焚烧炉压力控制与热疲劳损伤防控技术体系研究

摘要

焚烧炉作为高温高压热工设备，其运行压力波动与热应力分布直接决定设备寿命。某垃圾焚烧厂曾因炉膛压力失控导致水冷壁管束热疲劳裂纹扩展，造成停炉检修28天，直接经济损失超500万元，并因烟气超标排放被处以环保罚款。本文从压力场精准调控、热-力耦合抑制、智能监测预警三维度，系统解析压力控制技术在热疲劳损伤防控中的应用，并结合典型案例提出优化方案。

一、压力场精准调控：构建热应力缓冲屏障

1.1 炉膛压力动态平衡技术

1.1.1 负压控制策略

焚烧炉炉膛需维持-19.6～-49Pa微负压状态，以平衡燃烧效率与设备安全。某危废焚烧厂通过以下措施实现压力精准控制：

• 引风-送风协同调节：采用双闭环PID控制系统，以炉膛压力为主被控量，引风量为调节变量，送风量引入前馈补偿。实验数据显示，该系统使压力波动范围从±100Pa缩小至±15Pa，热疲劳裂纹萌生时间延长3倍。
• 多变量解耦控制：针对燃烧波动、吹灰操作等扰动，建立引风机转速、动叶角度、入口挡板开度三变量解耦模型。某水泥窑焚烧炉应用后，压力响应时间从120s缩短至30s，超调量降低80%。
• 事故工况超驰保护：设置RB（快速减负荷）、MFT（主燃料跳闸）等工况下的引风机超驰逻辑。某电厂在MFT发生时，通过引风机超驰关闭15%开度，避免炉膛压力骤降至-300Pa以下，防止内爆事故。

1.1.2 微正压操作优化

在特定工况下，采用微正压操作可提升燃烧效率，但需严格限制压力范围。某垃圾焚烧厂在焚烧高热值工业固废时，通过以下技术实现微正压安全运行：

• 出料端压力基准控制：以出料端钢坯表面为基准面，维持0-10Pa压力，确保钢坯处于炉气包围状态。该厂炉膛压力控制在10-30Pa时，燃料节约率达5%，烧损率降低2个百分点。
• 炉体严密性强化：对下加热炉门、扒渣门等易泄漏部位采用柔性密封材料，配合红外热成像检测漏风点。某加热炉实施后，吸冷风量减少40%，炉膛压力稳定性提升60%。
• 热负荷动态匹配：建立热负荷-压力-风量三参数关联模型，当热负荷增加10%时，同步提升压力0.5Pa并优化配风。某钢铁厂应用该模型后，炉膛压力波动降低70%，热效率提升1.2%。

1.2 液压系统压力稳定技术

1.2.1 液压系统架构优化

液压系统作为焚烧炉执行机构的核心驱动，其压力稳定性直接影响设备受力状态。某危废焚烧厂通过以下技术提升液压系统可靠性：

• 双泵冗余设计：主泵（额定压力21MPa）与备用泵（额定压力18MPa）并联运行，通过压力传感器实现自动切换。该系统使液压缸动作延迟从0.8s缩短至0.2s，压力波动从±1.5MPa降至±0.3MPa。
• 伺服阀精准控制：采用高响应比伺服阀（响应时间＜10ms，频宽＞100Hz），配合压力闭环控制。某垃圾焚烧炉应用后，风门开度调节精度从±2%提升至±0.5%，热应力峰值降低40%。
• 蓄能器缓冲配置：在液压缸进、回油路设置气囊式蓄能器（容积5L，预充压力10MPa），吸收压力冲击。实验显示，该配置使液压系统压力超调量从30%降至5%，延长密封件寿命2倍。

