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1、炉膛冷灰斗灰渣荷载统计方法探讨杨亚文1,曾婵娟2(武汉锅炉股份有限公司湖北武汉430070)摘要：在锅炉运行过程中，会有煤灰和焦渣落入炉膛冷灰斗处，并可能大量积结。灰渣荷载的大小以及 灰渣荷载的性质分类对底部刚性梁，炉顶吊杆，锅炉构架等，均有较大的影响。本文简单介绍了在底部刚 性梁设计时，炉膛冷灰斗灰渣荷载的统计方法及其在炉膛前后墙和两侧墙上的分配，以期与同行共同探讨。 关键词：炉膛冷灰斗；积渣；炉膛底部刚性梁；荷载分配Furnace hopper ash load statistic method discussion/ Yang yawenl, Zeng chanjuan2 (Wuhan
2、Boiler Co.,Ltd Hubei Wuhan 430070)ABSTRACT: During furnace operating, plenty of coal ash falls continuously, for even worse, there might be masses of ash accumulates in hopper. The analysis on ash load have great influence on the design of Furnace Bottom support, hanger rods and steel structure. Thi
3、s lecture mainly introduce the ash load stat. and distribution of each furnace wall when design Furnace Bottom support, and focus on different types of boiler, including tower type and two-pass.KEYWORDS: Furnace hopper; ash; Furnace Bottom support; Load distribution;锅炉在实际运行中由于各种不定因素可能导致锅炉大量结渣、积灰。对于固
4、态排渣锅炉 的燃烧室，由前后墙水冷壁下部向内弯曲而形成冷灰斗，用来聚集、冷却并自动排出灰渣， 在进行结构设计时，由于冷灰斗自身无法承担灰载，通常采用炉膛底部刚性梁结构，对冷灰 斗水冷壁起支撑和保护的作用，并将这些灰载通过水冷壁传递到构架上。因此，对灰载的定 性定量分析，直接关系到锅炉的安全性，应充分考虑各种最不利情况，保证锅炉安全、经济、 稳定运行。炉膛冷灰斗处的积灰和结渣状况,主要由锅炉燃烧的煤质和锅炉运行的情况决定,其最大 量具有不确定性。一些技术协议对冷灰斗的设计积灰量有明确的规定，我们可遵守协议设计。 对于没有明确规定的，各设计单位统计方法各异。本文采用的炉膛冷灰斗荷载的统计方法， 是
5、根据以前的旧方法，利用土利学原理，考虑炉膛水冷壁的安全性以及结构经济性的经验总 结，可供类似项目参考。1. 设计荷载1.1.设计底部刚性梁时，所考虑的荷载(1) 恒荷载。包括额定灰荷载，管墙，保温外护板，密封板，环形集箱，刚性梁等。额定灰 荷载即锅炉正常运行时，沿冷灰斗斜面堆积的，最大设计积灰量一般假定厚度为300mm， 容重为710KN/m3。(2) 烟气压力，最大烟气压力值根据锅炉技术协议要求，一般为8700Pa，8980Pa，9800Pa。 1.1.3当不考虑灰渣在冷灰斗内堆积时，设计荷载取烟气压力的3倍;当考虑灰渣在冷灰斗内 堆积时，计算灰渣荷载，作为偶然荷载考虑。根据国内现状，考虑到
