锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究报告

中国电力工程顾问集团公司技术成果项目编号：DG1-J01-2008锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究研究报告中国电力工程顾问集团公司发布DG1–J01-2008锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究北京国电华北电力工程有限公司2009年8月批准：马安审核：陈赢展校核：任晓东马欣欣编制：彭红文汤晓舒谈琪英目录1.概述..............................................................................................12.锅炉炉膛防爆压力和烟道设计压力选取现状分析.................13.烟气系统设计压力的影响因素.................................................64.锅炉炉膛防内爆设计压力研究...............................................205.烟道设计压力研究....................................................................266.结论............................................................................................30锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究专题报告11.概述随着我国国民经济的快速发展，国家环保政策日益严格，环保标准不断提高，新建火电机组对减少烟气污染物的排放愈来愈重视，大力加强了治理的力度。近年来，愈来愈多的新建机组同步建设脱硝、脱硫装置，部分机组为达到粉尘排放要求采用了布袋除尘器或电袋除尘器，这些措施使得锅炉烟气系统配置的变化增加，烟道阻力有所增加，引风机压头有所提高。锅炉炉膛防爆压力（炉膛设计瞬态压力）的选择与引风机的压头有一定关系，国内外的相关规程规定存在一定的矛盾，近年来随着烟气系统总阻力的增加，各工程在锅炉炉膛设计瞬态压力的选择上不尽统一，且有不断升高的现象；烟气系统设备（脱硝装置、空气预热器、除尘器等）的设计压力，国内现行规程规定中没有明确的规定；而烟道设计压力与炉膛设计压力和引风机压头有关，当炉膛设计瞬态压力与引风机TB压头不一致时，国内现行规程已不能完全适用，烟道设计压力需考虑各种工况合理选取，目前也存在各设计单位对烟道设计压力取值不统一的问题。因此，认真研究炉膛承压能力取值以及烟气系统设计压力，对规范设计、合理控制工程造价有着重要的意义。根据目前锅炉机组的应用情况，本项目仅针对大容量煤粉炉的锅炉炉膛防内爆压力及烟气系统设计压力进行研究。2.锅炉炉膛防爆压力和烟道设计压力选取现状分析2.1锅炉炉膛防爆压力选取现状分析国内现行的锅炉炉膛防爆压力选取的相关规程有：《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T5121-2000），以下简称《烟规》。《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》（DL/T435-2004），以下简称《炉膛防爆规程》。上述规程均参考了美国NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》。原电力工业部热工自动化标准化技术委员会曾出版NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》1995年版，2001年NFPA85《BoilerandCombustionSystems》对原NFPA8501-8506进行了整合编辑，经2004年、2007年修订，目前最新版本为NFPA85《BoilerandCombustionSystems》（2007年版），以下简称NFPA85-2007。锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究专题报告22.1.1国内现行技术规程的相关内容1)按《烟规》9.5.7条说明，引进型锅炉炉膛防爆设计压力按NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆规程》规定应满足下列要求：a)瞬态正压按环境温度下送风机试验台风压确定，但不必要求超过+8.7kPa（通常取+8.7kPa）；b)瞬态负压按环境温度下吸风机试验台风压确定，但不必要求更低于-8.7kPa（通常取-8.7kPa）；c)当锅炉尾部采用的烟气净化设备阻力较大，环境温度下吸风机试验台风压低于-8.7kPa时（如-10kPa），必须考虑增大的设计负压。2)按《炉膛防爆规程》3.2.1条炉膛结构设计说明：a)炉膛结构应能承受非正常情况所出现的瞬态压力。在此压力下，炉膛不应由于任何支撑部件发生弯曲或屈服而导致永久变形。b)炉膛设计瞬态压力不应低于±8.7kPa，有关说明见附录B。c)无论由于什么原因使引风机选型点的能力超过-8.7kPa时，炉膛设计瞬态负压都应考虑予以增加。2.1.2NFPA85-2007相关内容NFPA85-2007关于炉膛设计瞬态负压取值的规定如下：当炉膛压力控制系统依照6.5.2时，炉膛设计瞬态负压取值为-8.7kPa，不必要求高于此值。当环境温度下引风机TB点能力低于-8.7kPa，例如-6.72kPa，炉膛设计瞬态负压可按环境温度下引风机TB点能力选取，不必高于此值。其附录中对此给予了说明：由于空预器下游风压损失较大或其它原因（如风机试验台裕度过大）而导致引风机压头增加，当引风机试验台能力高于－8.7kPa较多时，应考虑增加设计负压。例如环境温度下引风机TB点能力为-3.7kPa，最小的设计瞬态负压为-3.7kPa；环境温度下引风机TB点能力为-9.9kPa，最小的设计瞬态负压为-8.7kPa。2.1.3锅炉炉膛防爆压力选取现状我国上世纪80年代至90年代间，大多数工程中尚未考虑烟气脱硫系统和脱硝系统的设置，炉膛防爆压力一般均按不低于±8.7kPa选取，也有一些进口机组按环境温度下引风机TB点压头选取，低于±8.7kPa。在电力工业部1996年出版的内部资料《进口大容量电站锅炉及附属设备技术谈判指南》中也提出：炉膛结构部件（包括刚性梁、炉顶密封装置、水冷壁与灰斗的联接部分等）进行外爆内爆强度计算时，炉膛的设计锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究专题报告3承压能力一般按大于5800Pa考虑，瞬间承受能力应不低于±8700Pa。随着烟气脱硫系统在火电机组上的应用，烟气系统总阻力有所增加，并对炉膛设计瞬态压力的选取进行了一些探讨。在我国环保要求新建工程预留脱硫空间后，在当时亚临界工程的招标过程中，一些工程考虑了安装烟气脱硫装置后烟气系统总阻力的增加，锅炉厂核算后认为适当减小刚性梁的间距，将炉膛防爆压力设计提高至±9.98kPa是可行的，之后很多工程在锅炉机组招标时要求炉膛设计瞬态压力为±9.98kPa（或±9.9kPa、±9.8kPa），也有部分工程仍采用±8.7kPa。2000年后颁布的《烟规》和《炉膛防爆规程》中也相应提出了“当锅炉尾部采用的烟气净化设备阻力较大，环境温度下吸风机试验台风压低于-8.7kPa时（如-10kPa），必须考虑增大的设计负压。”及“无论由于什么原因使引风机选型点的能力超过-8.7kPa时，炉膛设计瞬态负压都应考虑予以增加。”的条款。从NFPA标准和国内现行规程来看，炉膛防爆压力未要求考虑引风机与脱硫增压风机负压叠加的工况。但当采用引风机与脱硫增压风机合并设置，或采用设置脱硝装置并选用布袋除尘器等系统配置时，则引风机环境温度下的TB点压头有可能高于8.7kPa。从上文中可以看出，当引风机环境温度下的TB点压头高于8.7kPa时，国内外现行的规程对炉膛设计瞬态压力的选取有一些不同，NFPA85-2007规定的锅炉炉膛最小设计瞬态负压为-8.7kPa，当引风机试验台能力高于-8.7kPa较多时，可考虑增加设计负压；而国内现行规程则要求按引风机试验台能力选取。对于炉膛设计压力的概念，是将炉膛防内爆设计瞬态压力除以一个安全系数换算得到的，此安全系数为材料按屈服极限确定基本许用应力时的安全系数。