大容量锅炉烟风道结构设计

一锅炉烟风道设计压力和设计温度二波形补偿器设计说明三烟风道补偿器的选择四第二类烟风道补偿器计算五烟风道墙板及加强筋的结构设计*锅炉烟风道设计压力和设计温度1目的1.1本说明用于确定锅炉烟风道的设计温度和设计压力，适用于所有工业 锅炉和电站锅炉。1.2本说明所述的设计压力参照而不同于工作压力和瞬时压力。2概述2.1锅炉烟风道、大风箱、刚性梁、炉膛和烟气净化设备等的结构设计都 必须确定其基本参数，如：设计压力和设计温度。2.1.1设计压力的是指烟气或空气侧的设计压力。2.1.2设计压力不表示锅炉一定会在该压力下运行，它与瞬时压力和工作 压力一起，用作部件的结构设计。2.1.3压力影响材料的用量，温度影响材质和许用应力，同时也影响材料 的用量。2.2本说明的目的是提供确定设计压力和设计温度的原则，作为一个经济 和安全设计的基础。设计压力用于计算应力和挠度。2.3风、地震等组合荷载对各种设计压力下的许用应力的影响本说明没有 提及。3设计压力3.1总则每个部件都有各自独立的设计正压PD和设计负压NPd，设计压力由三个 压力条件决定：3.1.1最大工作压力PO,可能为正，可能为负，见第3.5.1条。3.1.2最小标准压力PmiN，可能为正，可能为负，见第3.5.2条。3.1.3锅炉主燃料切断负压NPmft，见第3.5.3条。3.2风机需考虑的事项3.2.1本说明中的设计压力小于等于风机的静压。3.2.2任何超出NFPA-85G要求的设计压力都将被认为是非标设计。3.3结构上需考虑的事项本说明中的设计压力用作结构设计时没有考虑地震、风、雪、灰渣和自 重的影响，它们将在其它标准中予以考虑（某些此类荷载已转化为等价的设 计压力）。3.4设计压力的确定3.4.1平衡通风锅炉表1给出了部件的设计正压和设计负压。3.4.2正压锅炉a. 烟气和空气输送设备按如下方法设计：设计正压取下列数值中的较大者：Pdes=+2 KPa公式 3.4aPDES=PO （第3.1.1条中的工作压力）另外，炉膛、尾部烟道及锅炉出口至下一主要阻力部件间的烟道必须考 虑瞬时压力：Pt=Po+2 KPa公式 3.4bb. 设计负压：NPd=2 KPa公式 3.4c3.5设计压力有关规定3.5.1工作压力.最大工作压力是指部件所有范围内最大过量空气系数时的压力。3.5.2最小压力不管是平衡通风锅炉还是正压锅炉，最小设计压力均为2KPa。3.5.3主燃料切断压力a. 对于正压锅炉，主燃料切断压力不用于设计，因为其最低设计压力已 经为负压一2KPa。b. 对于平衡通风锅炉，主燃料切断压力为负，如图1A虚线所示。设计压 力就取主燃料切断负压，但实际上主燃料切断时会有一个瞬时压力，此压力 取为1.67倍的主燃料切断压力：NPmftt= 1.67 XNPmft-d公式 3.5.3a电站锅炉和工业锅炉炉膛的瞬时最大负压为（炉膛承压能力）：NPf-t= 8.7 KPa公式 3.5.3b炉膛的瞬时最大负压也可按下列方式取值：不小于引风机最大试验台压力或一8.7KPa，如果引风机试验台压力超出8.7KPa，瞬时最大负压至少应为一8.7KPa。相应的炉膛设计压力：NPF_D=5.2 KPa公式 3.5.3c注意：当用户要求的炉膛瞬时压力和设计压力超出本说明规定时，应按 用户的要求取值：N* t=P公式 3.5.3dPF-T C-TNf-d=Pc-d公式 3.5.3e炉膛设计压力确定后，风道的设计压力按公式3.5.3f取值，烟道的设计压力按公式3.5.3g取值：NPD=NPF-D+0.9APa公式 3.5.3fPa为风道至炉膛的压降，总为正值，NPf-d总为负值。NPD=NPF-D0.15APg公式 3.5.3gPg为炉膛至烟道的压降，总为正值，npf-d总为负值。4设计温度4.1设计温度由热力计算给出。4.2设计温度取最高平均烟（风）温，它用于选择材质。