电厂锅炉炉墙结构的研究

李 锐 翟志斐

（河南第一火电建设公司保温施工处，河南 郑州 450001）

1 炉墙介绍

炉墙的密封和绝热性质应能使它的外壁保持一个人为规定的较为合理的温度，并使进入外界的热流量能符合环境保护的要求。

1.1 炉墙保温概述

锅炉密封和保温性能的优劣直接影响锅炉的热效率、煤的损耗、整个锅炉的使用寿命以及工作环境的保护。因此，提高炉墙砌筑保温施工质量，确保锅炉正常运行，应引起设计和施工人员的足够重视。

1.2 炉墙传热计算基本原则

通常，锅炉炉墙的外表面温度基本控制在不超过环境空气温度的25℃ 以上，换句话说，当锅炉周围的环境空气温度为25℃ 时，炉墙的外表面温度应不超过50℃ 。锅炉炉墙的传热计算基本就是按这个原则规定而进行的。

1.3 提高炉墙密封和绝热的意义

目前，我国电站锅炉在运行时的散热损失相对于锅炉的热效率而言所占的比例很小，qs≤0.18%～0.2%，表面上似乎对锅炉的热经济性影响不大，然而，进一步分析一下，如果要想在其他方面使锅炉的热效率再提高0.18%～0.2%却是很不容易的，或许要花费不小的代价而收效甚微。另外，锅炉的密封结构不严密耐火和绝热材料的使用选择不当，将直接造成炉内的高温烟气泄漏和吸入冷风，影响正常的燃烧过程和破坏受热面的热量传递导致热效率的降低，同时，漏出的烟灰堆积会无形中增加吊杆和钢架的载荷，并使有些受力部件始终处于温度较高的恶劣工况下工作，对锅炉的安全运行留下了隐患。因此，炉墙的性能优劣是不容忽视的，从经济安全的角度出发，炉墙这一部件应作为电站锅炉的一个重要部件来开发研究。既然炉墙起着密封和绝热的作用，那么对炉墙的结构就有了一个基本的要求，使之充分发挥本身的功用从而提高整台锅炉的经济性和安全性。

2 炉墙结构研究

2.1 锅炉的密封难点

锅炉的密封难点主要集中在炉顶区域，此处有大量的受热面管束管排穿出。而悬吊这些受热面的各种吊杆又占据了炉顶上大部分的空间，在锅炉启停阶段，这些受热面管束管排集箱和吊杆相对于炉顶都有着位移量不等的膨胀。这种狭小的空间和相互间的位移给炉顶密封的设计和安装带来了极大的困难。

目前，国内300MW级以上的锅炉全部采用了全钢结构，这样利用机械装置就可人为地设置整台锅炉的膨胀中心，由于整个锅炉是悬吊结构，所以膨胀中心设置在炉顶大罩壳顶面和炉膛中心的交界点处，通过计算可得出锅炉任意一点的位移量，这就给锅炉密封设计带来了很大帮助。有了位移量和位移方向，各种密封结构也就应运而生了。

2.2 密封结构的金属材料

炉顶密封结构的可靠性还需要有合理的金属材料来保证。

因为有相当多的热面被布置在炉膛和水平烟道上方，所以前炉顶过热器设计上采用分段鳍片散装管，故炉顶空隙较多，要求整个前炉顶区域全部用钢板覆盖密封，又因为此区域的炉内烟气温度很高，所以密封钢板采用耐高温性能较好的不锈钢（如ICr18NigTi等）或低合金耐热钢（如12CrlMoV等）。

同时，为延长这些密封钢板的使用寿命，在钢板与向火面间应浇灌不定型的耐火材料。

其它密封件则采用低合金耐腐蚀钢（Corten),对于那些密封附件如加强筋等可使用一般的碳钢。密封板的厚度一般取≦5mm，起柔性连接用的膨胀节等其厚度应自≦2mm，而起阻挡高温烟气作用的梳形板厚度可增加至6mm以上。总体来讲，整个炉顶密封构件基本上是连续布置的，各种密封结构之间是相互联系的，因此，密封钢板的厚度需严格控制在一定的范围之内，如钢板过厚，则会增加整个炉顶密封结构的刚性，一旦发生膨胀不畅通现象，极易造成受热面管子被拉坏的情况。当然，较薄的钢板会给连续的密封焊接带来一定的困难，所以炉顶密封的焊接工作必须要由合格的焊工来完成。

2.3 密封结构中的耐火材料

锅炉密封结构中还有一个很重要的组成部分，这就是耐火材料。

2.3.1 耐火材料的重要性

前文中曾提及，为阻挡炉内高温烟气对密封结构的冲刷和腐蚀，减轻或降低密封钢板的变形拉裂等情况产生，在密封板与向火面之间应用耐火材料加以分隔。此外，对于300MW级以下的锅炉密封乃至整个炉墙，耐火材料的重要性就显得更为突出。在一般的高压或超高压锅炉的炉墙结构中，耐火材料作为密封的第二道防线而被大量使用，图5所示的结构即为超高压锅炉炉顶密封所采用的金属与非金属材料的双重密封结构，该结构的可靠性在国内为数众多的电厂锅炉运行中被证明是令人满意的。

2.3.2 耐火材料的要求

正因为耐火材料有耐高温、抗腐蚀的特殊性能，所以现代锅炉对耐火材料的性能要求也在不断提升，各种位置对耐火材料的要求各不相同，因此设计选用耐火材料性能的合理性是炉墙在锅炉正常运行中安全可靠的重要保证。