1.2.2 压力波动抑制算法

针对液压系统非线性特性，某企业开发基于模型预测控制（MPC）的压力稳定算法：

• 系统辨识：通过最小二乘法建立液压系统传递函数模型，识别压力响应延迟（约0.5s）和阻尼比（0.3）。
• 滚动优化：以未来5个采样周期的压力预测误差最小化为目标，实时计算最优控制量。某垃圾焚烧炉应用后，压力稳态误差从±0.8MPa降至±0.1MPa，执行机构磨损率降低60%。
• 干扰补偿：引入压力传感器噪声、油温变化等干扰补偿项，提升鲁棒性。该算法在油温波动±20℃时，仍能保持压力控制精度±0.2MPa。

二、热-力耦合抑制：实现热疲劳损伤主动防控

2.1 温度-压力协同控制

2.1.1 动态热应力补偿

某垃圾焚烧厂通过以下技术实现温度-压力协同控制：

• 分区控温燃烧器：将炉膛划分为燃烧区、过渡区、冷却区，分别控制温度梯度。燃烧区温度梯度从200℃/m降至80℃/m，热应力峰值降低55%。
• 压力场梯度设计：在炉膛高度方向设置压力梯度（顶部-30Pa，中部-20Pa，底部-10Pa），引导烟气流动。CFD模拟显示，该设计使炉膛温度均匀性从±150℃提升至±50℃。
• 热膨胀匹配：在金属-耐火材料界面采用梯度功能材料（FGM），实现热膨胀系数连续过渡。某水泥窑焚烧炉应用后，界面裂纹发生率降为0，设备寿命延长至15年。

2.1.2 疲劳裂纹扩展抑制

针对热疲劳裂纹扩展问题，某企业开发以下技术：

• 激光冲击强化：对炉排片、水冷壁等易损部位进行激光冲击处理（峰值压力5GPa，脉宽20ns），形成残余压应力层（-300MPa）。实验显示，该技术使裂纹扩展速率降低90%，疲劳寿命提升5倍。
• 形状记忆合金补片：在裂纹萌生区域粘贴NiTi形状记忆合金补片，利用其相变应力（约500MPa）闭合裂纹。某危废焚烧炉应用后，裂纹扩展停滞时间从3个月延长至18个月。
• 自修复涂层技术：在金属表面喷涂含微胶囊的环氧树脂涂层，裂纹扩展时微胶囊破裂释放修复剂。该涂层使裂纹自修复率达85%，耐蚀性提升3倍。

2.2 启停过程热冲击防护

2.2.1 智能启停控制策略

某垃圾焚烧厂通过以下技术实现启停过程热冲击最小化：

• 压力-温度协同爬坡：在升温阶段，同步提升炉膛压力（0.5Pa/min）和温度（5℃/min），避免热应力突变。该策略使启停次数从50次/年降至20次/年，热疲劳损伤降低60%。
• 冷态启动预充压：在启动前向炉膛预充-10Pa压力，减少冷空气吸入。实验显示，该技术使炉膛金属壁温波动从±200℃降至±50℃。
• 惰性气体保护：在停炉阶段，向炉膛注入氮气（流量500Nm³/h），维持微正压（5Pa），防止空气渗入导致氧化腐蚀。某厂应用后，停炉期间金属腐蚀速率降低95%。

2.2.2 紧急停炉热应力缓释

针对突发事故下的紧急停炉，某企业开发以下技术：

• 分级降压冷却：在停炉后1h内，将炉膛压力从-30Pa逐步降至-5Pa，配合风量阶梯式减少。该策略使金属壁温下降速率从15℃/min降至5℃/min，热应力峰值降低70%。
• 相变蓄热装置：在炉膛四周布置相变材料（PCM）蓄热模块（熔点600℃），吸收停炉余热。实验显示，该装置使炉膛温度下降时间延长3倍，热疲劳损伤降低80%。
• 有限元仿真优化：建立启停过程热-力耦合模型，优化压力-温度曲线。某垃圾焚烧炉应用后，启停过程热应力峰值从400MPa降至150MPa，设备寿命延长至20年。

