關(guān)于“汽包啟動(dòng)過程分析與控制措施”的討論

侯陽

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830013）

1 汽包啟動(dòng)過程分析及控制措施

1.1 汽包概述

汽包是鍋爐中體積最大、壁最厚的承壓元件，以新疆眾和股份有限公司熱電公司150MW機(jī)組鍋爐為例，汽包在最大連續(xù)負(fù)荷下工作壓力為15.2MPa(g)，最高設(shè)計(jì)壓力為15.89MPa(g)。汽包內(nèi)徑為1600 mm、壁厚95mm、筒身直段長(zhǎng)度17400mm，汽包全長(zhǎng)19210mm。汽包的主要作用有4個(gè)：

⑴連接。汽包將水冷壁、下降管、過熱器及省煤器等各種直徑不同、根數(shù)不同、用途不同的管子有機(jī)的連接在一起，起到了一個(gè)大聯(lián)箱的作用。

⑵汽水分離。將由水冷壁蒸發(fā)受熱面來的汽水混合物，經(jīng)汽包內(nèi)的汽水分離裝置分離出來，進(jìn)入過熱器。

⑶儲(chǔ)水。汽包是一較大的汽水分離容器，它的下半部貯存了一定容量的水，在鍋爐運(yùn)行中可以對(duì)給水流量變化起到緩沖作用，所以允許給水流量短時(shí)間內(nèi)的少量波動(dòng)，增加了鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)汽包中貯存的水還起到了緩沖壓力波動(dòng)的作用，當(dāng)壓力升高時(shí)，因?qū)?yīng)飽和溫度升高，汽包中的水貯存了一部分熱量，從而使壓力升高較緩慢；當(dāng)壓力降低時(shí)，對(duì)應(yīng)飽和溫度降低，汽包中的水釋放了一部分熱量，使壓力降低較緩慢。

⑷汽包中的連續(xù)排污裝置、清洗裝置能保持蒸汽品質(zhì)，加藥裝置能進(jìn)行汽包內(nèi)處理，防止蒸發(fā)受熱面結(jié)垢。

汽包內(nèi)具有大量高壓的飽和水和飽和蒸汽，其破裂而引起爆炸將是一種災(zāi)難性的事故。同時(shí)，汽包在自然循環(huán)鍋爐中地位重要，更換困難，若發(fā)生損壞，將會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，本章將會(huì)對(duì)在鍋爐啟動(dòng)過程中汽包所出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。

1.2 汽包啟動(dòng)應(yīng)力分析

汽包啟動(dòng)應(yīng)力是指鍋爐啟動(dòng)過程中汽包壁的應(yīng)力。它主要由工質(zhì)壓力引起的機(jī)械應(yīng)力、汽包壁溫度不均引起的熱應(yīng)力以及汽包與內(nèi)部介質(zhì)重力等引起的附加應(yīng)力組成。汽包壁應(yīng)力可分為主體膜應(yīng)力和峰值應(yīng)力兩種。

峰值應(yīng)力是汽包壁的局部應(yīng)力，由汽包壁溫度不均勻及結(jié)構(gòu)等原因引起，它比主體膜應(yīng)力大2～4倍。峰值應(yīng)力使汽包壁局部材料屈服，引起應(yīng)力再分配，最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限，在靜態(tài)時(shí)不構(gòu)成破壞。但是，對(duì)波動(dòng)的峰值應(yīng)力，到了一定的波動(dòng)次數(shù)后，材料就會(huì)脆性破壞。

1.3 汽包機(jī)械應(yīng)力

汽包的機(jī)械應(yīng)力是指由汽包內(nèi)的工質(zhì)壓力引起的金屬應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力在任意點(diǎn)的三個(gè)方向均為拉應(yīng)力，且均與汽包內(nèi)壓力成正比。隨著汽壓的升高，汽包機(jī)械應(yīng)力將會(huì)越來越大。

汽包的內(nèi)、外直徑之比都在0.85左右，屬薄壁容器。薄壁容器在內(nèi)壓力的作用下只是向外擴(kuò)張而無其他變形。故汽包的縱橫斷面上只有正應(yīng)力而無剪應(yīng)力。汽包壁任一點(diǎn)有3個(gè)方向的應(yīng)力，即沿圓筒切線方向的切向應(yīng)力、沿圓筒軸線方向的軸向應(yīng)力和沿圓筒直徑方向的徑向應(yīng)力。