对耐火材料的普遍要求一般是材料的密度、耐火度（耐火等级）和抗压强度，至于材料的热传导性没有特别要求。而对于特殊位置的特殊要求是建立在普遍要求基础上的，例如炉顶密封中要求耐火材料还应具有同金属相近的热膨胀性，受热后能随同金属一起膨胀，这样就能避免材料的开裂，保证密封的可靠性；对置于烟道中的耐火材料，如省煤器框架炉墙的向火面集箱的保护层和折烟角等使用的耐火材料，必须具备足够的耐磨性能，足以抵抗烟气对其不间断的冲刷。

对耐火材料热震稳定性要求较高的应当是渣斗炉墙了，渣斗在锅炉运行时的冷热工况经常变化，虽然对温度要求相对较低，但急冷急热性能则显得尤为重要，其次是抗冲击性能与此相反，卫燃带炉墙由于长期处于燃烧区域，火焰温度极高，故对耐火材料的耐火度就要求很高，普通的耐火材料不能胜任。除耐火度外，此处的耐火材料还需具有较佳的防结焦性能，否则，随着结焦厚度的增加，耐火层会连同焦块一起塌落，最终导致燃烧工况的变化，影响整台锅炉的正常运行。

以上可见耐火材料在炉墙结构中的重要性了。而且，不仅在设计中要正确合理地选用，安装时更应严格地按设计要求进行施工，以充分发挥耐火材料自身的特点。

2.4 炉墙的保温结构

炉墙的密封性能主要由金属密封件和耐火材料等来保证，它的绝热性就应该由保温材料来负责实施了。

2.4.1 敷管式炉墙

电站锅炉普遍采用的是膜式水冷壁和尾部包覆受热面，所以，炉墙的结构形式就可采用轻型敷管式炉墙（除高压超高压等锅炉的省煤器框架外）。

所谓敷管式炉墙即指将轻质的保温材料紧贴在锅炉的各受热面外侧，保温材料不能直接接触火焰。目前，保温材料大多数以轻质的纤维状材料和发泡状材料为主。广泛被炉墙所采用的有矿岩棉、玻璃棉厦合硅酸盐等等，它们的共同点是密度低，保温效果较好。

敷管式炉墙结构简单，一般采用多层布置，其目的很明确，第一是多层布置的结构可以使保温材料层与层之间错缝压缝，减少因接缝处缝隙所造成的散热，其次，多层结构可根据不同的温度条件而采用相应的保温材料，提高锅炉保温的经济性。在多层的保温结构中，紧贴水冷壁涎伸侧墙（水平烟道）和包覆壁（尾部烟道）的内层基本上选用耐温性较好的硅酸铝纤维制品，并依据需要内侧面做成与这些管壁相吻合的梳形面，这样可最大限度地阻止保温材料与管壁间留出空隙而产生热空气的波动。然后，可根据炉墙传热计算的要求，在确定保温层总厚度的前提下平均分配余下的层数，并选用导热系数低的保温材料。

2.4.2 集中保温

同样，锅炉的其他部位如炉顶大罩壳、折烟角和炉底框架等区域采用集中保温后，保温形式与水冷壁等一致，所不同的只是保温总厚度而已。这里所提到的集中保温这一概念，也是炉墙结构的一种，以前只有300MW 级或以上容量锅炉采用此结构，现在在其它较小容量的锅炉上也开始引用这一炉墙形式。其优点是，免除了这些位置上错综复杂的各类管道、管束、管排和集箱等的逐一保温工序。在这些区域设置罩壳形式，而在罩壳外统一保温，且保温效果较好，同时还为锅炉检修带来了极大的便利。

上述保温结构中的保温材料通过保温抓钉、自锁压板和六角铁丝网被紧固在受热面管子上并与之紧密的贴合，在锅炉运行时随同受热面一起膨胀，整体性较好。

2.4.3 其他保温结构

其他还有烟风道、空气预热器次风箱等的保温，这些部件的保温基本上也采用多层结构，只是在加强筋膨胀节等特殊位置加以局部处理。

锅炉框架的水平楼板及罩壳顶部由于在锅炉检修时有人员走动以及临时堆放一些设备，所以此处的保温结构要求有较高的抗压强度。显然，轻质柔性的保温材料就不适用了，一般在这些位置均采用轻质绝热的浇注型保温材料，并在浇注保温材料自然固化后覆盖一层耐压强度较高的抹面涂料，在两者材料的结合面铺设一层铅丝网以增加整个平面的整体强度。为防止浇注保温材料和抹面涂料在锅炉运行时受热膨胀而出现开裂现象，在这些材料中应按规定的节距设置纵、横的膨胀缝，膨胀缝应连续布置并用纤维状保温材料填塞而避免热量从此处散发。

在多层保温结构中，由于保温材料是依靠焊于受热管子（或鳍片）和钢板上的保温抓钉和自锁压板来紧固的，这样就会产生炉内的热量从这些金属抓钉和自锁压板传至保温层外，为解决这一问题，可以在多层的保温层结构外再敷设一层保温毯，保温毯用专用的钩钉和压板紧固在保温层外侧。

[1]锅炉密封及炉墙设计手册[M].上海：上海发电设备成套设计研究所出版，1991.

[2]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]日本耐火材料技术协会.筑炉工艺学［M].北京：冶金工业出版社，1987.