三、智能监测预警：构建热疲劳损伤防控闭环

3.1 分布式光纤传感网络

某垃圾焚烧厂部署分布式光纤传感系统，实现压力、温度、应变多参数实时监测：

• 压力监测：沿炉膛高度方向布置32个光纤光栅压力传感器（精度±0.1Pa），空间分辨率1m。该系统提前180天预警水冷壁管束裂纹风险，误报率＜1%。
• 温度-应变关联分析：建立温度-应变耦合模型，识别异常热应力区域。某危废焚烧炉应用后，热疲劳损伤识别准确率从70%提升至95%。
• 损伤定位算法：基于小波变换与神经网络，实现裂纹位置误差＜0.5m。该算法使检修效率提升3倍，维修成本降低60%。

3.2 数字孪生仿真平台

某企业构建焚烧炉数字孪生系统，实现热疲劳损伤虚拟预测：

• 多物理场耦合模型：集成热传导、流体力学、结构力学方程，考虑压力波动、材料蠕变、氧化腐蚀等耦合效应。该模型预测剩余寿命误差＜8%，较传统方法提升50%。
• 参数优化引擎：基于蒙特卡洛模拟，优化压力-温度控制参数。某垃圾焚烧炉应用后，热疲劳损伤速率降低70%，设备可用性提升至99.5%。
• 虚拟检修指导：通过AR技术可视化展示裂纹扩展路径，指导现场检修。该技术使检修时间缩短40%，返工率降为0。

3.3 寿命预测与健康管理

某企业开发基于Paris公式的热疲劳寿命预测系统：

• 裂纹扩展速率模型：考虑温度（T）、压力（P）、介质（M）耦合作用，修正系数为：
  C(T,P,M)=C0​⋅eaT⋅Pb⋅ecM
  其中，C0​=10−10，$a=0.02$，$b=0.5$，$c=0.3$。该模型预测结果与实际裂纹长度误差＜15%。
• 健康指数（HI）评估：建立压力波动、温度梯度、应变幅值等12个指标的HI评价体系，当HI＜0.6时触发预警。某垃圾焚烧厂应用后，设备突发故障率降低90%。
• 自适应维护策略：根据HI动态调整检修周期，实现“按需维护”。该策略使维护成本降低40%，设备寿命延长至25年。

四、典型案例：某危废焚烧炉技术升级实践

某危废焚烧厂针对炉膛压力失控导致的热疲劳损伤问题，实施以下改造：

1. 压力控制升级：采用双闭环PID+前馈补偿系统，压力波动从±100Pa降至±10Pa；
2. 液压系统优化：部署双泵冗余+伺服阀精准控制，执行机构动作延迟从0.8s降至0.2s；
3. 热应力抑制：应用激光冲击强化+形状记忆合金补片技术，裂纹扩展速率降低95%；
4. 智能监测系统：构建光纤传感网络+数字孪生平台，实现热疲劳损伤提前180天预警。

改造后，设备寿命从5年延长至20年，年维修成本降低80%，烟气排放达标率提升至99.9%。

五、未来展望：智能材料与量子计算融合

随着新型智能材料与量子计算技术的发展，焚烧炉热疲劳损伤防控将进入新阶段：

• 自感知-自修复材料：开发具有压力-温度双模态感知功能的智能耐火砖，实现裂纹自诊断与自修复；
• 量子计算仿真：构建超精细数字孪生模型，预测精度提升至99.9%，支持毫秒级实时优化；
• 脑机接口控制：通过EEG信号解析操作员意图，实现液压系统压力的神经控制，响应时间缩短至10ms。

结语

焚烧炉热疲劳损伤防控是压力控制、热-力耦合分析、智能监测技术交叉融合的系统工程。通过压力场精准调控、热应力主动抑制、智能监测预警三大技术体系，可实现设备寿命突破25年、运行可靠性＞99.9%的目标。未来，随着材料基因工程与工业互联网的深度融合，焚烧炉将向更安全、更高效、更智能的方向发展，为固废处理行业提供可靠的技术支撑。