6、煤质容易结渣及捞渣机 不及时排渣的可能性，一般都需按后一种情况计算灰渣荷载。1.2荷载组合(1)恒荷载(2)恒荷载+烟气压力(3)最不利组合：恒载+灰渣荷载或3倍烟气压力2. 冷灰斗灰渣统计的计算原理首先假定灰渣是均匀对称的堆积在冷灰斗内的。部分锅炉技术协议直接提出了对灰渣重 量或体积的要求，若无要求，一般按积灰体积为冷灰斗容积的1/3计算，灰渣的密度一般取1015KN/m3。无论是对重量还是体积的要求，均可根据已知条件计算出灰渣堆积的高度&。2.1灰渣荷载压力分量0、0的计算说明：按无粘性土考虑，竖向应力%=匕& ；水平向应力*=匕&.tan2(45W2)； 考虑墙背与土体的摩擦力，假定作用
7、于土层间的水平剪力为土层间的摩擦力，结合国内外大 量实验数据，取T=tan(p/2).P，采用斜截面截取的微元局部作为平衡对象(见图1)。门其中Y =灰渣密度；& =灰渣的高度；中=灰渣的内摩擦角P =沿冷灰斗斜面法线方向的压力分量；P =沿冷灰斗斜面切线方向的压力分量图1：微兀体积灰渣分析图（请按照图片格式要求将图片的原PDF文件单独发送过来）列平衡方程：垂直方向：T.sin侦.ds + p.cosa.ds P .cosa.ds P .sin侦ds = 0水平方向：P .sinads +t.cosa.ds P .sina.ds + P.cosa.ds = 0叮nt解方程得：P =P .sin
8、2a + P .cos2a +t.sin2a ； P =12（P P ）.sin2a t.cos2an 门&t& T将P&，*的值代入得P，PtP （&）=tan2（45。一中/2）.sin2a.y.& + cos2a.y.& + tan（p/2）.tan2（45。一中/2）sin2a.y.& nP （&）=1. 2（1 tan2（45。一甲/2）.sin2a.y.& tan（甲/2）.tan2（45。一甲/2）.cos2a.y.& t3.灰渣荷载计算实例某一锅炉冷灰斗积灰情况（见图2 ），灰渣堆积的高度& =4-83m，灰渣的容重y =12KN/m3，灰渣的内摩擦角中=2。3.1灰渣荷载压力
9、分量P、匕的初步计算对于前后墙斜面(a =55。)P (&=4.83m ) = 42.8KN/m2 ； P ( &=4.83m ) = 15.6KN/m2 t对于侧墙斜垂直面(a =90。)P (&=4.83m ) = 28.3KN/m2 ； P ( &=4.83m ) = 5.0KN/m2 nt3.2灰渣重量校核计算(见图3)由于土压力理论为理想的假设情况，存在计算误差，需考虑实际系数冷灰斗内灰渣的重量：W=j (P cos a + P sin a) dA冷灰斗前后墙的灰渣重量(a =55。)W1=2x14.768xj4.83(8.87x0.574 + 3.23x0.819)x & xd/s
10、ina=3254KN冷灰斗两侧墙的灰渣重量(a =90)W2=2xj 4-83(1.03 x& x8.39-1.4&) xd&=93.2KNW = W1 + W2 = 3347.2KN按 1/3 容积计算的灰渣总重：M =(8.39 +1.627) x4.83/2x14.768x12=4287KN理论值M与土力学计算值W相比较：M/W = 42873347.2 = 1.283.3通过重量校核后乘以系数求得P、P的最终数值对于冷灰斗前后墙斜面水冷壁(a =55)P (&=4.83m ) =54.8KN/m2 ； P ( & =4.83m ) = 20.0KN/m2对于冷灰斗两侧墙垂直面水冷壁（a