在《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T5121-2000）中分为引进型和传统型，对于引进型锅炉安全系数取1.67，传统型锅炉取1.5。在《进口大容量电站锅炉及附属设备技术谈判指南》中规定炉膛的设计承压能力一般按大于5800Pa考虑，瞬间承受能力应不低于±8700Pa，取用了1.5的安全系数。美国NFPA的标准中仅对炉膛设计瞬态压力给予规定，并没有规定安全系数的取值。随着烟气系统配置的多样化以及对国内外标准的不同解读，目前工程中对炉膛防爆压力的选取不尽统一，部分大型机组的锅炉炉膛设计压力和设计瞬态压力的选取见表2.1。锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究专题报告4表2.1部分机组锅炉炉膛设计压力的选取电厂名称容量炉型及制造厂炉膛设计/瞬态防爆压力（Pa）盘山电厂2×600MW四角燃烧，哈锅±5220/±8718ns＝1.67禹州电厂2×350MW四角燃烧，哈锅±5200/±8700ns＝1.67阳城电厂6×350MWW火焰炉，美F.W±3894/±6320ns＝1.6西柏坡电厂2×300MW对冲燃烧，北京B.W±4000/±6000ns＝1.5托克托二期2×600MW对冲燃烧，北京B.W±5930/±8890ns＝1.5宣化电厂2×300MW对冲燃烧，北京B.W±5980/±9980ns＝1.67托克托三期2×600MW对冲燃烧，东锅±5800/±8700ns＝1.5大同三期2×660MW对冲燃烧，东锅±5980/±9980ns＝1.67黄骅一期2×600MW四角燃烧，上锅±5980/±9980ns＝1.67炉膛设计瞬态压力的提高，一方面提高了锅炉设备的造价，另一方面也受炉膛结构设计的限制。对于大容量高参数机组，炉膛截面较大而水冷壁管径较细，这个问题更加严重，在设计配合中各锅炉厂均表示对于大机组炉膛设计瞬态压力±9.98kPa已基本上达到炉膛结构设计的极限，且国外锅炉在增加脱硫系统和脱硝系统后，炉膛设计瞬态压力并没有增加。参数越高的锅炉，提高炉膛设计压力在结构上实现的难度更大。根据某锅炉厂提供的参考资料，600MW机组亚临界锅炉的水冷壁管直径为60mm，而超临界锅炉只有38.1mm，超超临界仅有28.6mm。表2.2是某锅炉厂对600MW亚临界及超临界锅炉本体在炉膛设计瞬态压力为±8700Pa和±9800Pa时炉膛本体刚性梁重量及最大间距比较。表2.2600MW机组不同炉膛瞬时压力时锅炉刚性梁重量及最大间距对比表工程名称炉膛瞬时压力为±8.7kPa炉膛瞬时压力为±9.8kPa刚性梁重量(吨)前水冷壁刚性梁最大允许间距(mm)刚性梁重量(吨)前水冷壁刚性梁最大允许间距(mm)某600MW亚临界锅炉62633937503200某600MW超临界锅炉1021230512002170注：以上数据均为哈锅的估算值，刚性梁重量仅针对锅炉本体，不含风道、烟道及预热器壳体。对于超超临界锅炉的刚性梁间距更小，如防爆压力再行增加，炉膛结构将难以实现。综上所述，对炉膛设计瞬态压力应进行深入的分析，合理选取，不宜一味增加炉锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究专题报告5膛设计瞬态压力的取值。2.2烟道设计压力选取现状分析2.2.1《烟规》烟道介质设计压力按《烟规》附录D烟风道介质设计压力表规定：空气预热器出口至除尘器入口烟道：设计压力采用1.1倍的炉膛设计负压值。除尘器出口至引风机入口烟道：设计压力采用1.2倍的炉膛设计负压值。引风机出口至水平总烟道入口烟道：设计压力采用+2kPa。水平总烟道：对锥型筒烟囱，水平总烟道设计压力采用-2kPa，对直型筒烟囱，水平总烟道设计压力采用+2kPa。目前的工程设计中大多遵循《烟规》的上述规定。但随着同步建设脱硝、脱硫装置或安装布袋除尘器等因素，使引风机的压头增大，脱硫系统又有是否设GGH、是否设脱硫旁路、脱硫增压风机是否与引风机合并等多种不同设计，某些工况已超出了现行《烟规》编制所考虑的范围，尤其是高压头引风机的烟道设计压力、脱硫烟道设计压力更加值得探讨和研究。2.2.2脱硫装置相关的烟道设计压力现状分析对于脱硫烟道的设计压力，目前国内尚没有统一的规定。脱硫系统招标目前较多采