表1烟、风道的设计压力设计压力瞬时压力风道炉膛风机至预热器预热器至大风箱和磨煤机燃烧器风室大 风箱尾部烟道至预热器入口预热至除烈度等级31111或2（设计正压1.5PO（入口） 或 2 KPaPO（入口） 或 2 KPaPO或 2 KPa8.7 KPa 或风机试验台压力2 K设计负压-2 KPa 或NPf_d+0.9Po（出口）同炉膛见表2或第3.5.3条-0.15PO（nPf-d-0.1-注：1、根据NFPA-85G的规定，炉膛最大瞬时承压能力为8.7KPa，炉膛设计压力为5.2KPa。2、进入磨煤机的冷风道的烈度等级为2型。3、当除尘器至引风机的压降小于0.75KPa时，预热器出口至除尘器间烟道烈度等级为2，否表2炉膛的设计压力炉膛设计负压炉膛瞬时压力净化设备附注1-5.2 KPa-8.7 KPa静电除尘器见图1B2-5.2 KPa-8.7 KPa静电除尘器 和喷淋塔见图1B3-6 KPa-10 KPa布袋式过滤器和喷淋塔见图1C4-6 KPa-10 KPa低压差文丘里式除尘器见图1C5-7.5 KPa-12.5 KPa高压差文丘里 式除尘器见图1C注：1、如果锅炉尾部连接有表中第3列所示的烟气净化设备，则炉膛设计压 力按第1列的设计压力选取。2、炉膛瞬时压力为其设计压力的1.67倍。3、当用户要求的炉膛瞬时承压能力大于本说明的规定时，炉膛的设计压 力按用户的要求确定，但烟风道的设计压力还是按本说明选取，除非用户有 特别的说明。图1A平衡通风锅炉典型烟风道设计压力图1B平衡通风锅炉典型烟、风道设计压力图1C平衡通风锅炉典型烟、风道设计压力二波形补偿器设计说明1总则本说明用于烟风道补偿器补偿要求的确定。在使用本说明前，必须已知 下列条件：烟风道设计压力（PE）外部位移量烟风道尺寸及布置图2补偿器波节要求2.1波形补偿器可用于补偿线性位移、角位移或两者的组合位移。2.2为确定波形补偿器的波节数，首先必须确定补偿器的最大位移量及冷 拉尺寸。2.3如图2所示，两个任意烟风道截面中间连接有一个补偿器，初始状态 下两个烟风道的对应开口截面I II III W和1 2 3 4是平行的，在旋转角度 、后截面1 2 3 4变为1，2, 3, 4，此时由Z向旋转引起的补偿器角部位 移量为EZ。补偿器在旋转角度6Y后截面1 2 3 4变为1 2 3 4，此 时由Y向旋转引起的补偿器角部位移量为Ey。补偿器由于旋转产生的最大位移为EZ +Ey，如果补偿器还有线性位移 E，此“浮动节”的最大位移量即为上述三项位移的总和：M=| EZ | + | EY | + | E |2.4补偿器尺寸计算中的主要问题在于旋转角度6Z和6Y以及线性位移 E的计算，它们取决于烟风道的几何尺寸、内外部的支撑等。2.5补偿器的最大补偿能力为补偿器从最大压缩状态到最大拉伸状态的 位移量，详见第三章。2.6 “浮动节”补偿器有三种冷拉方式：a. 冷拉角度6 ZZb. 冷拉角度6yc. 冷拉线性位移E冷拉率RZ、Ry、Re以百分比计，若RZ=50%，则冷拉角度为50%6Z， 为了达到预期的冷拉量，烟风道系统应进行仔细的设计，某些尺寸将会缩短 或加长。为了最大限度的利用补偿器，上述三个方向的冷拉率都应为50%。2.7补偿器的设计补偿量：md=| edz | + | edy | + | ED |补偿器的波节数计算：N=MD /Aa其中,=单波节最大补偿量=2X单波节最大基本补偿量2.8补偿器计算时外部位移量必须在X、Y、Z方向考虑25mm的附加位 移量，即使只有一个方向的位移，任何采用此连接方式的烟风道系统都必须 考虑三个方向上的附加位移量。2.9计算示例假设补偿器由冷态至热态的旋转角度6Z不考虑误差时为6Z0=5.7，考 虑误差时为6Zt=8，当补偿器向与位移相反方向冷拉50%时最为经济，此 时RZ=50%。角度6Z0用于计算补偿器的冷拉量，角度6Zt用于计算补偿器 的波节数。又假设烟道高度D=4877mm，这样，补偿器的设计补偿量为：EDZ=2X(RZXtan6Zt)XD/2=2X(0.5Xtan8 ) X4877/2=342.7 mm如果单个波节能吸收的位移量Aa为28.6或2X28.6=57.2 mm，则为吸 收Z向旋转，此补偿器的最小波节数为：Nz=Edz /Aa=342.7/57.2=5.99 (个)取波节数为 6 个。