11、 =90。）P （&=4.83m ） = 36.2KN/m2 ； P（ &=4.83m ） = 6.4KN/m2 nt将上述荷载输入底部刚性梁计算模型，计算刚性梁的大小，根据支座反力，计算出灰渣荷载 在炉膛水冷壁四面墙上的分配。3.4灰渣荷载在炉膛上部四面墙的分配（重力方向）以下主要介绍大型锅炉中常见的几种底部刚性梁形式下，灰渣荷载在炉膛上部四面墙的 分配的情况。根据上述分析，灰渣荷载对冷灰斗水冷壁的作用力可分解为沿水冷壁法线方向 分量Pn和沿水冷壁切线方向P。Pn和Pt通过底部刚性梁及其附件传递到炉膛水冷壁四面 墙上。因此底部刚性梁的结构形式，决定着灰渣荷载的在四面墙上的分配。同时，冷灰斗前
12、 后水冷壁的刚度对灰渣荷载在炉膛四面墙的分配有着重要的影响，冷灰斗水冷壁切线方向的 刚度主要由水冷壁管墙自身和张力板或内框架梁提供，冷灰斗水冷壁法线方向的刚度主要由 底部刚性梁提供。并且假定张力板或内框架提供的冷灰斗水冷壁切线方向刚度和底部刚性梁 提供的冷灰斗法线方向刚度为无穷大。先根据上面例子，计算灰渣荷载作用在冷灰斗前后墙和两侧墙水冷壁的总荷载。Pt（前后=2x20.0KN/mz/2x（14.768mx 4.83/sin553） = 1742KNPn（前局=2x54.8KN/m2/2x（14.768tax4.83/sin55o）=4772KNP=2x j 4.83_6x& x （8.39
13、1.4 & ） xd =120 KN ； P（略）t（两侧）0 4.83&N（两侧）3.4.1螺旋管氓炉底部刚性梁（见图4）作用力Pt（前后）沿着前后墙张力板,依次通过链板、底部上刚性梁、底部垂直刚性梁等传P -递到上部垂直管墙或张力板。底部水平刚性梁两端与冷灰斗两侧墙连接，作用力N（前后）通过底部水平刚性梁传递到水冷壁侧墙，其垂直分量Pn（前后）xcos55通过管墙或张力板向上传递。前后墙灰渣荷载：PT（前后）xsin55=1742x0.819 = 1427KN两侧墙灰渣荷载：*两侧）+ Pn（前后严=120 + 4772x0.574=2859KN3.4.2螺旋管塔式炉底部刚性梁（见图5）作
14、用力Pn（前后）的水平分量Pn（前后）/sin55。依次通过底部内框架、链接杆、底部中间梁、 底部垂直刚性梁传递到底部上刚性梁和底部下刚性梁。沿冷灰斗前后墙斜面的作用力 （Pt（前后）*Pn（前后）*ctan55。），依次通过链板、底部上刚性梁、支撑钢管、吊杆传递到上部 水冷壁和张力板上，如底部上刚性梁和吊杆有一定量的变形，会使斜面部分作用力通过管墙 传递到两侧墙，因为此时两侧墙的刚度大于前后墙刚度。前后墙灰渣荷载：气（前后 + Pn（前后）.血疝5。加吊55。=（1742+ 4772x0.7）x0.819=4162KN两侧墙灰渣荷载：Pt（两侧）=120KN3.4.3垂直管氓炉底部刚性梁（见
15、图6）前后墙水平小梁两端同两侧墙炉外垂直管屏连接，将两侧荷载传递到锅炉两侧墙；中间部分 水平荷载通过底部框架传到倾斜垂直梁，最后通过水平支撑及垂直梁将水平荷载传递外部水 平刚性梁；中间垂直荷载PN1（前后）通过前后管墙上的耳板传递到上部垂直管墙上，最终 通过吊杆传至锅炉钢架顶板上。底部框架水平小梁外伸宽度仅为炉宽度的1/81/10，因此， 其向两侧水冷壁传递荷载大约也为前后墙总荷载的1/81/10，假定PT2（前后）=1/8*PT（前后）PN2（前后）=1/8*PN（前后）前后墙灰渣荷载：Pt1（前后）.sin55 + Pn1（前后）.cos55。=3645KN两侧墙灰渣荷载：Pt（两侧）+ Pt1（前后）面55。+ P前后）.cos55=641KNH4：藏轲默底部醐梁炉膛平线吊杆炉膛中心线Pm/sina康部内框架梁i部垂直刚髀底部上刚性梁L:支鞠管底部中间刚性梁图5：嫌管塔式炉底部刚性梁底部垂直脚炉膛中心线嬲龄灰斗斜面雌方向刚度4.灰渣荷载的统计与分配的通过对以上荷载数据的比较，可以看出灰载的最终分配绝大部分取决于底部刚性粱框架 的结构形式，关注支反力方向及节点形式，弄清荷载传递的走向，可以使对炉膛冷灰斗灰载 的分析尽可能接近真实的情况。以上数据的分析对于水