同時(shí)，汽包由焊接而制成，并在壁上開有很多小孔，從而使汽包壁的應(yīng)力增大了許多。

1.4 鍋爐啟動(dòng)過程中汽包的熱應(yīng)力

鍋爐啟動(dòng)過程中工質(zhì)溫度逐漸升高，汽包被加熱，在汽包的上半部分飽和蒸汽對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行凝結(jié)放熱，在下半部分鍋水對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行對(duì)流放熱，凝結(jié)放熱系數(shù)比對(duì)流放熱系數(shù)大2～3倍，故汽包上壁溫升高于下壁溫升。汽包溫度較高的部位金屬膨脹量大、溫度較低的部位金屬膨脹量小。但汽包是一個(gè)整體，其各部分之間無相對(duì)位移的自由，因而汽包內(nèi)壁受到壓縮、外壁受到拉伸，汽包上壁受到壓縮、下壁受到拉伸。汽包被壓縮的部分產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力、被拉伸的部分產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力。

熱應(yīng)力又稱溫差應(yīng)力，是由于不同部位金屬在不同溫度下其體積變化受到限制而產(chǎn)生的應(yīng)力。汽包啟動(dòng)熱應(yīng)力主要是由汽包的上、下壁溫差和內(nèi)、外壁溫差引起的。

1.5 啟停過程中汽包壁的溫差監(jiān)視

為了保護(hù)汽包，在整個(gè)鍋爐啟動(dòng)過程中必須不斷監(jiān)視汽包上下壁溫差以及內(nèi)外壁溫差。為此，在大型鍋爐的汽包壁上，安裝有若干組溫度測(cè)點(diǎn)，以集中下降管外壁溫度代替汽包下部的內(nèi)壁溫度。在監(jiān)護(hù)和控制溫差時(shí)，按以下方法計(jì)算壁溫差：以最大的引出管外壁溫度減去汽包上部外壁最小溫度，差值就是汽包上部?jī)?nèi)外壁的最大溫差；若減去汽包下集中下降管外壁最小溫度，差值就是汽包上下內(nèi)壁最大差值；同理，也可計(jì)算得到汽包下部?jī)?nèi)外壁溫差。有的鍋爐還引入汽包的壓力等數(shù)據(jù)對(duì)上述計(jì)算進(jìn)行修正。以前，國(guó)內(nèi)機(jī)組對(duì)汽包上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差啟動(dòng)中的最大允許值，均控制在50℃以內(nèi)，這個(gè)限制主要是鑒于對(duì)啟動(dòng)過程中汽包金屬的溫度分布規(guī)律還不能充分掌握，所以理論上對(duì)它的熱應(yīng)力尚不能精確的計(jì)算，同時(shí)，也考慮到損傷汽包的嚴(yán)重性。實(shí)踐證明，溫差只要在此范圍內(nèi)，產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力不會(huì)造成汽包損壞，是偏于安全的。

1.6 鍋爐啟動(dòng)過程中的汽包應(yīng)力控制

在鍋爐的啟動(dòng)過程中，機(jī)械應(yīng)力隨氣壓上升而增大，逐漸成為汽包應(yīng)力的主要部分，汽包熱應(yīng)力則隨氣壓上升而逐漸減小，并且它只與汽包壁溫差有關(guān)。在汽包內(nèi)壁，內(nèi)壁溫差引起壓應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力相抵消，汽包外壁引起拉應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力正向疊加。如果沒有孔邊應(yīng)力集中，則外壁拉應(yīng)力將成為最大的峰值應(yīng)力。但若汽包溫差過大，則最大峰值應(yīng)力亦可能在外壁某一點(diǎn)達(dá)到。從低周疲勞角度分析，啟動(dòng)初期，飽和溫升率是影響循環(huán)過程中谷值應(yīng)力的主要因素，降低谷值應(yīng)力水平則可有效減小啟動(dòng)過程中的交變應(yīng)力幅值，從而減小啟動(dòng)過程中的疲勞壽命損耗率。隨著壓力的升高，當(dāng)機(jī)械應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位后，則可適當(dāng)采用較高的溫升速率。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)以后，鍋爐的啟動(dòng)速度還要受到汽輪機(jī)運(yùn)行方式的限制，升壓過程主要是控制過熱汽溫的升溫速率，而啟動(dòng)熱應(yīng)力所允許的壁溫差通常是自然滿足的。