Y向旋转和线性位移均依此类推。3补偿器型式3.1波形补偿器设计时每单元最多两个波节，每个补偿器最多采用三个单 元。3.2为适应不同的补偿要求，波形补偿器有全高补偿器和半高补偿器两种 型式。3.3所有的波形补偿器两端均有法兰。图2波形补偿器旋转角度6z、6Y及位移EZ、Ey示意图三烟风道补偿器的选择1总则本说明适用于所有标准补偿器。2问题说明烟风道要求采用补偿器来吸收热态位移。补偿器的选择必须综合考虑超应力腐蚀和化学腐蚀的影响，高温时，超 应力腐蚀可能会出现，而低温状态下，又有可能会出现低温腐蚀。2.1腐蚀区域说明如下：2.1.1煤粉锅炉：所有的水平烟道补偿器沟槽处飞灰沉积区域。2.1.2所有锅炉：a. 冲刷部位。b. 可能发生低温腐蚀的低温烟道，指预热器或省煤器至烟囱间的烟道。c. 安装于污染空气系统和除尘系统的烟道等。3补偿器类型选择3.1波形补偿器金属波纹补偿器适用于所有管道系统，但第3.2条所列的部位使用非金 属补偿器更为合适。标准的金属波纹补偿器有如下两种型式：3.1.1全高波形补偿器补偿器波节高度216mm，厚度2.6mm，圆角过渡。3.1.2半高波形补偿器补偿器波节高度114mm，厚度1.5mm，圆角过渡。3.1.3全高和半高波形补偿器的使用如下：a. 优先选用全高波形补偿器，因为其厚度大于半高波形补偿器，更易于 焊接。b. 在烟道横断面积小于4.65m2或一边长度小于1.5m时优先选用半高波形 补偿器。c. 半高波形补偿器的优势在于其较小的圆角半径及密封板能减小阻力损 失，当补偿器布置于靠近烟道外侧时可选用全高波形补偿器。d. 当烟道横断面积小于1.5m2时，必须考虑过渡圆角引起的阻力损失。当 阻力损失过大时，半高波形补偿器应采用斜角过渡，此时补偿器的补偿能力 将减小50%。3.2非金属补偿器非金属补偿器需要进行详细的荷载分析，因为它们几乎无法传递剪切力。在下列场合需要使用非金属补偿器。a. 一次风机、二次风机和引风机出口。b. 除尘器及引风机入口烟道。c. 尾部烟道至引风机含烟囱连接通道。d. 非金属补偿器可以使用的区域：温度大于204C且无法进行“肘”形接或具有较大侧向位移的管道系统；设计温度大于426C的管道系统。4波节材料选择4.1标准“V”型波节4.1.1温度低于426C时，除下述情形外，均采用普通碳钢A-569。a. 使用于烟道时，采用低合金钢A606 Type 4。b. 使用于腐蚀性空气道时，采用低合金钢A606 Type 4。4.1.2温度介于426C至454C之间时，采用405号不锈钢。4.2温度低于426C时，在补偿量不够时也可选用405号不锈钢。5用于温度大于315C时补偿量的减弱表3给出了波形补偿器的最大补偿量。当补偿器工作于315C至454C之 间时，其补偿量必须按图3所示的修正系数“C”予以修正。6用于变负荷机组时补偿量的减弱用于变负荷机组时补偿量用75%予以修正。7斜角过渡和搭接接头补偿量的减弱7.1标准补偿器均采用圆角过渡和碟形焊缝。7.2由于空间限制、装配或其它原因无法采用圆角过渡和碟形焊缝而采用 下列方式的，补偿量用50%予以修正。a. 含有斜角过渡的。b. 含有搭接焊缝的。8波节数的修正8.1按第二章的方法确定的波节数还应除以第5、6、7条所述的修正系数。8.2示例：某圆角全高补偿器按第二章计算需要波节数3,按第5条修正系数0.76, 按第6条修正系数0.75，则修正后波节数：N=3 /(0.76X0.75)=5.26 取 N=6 (个)注意：补偿器除了进行补偿量计算外，还应进行膨胀反力计算。9热处理要求9.1除生产时冷作生产要求热处理外，补偿器均不需要作热处理。9.2若冷作生产时需要应力释放，可采用如下方式：a. 对于碳钢或合金钢，加热至621C(10C),保持15分钟，视变形情 况采取炉冷或空冷。b. 对于不锈钢，加热至760C(10C)，保持15分钟，视变形情况采 取炉冷或空冷。