刚性梁，这些部位考虑到刚性较大，产生的局部内应力过大，对管墙不利，刚性梁间距不宜过大，而人为经验设定。刚性梁间距确定后还应根据锅炉本体（人孔、测量孔、吹灰器等）及锅炉钢结构（主梁层、平台等）的实际情况作调整，并通过强度计算、挠度分析和管墙应力分析等最后确定设计所采用的间距。

4 刚性梁的设计

超临界锅炉上炉膛和对流烟道管墙主要采用水平刚性梁;下炉膛管墙采用垂直搭接板、水平刚性梁和垂直刚性梁等部件组成的结构。

4.1 垂直膜式壁区域刚性梁

垂直膜式壁区域（主要包括上部水冷壁、水平烟道、后竖井包墙等）主要由水平刚性梁支撑。水平刚性梁的设计同常规炉的设计，由耳板、拉杆、张力板、连接板、支撑耳板把刚性梁和膜式壁连接在一起，水平刚性梁的自重由垂直膜式壁管支撑。

4.2 下炉膛螺旋管墙区域刚性梁

下炉膛水冷壁刚性梁由垂直搭板、刚性梁、连杆和角部结构等组成。

第一，垂直搭接板。 垂直搭接板上端与垂直水冷壁固定连接，其余部分与螺旋水冷壁紧密接触，其连接能保证锅炉启动、停炉和变负荷时，在铅垂方向互相滑动，以便吸收热膨胀差。螺旋水冷壁与垂直水冷壁相比，承受垂直荷载的能力很小，它只限于承受自重、工质、轻质保温绝热材料和灰斗墙支撑构件的重力荷载及炉膛压力荷载。其他荷载，如燃烧器、风箱、刚性梁与外护板等均由设有大接头的垂直搭接板传至上炉膛水冷壁管，最后通过吊挂装置传给锅炉构架。

第二，螺旋水冷壁刚性梁是由水平刚性梁和垂直刚性梁组成的栅格式结构。 垂直刚性梁的位置及数量与垂直搭接板一一对应，彼此间采用大接头和中（小）接头连接。接头结构和装配（或安装）位置的设计既可以满足补偿水平刚性梁与水冷壁之间在水平方向的胀差要求，也可以达到吸收垂直刚性梁与垂直搭接板之间在垂直方向胀差的目的。而垂直刚性梁与水平刚性梁是下端为固定连接，上端为铅垂方向可滑动连接。 刚性梁重量通过大接头传给垂直搭接板。炉膛压力按下列路线传递：炉膛压力→螺旋水冷壁→垂直搭接板→接头→垂直刚性梁→水平刚性梁→角部连接结构→相邻侧螺旋水冷壁并与相对面螺旋水冷壁的炉膛压力平衡。

5 刚性梁的细部结构设计

5.1 接头

垂直搭接板与垂直刚性梁采用大接头和中（小）接头相连。大接头传递重力荷载和炉膛压力;小接头仅传递炉膛压力，小接头预留间隙较大，作为上下自由滑动端，保证了垂直刚性梁与垂直搭接板间的相对滑动。大接头设置于水平刚性梁附近，预留间隙较小，作为上下固定导向端，且不一定每根垂直搭接板都设置。

5.2 张力板

张力板与角部结构组成一个封闭系统，使炉内水平压力达到自平衡，以免传给锅炉构架。张力板是既受拉又受压的杆件，应按压杆设计。结构设计时应保证张力板能自由膨胀。

5.3 刚性梁角部连接

角部结构由角板、连杆和销铀等组成，主要功能是作刚性梁的支座，应按刚性梁的支反力进行强度计算。

角板和刚性梁端部开孔的位置要符合三个要素，即要满足强度条件，要易于膨胀位移补偿和使传力路线最短。

角部结构的传力方式：一侧的炉膛压力通过连接件传给刚性梁，再通过连杆，角部板传给张力板，与另一侧传来的炉膛压力达到平衡。

5.4 梳形板（限位块）

导向荷载的传递：水平荷载→管屏→梳形板（限位块）→（张力板→挡块）→刚性梁 →柱和梁。

5.5 收集板

收集板是在刚性梁不能连续布置时，与垂直刚性梁配套设置的结构件，其作用是将不能连续布置的刚性梁角部所对应的张力板上的内力转移到上下两层刚性梁的张力板上，达到刚性梁内力平衡的目的。

5.6 刚性梁连接件

刚性梁连接件是用于连系管墙和刚性梁的结构件，用于传递水平燃爆力，支承刚性梁自重和其他荷载。连接件必须保证刚性梁与管屏之间的自由滑动。

6 結语

总而言之，在锅炉中，刚性梁作为一个非常重要的结构系统，只有合理设计好锅炉刚性梁，才能够有效提高锅炉运行的可靠性与安全性。

【参考文献】

【1】杨勇.塔式锅炉水冷壁冷灰斗吊装方案比较分析[J].中国新技术新产品，2020（01）：49-51.

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