汽包啟動(dòng)應(yīng)力控制的重要標(biāo)志是汽包的上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差。在實(shí)際操作中，是以控制壓力的變化率作為控制壁溫差的基本手段的。在鍋爐啟動(dòng)過程中防止汽包壁溫差過大的措施有：

⑴啟動(dòng)中嚴(yán)格控制升壓速度，尤其是低壓階段的升壓速度應(yīng)該力求緩慢。這是防止汽包壁溫差過大的根本措施。為此，升壓過程應(yīng)嚴(yán)格按給定的鍋爐曲線進(jìn)行，若發(fā)現(xiàn)汽包壁溫差過大，應(yīng)減慢升壓速度或暫停升壓。

控制升壓速度的主要手段是控制燃燒率，此外，還可以加大向空排汽量或改變旁路系統(tǒng)的通汽量進(jìn)行升壓過程的控制。

⑵盡快的建立正常的水循環(huán)。水循環(huán)越強(qiáng)，上升管出口的汽水混合就會(huì)物以更大的流速進(jìn)入并擾動(dòng)水空間，使水對(duì)汽包下壁的放熱系數(shù)提高，從而減小上下壁溫差。因此，能否盡早建立起正常的水循環(huán)，不僅影響水冷壁工作的安全性，而且也直接影響到汽包上下壁溫差的大小。

⑶初投燃料量不能太少，爐內(nèi)燃燒、傳熱應(yīng)均勻。初投燃料量太少，水冷壁產(chǎn)汽量少，水流動(dòng)慢，流量偏差大，且爐內(nèi)火焰不易充滿爐膛，有可能使部分水冷壁處于無循環(huán)或弱循環(huán)狀態(tài)，與這部分水冷壁相對(duì)應(yīng)的汽包長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)的上下壁溫差增大。因此保持均勻火焰是啟動(dòng)燃燒調(diào)整的重要任務(wù)。初投燃料量與控制升壓速度的矛盾，可以通過開大旁路系統(tǒng)調(diào)門的方法解決。

⑷進(jìn)水時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)水參數(shù)。一般控制進(jìn)水溫度與汽包溫度之差不大于90℃，進(jìn)水時(shí)間冬季不少于4h，夏季不少于2h（進(jìn)水速度也影響壁溫差）。啟動(dòng)時(shí)適當(dāng)將汽包水位維持在較高水平，對(duì)控制汽包壁溫差也有一定的作用。進(jìn)水參數(shù)控制主要用于降低循環(huán)的谷值應(yīng)力。

2 結(jié)論

我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭資源相對(duì)較豐富，煤種特性變化范圍很大。根據(jù)我國(guó)的能源政策，火力發(fā)電廠多以燃煤為主，為保證國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，提高燃煤的能量轉(zhuǎn)換效率和低的污染物排放率，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，大型超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組日益成為我國(guó)火力發(fā)電廠的主力機(jī)組。但機(jī)組容量和參數(shù)的提高也對(duì)鍋爐的安全啟動(dòng)提出了新的要求，大型電站鍋爐啟動(dòng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性成為了關(guān)鍵技術(shù)。

通過對(duì)汽包鍋爐啟動(dòng)過程出現(xiàn)問題的分析研究，得出了以下結(jié)論：

⑴通過對(duì)汽包啟動(dòng)溫差和啟動(dòng)應(yīng)力的分析，得出控制汽包應(yīng)力的主要是要控制汽包的上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差。

⑵實(shí)際操作中要嚴(yán)格控制升壓速度和進(jìn)水參數(shù)，盡快建立正常的水循環(huán)，并且爐內(nèi)燃燒傳熱應(yīng)均勻。

[1]國(guó)電發(fā)[2000]589號(hào)，防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[S].

[2]DL/T2009.火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[S].

[3]《火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)》編委會(huì).火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[4]侯陽,等.新疆眾和股份有限公司熱電公司鍋爐運(yùn)行規(guī)程.2012.

[5]蔡棟源,等.新疆眾和股份有限公司熱電公司鍋爐檢修規(guī)程.2012.