图3波形补偿器温度修正曲线表3波形补偿器补偿量序号名 称补偿量波节高度波节厚度1全高圆角补偿器28.6 mm216 mm2.6 mm2半高圆角补偿器土 12.7 mm114 mm1.5 mm3全高方角补偿器 19 mm216 mm2.6 mm四第二类烟风道补偿器的计算1范围本说明用于锅炉尾部烟道出口至预热器烟道的补偿器和恒力吊簧吊架的 计算，计算过程见表1,本计算考虑补偿器50%的预置。2问题说明本计算要求烟道进出口补偿器是浮动的，即此结构可以在两个方向上旋 转和轴向可以移动。它要求进口处的肘形连接可以传递锅炉内压引起的力 矩。进出口的外部连接在任何方向上都不能发生旋转，即冷热态时法兰均保 持平行。3计算过程本计算按图4进行，说明如下：3.1图1中各变量前的符号代表其值的符号，也可为零。3.2补偿器的补偿能力考虑50%的预置，即按两倍的补偿量考虑。3.3弹簧吊架3.3.1弹簧吊架的位移值为正时表示向下移动，为负时表示向上移动。3.3.2弹簧吊架的设计位移应考虑余量，采用可变弹簧吊架时余量为12mm，采用恒力弹簧吊架时余量为25mm或最大位移量的20%，取大值。3.3.3当采用可变弹簧吊架时，必须计算弹簧的弹性系数，荷载按热态荷 载的25%考虑，例如：吊点处反力：4540kg，位移量：40+12 = 52mm，则最大荷载变化量=4540x25%=1135kg弹性系数=1135/52=21.8kg/mm选择可变弹簧吊架：最大承载能力= 1.15x4540=5221kg最大弹性系数= 21.8kg/mm3.3.4当上述弹性系数很小，以致造成可变弹簧吊架价格昂贵时，应考虑 采用恒力弹簧吊架，其位移量按3.3.2条考虑。3.4膨胀节的预置按照下述方法进行膨胀节的预置：当 AXAZAYq 和 Ys 与 “U”、“G”、“Q”、“S” 分别同符号时， 则尺寸 “U”、“G”、“Q”、“S” 分别缩短 A X、AZ、AYq和 A Ys；当 AXAZAYq和 AYs 与“U”、“G”、“Q”、“S” 分别不同符号时， 则尺寸 “U”、“G”、“Q”、“S” 分别加长 AX、AZ、AYq和 A Ys。4计算程序计算程序见第二类烟风道补偿器计算.xls。图4第类烟补偿器计算图_：12道第二类烟风道补偿器计算.xls中华人民共和国WGZ_/_-_型锅炉1武汉锅炉股份有限公司第二类烟风道补偿器计算序号名 称符号单位公式及计算一原始数据1补偿器工作温度tC性能计算2补偿器温度修正系数C1见第二章3锅炉变负荷修正系数C2见第二章4单波节膨胀量Aqmm见第二章5修正后单波节膨胀量Aqmm2x A qxC1xC26工作温度下烟道膨胀系数Kmm/mm查表7几何尺寸Amm8Bmm9Cmm10Fmm11Gmm12Hmm13Qmm14Smm15Umm16Vmm17D1mm18W1mm19D2mm20W2mm21位移量X1mm22Y1mm23Z1mm24X2mm25Y2mm26Z2mm27282930补偿器计算31X向进出口位移差XmmX1+X2+KU32X向进出口位移差+余量XmmX2533Y向进口位移量Y1（c）mmY1+KQ34Y向出口位移量Y2(C)mmY2+KS35Z向进出口位移差ZmmZ1+Z2+KG36Z向进出口位移差+余量ZmmZ2537旋转引起进口中心丫向位移Y1(X+Z)mmC*X/B-F*Z/B38旋转引起出口中心丫向位移Y2(X+Z)mmV*X7B-H*Z/B39Y向进口中心补偿器位移量Y1mmY1(C)+Y1(X+Z)40Y向进口中心补偿器位移量+余量Y1mmY12541Y向出口中心补偿器位移量Y2mmY2(C)+Y2(X+Z)42Y向出口中心补偿器位移量+余量Y2mmY22543旋转引起进口外端Y向位移量Y1（o）mm(| D1*X/B | + | w1*Z/B | )/244旋转引起出口外端Y向位移量Y2(O)mm(| D2*X/B | + | w2*Z/B | )/245进口 Y向最大位移量Y1mm1 Y1 | +Y1(O)46出口 Y向最大位移量Y2mm| Y2 | +Y2(O)47弹性吊点处位移量入mmA*Z/B48弹性吊点处位移量+余量NmmN2549X向预置量AXmmX/250Z向预置量AZmmZ/251Y向进口端预置量AY1mmY1(C)/252Y向出口端预置量AY2mmY2(C)/253预置后U值UmmU-AX54预置后G值GmmG-AZ55预置后Q值QmmQ-AY156预置后S值SmmS-AY257进口补偿器波节数n1个Y1/Aq58出口补偿器波节数n2个Y2/Aq21五烟道墙板及加强筋的结构设计1范围本说明用于锅炉烟风道墙板及加强筋的结构设计。2烟风道墙板设计烟风道墙板设计包含加强筋间距和加强筋尺寸的确定。烟风道结构设计考虑三种烈度等级，艮即1级（标准设计）、2级（振动）、 3级（脉动）。烟风道烈度等级见第一章表1。3不需设加强筋的烟风道墙板不需设加强筋的最大烟风道宽度见图5：mmmmmmmm4第1烈度等级烟风道墙板4.1板强度设计图6图9给出了烟风道墙板最大加强筋中心距，中心距运用塑性设计理论计算，安全系数为2,加强筋翼缘宽度按50mm考虑。s:33CWO图7厚度4mm烟风道加强筋的最大间距图6厚度3mm烟风道加强筋的最大间距图8厚度5mm烟风道加强筋的最大间距S (mrn；* .E 常J.5 4 炊5.5 68 g 102315 如 网 F （也;图9厚度6mm烟风道加强筋的最大间距图中：S 最大中心间距，mmP一烟风道设计压力，KPaFy钢板屈服强度，MPa4.2板静态挠度设计板的静态挠度取决于其强度计算，通常小于上。1204.3板动态挠度设计烟风道压力在0.1KPa范围内波动时，其墙板挠度波动范围应控制在 1mm。图2、3、4、5中上部水平线即表示满足上述挠度理论的最大加强筋间距。4.4加强筋强度设计按照强度理论，加强筋的长度必须满足下列要求：8ScFb S 2LNS时， L J+公式4.4aPS 360ScFbLVS 时，L 5p公式 4.4b其中：Sc 组合截面抵抗矩，mm3Fb 一加强筋许用弯曲应力，KPaP一烟风道设计压力，KPaS 一加强筋中心距，mm4.5加强筋挠度设计按照挠度理论（W 土），加强筋的长度满足下列要求：464384EIcKLN1.5S 时，L 3 公式 4.5a5* 464PSLV1.5S 时，L 3：EIcK公式 4.5b3 4 P其中：E一加强筋弹性模量，KPaIc一加强筋组合截面惯性矩，mm4K1 （单跨筋），2 （连续筋）4.6加强筋振动设计按照加强筋的自然频率理论（fN25）,加强筋的长度满足下列要求:公式4.6-17730 1CEL 3丁预其中：E一加强筋弹性模量，MPaIc 一加强筋组合截面惯性矩，mm4f-25Ac 一加强筋组合截面面积，mm25第2烈度等级烟风道墙板5.1板强度设计烟风道压力在0.5KPa范围内波动时，其墙板挠度波动范围应控制在 1mm。图2、3、4、5中中部水平线即表示满足上述挠度理论的最大加强筋间距。5.2加强筋振动设计按照加强筋的自然频率理论（fN45），加强筋的长度按公式4.6计算，其 中 f=45。6第3烈度等级烟风道墙板下述烟风道按第3烈度等级设计：一次风机出口风道;送风机出口风道；引风机出口风道；风速大于25.4m/s 的烟风道。以上风机指等速离心风机，对于变速离心风机和轴流风机，按第2烈度 等级设计。按照加强筋的第一自然频率理论（fpN45），图2、3、4、5中下部水平 线即表示满足要求的最大加强筋间距。7侧向稳定负压烟风道和有风载的烟风道加强筋有自由边翼缘，当自由边长度超过 某一数值Ls时必须校核其侧向稳定性。当自由边长度超过Ls时，可采用以 下方法解决：A. 在中点增加侧向支撑；B. 减小加强筋的许用应力值。典型加强筋的Ls值:加强筋单跨筋(mm)多跨筋(mm)Nq1220002900Nq1621002900N1821003000N2022003100N2224003200N2525003400若未布置侧向支撑，加强筋的许用应力将按系数C予以降低，典型加强筋的C值:加强筋壁厚5 mm壁厚6mmN120.971N160.920.98N180.870.94N200.820.91N220.770.88N250.720.85以下部位不需考虑增加侧向支撑：A. 烟风道内部支撑(最大弯矩处)之间的加强筋;B. 自由边受拉的加强筋；C. 正压烟风道内部支撑处。