探析分軸式聯(lián)合循環(huán)冷態(tài)啟動時余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差控制措施

徐振誼+王登銀+楊翔勝

摘 要： 本文針對三菱M701F4型燃機“一拖一”分軸式聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組于冷態(tài)啟動過程中余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差大問題，在原因剖析的基礎上，提出解決的方案和防范的措施，以供大家一同探討。

關鍵詞： 聯(lián)合循環(huán)；壁溫差；解決；防范

某電廠建設的三菱M701F4型燃機“一拖一”分軸式聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，即一臺燃氣輪機發(fā)電機組排氣給一臺余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽帶動一臺汽輪發(fā)電機組。余熱鍋爐采用東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)，型號為BHDB-M701F4-Q1的三壓、再熱、無補燃、自然循環(huán)、臥式爐型余熱鍋爐。自投產(chǎn)以來，在冷態(tài)啟動過程中，余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差達80℃，嚴重影響了余熱鍋爐的安全運行和使用壽命。對此類大型燃機“一拖一”多軸聯(lián)合循環(huán)機組啟動過程中余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差大的問題進行梳理及分析，對今后的同類型機組的運行具有一定的借鑒意義。

純凝工況下，高壓蒸汽壓力11.17MPa，高壓蒸汽溫度568℃，高壓蒸汽流量308.4t/h；供熱工況下，高壓蒸汽壓力11.10MPa，高壓蒸汽溫度567.7℃，高壓蒸汽流量309.1t/h。余熱鍋爐所有受熱面均為螺旋開齒帶折角鰭片管，垂直布置于換熱室內(nèi)，受熱面管上、 下兩端分別設有上集箱與下集箱，每個集箱上有兩個吊點將該管束的荷載傳遞到爐頂鋼架上。

1冷態(tài)啟動時余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差大原因

機組冷態(tài)啟動時，燃機啟動點火后，燃機排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐，隨著余熱鍋爐汽包壓力升高，爐水和蒸汽的溫度也隨之升高。汽包的下半部被爐水加熱，而上半部被蒸汽加熱。雖然爐水和蒸汽的溫度在升壓過程中基本相同，但是由于蒸汽和爐水對汽包上下壁的放熱系數(shù)不同，使得汽包上下壁溫度升高的快慢不一樣。飽和蒸汽遇到溫度較低的汽包上壁，凝結(jié)成水，放出潛熱，這種放熱屬于凝結(jié)放熱，其放熱系統(tǒng)約為7000w/（m2.℃）。爐水對汽包下半部的傳熱，在升壓初期水循環(huán)還沒有完全建立時，屬于自然對流，其放熱系統(tǒng)只有凝結(jié)放熱的1/4-1/3。在升壓中，汽包上半部的壁溫高于下半部的壁溫，這樣汽包上下壁形成了溫差。

另外，汽包升壓速度越快，飽和溫度升高也越快，產(chǎn)生的壁溫差就越大。而在汽包升壓初期，由于水蒸汽的飽和溫度在壓力較低時對壓力的變化率較大，壓力小幅度升高，但蒸汽的飽和溫度大幅度升高。

燃機排出的高溫煙氣流程如下：

燃氣輪機排氣→進口過渡煙道→余熱鍋爐入口煙道→二級再熱器→高壓二級過熱器→一級再熱器→高壓一級過熱器→高壓蒸發(fā)器→預留脫硝模塊空間→高壓三級省煤器→中壓過熱器→中壓蒸發(fā)器→中壓二級省煤器→低壓過熱器→高壓二級省煤器→中壓一級省煤器→高壓一級省煤器→低壓蒸發(fā)器→低壓省煤器→出口煙道→煙囪→排向大氣。

由煙氣流程可知，燃機高溫煙氣首先流經(jīng)高壓蒸發(fā)器管道。由于在燃機升速過程中，升速速率由程序設定，天然氣流量不斷增加，排氣溫度也逐漸升高310℃。在燃機達到額定轉(zhuǎn)速3000rpm后，為了機組運行的經(jīng)濟性，一般會立即進行燃機發(fā)電機并網(wǎng)。燃機并網(wǎng)帶初始負荷15MW，排氣溫度達到345℃，高壓汽包上壁溫度升高較快，從而導致高壓汽包容易出現(xiàn)上下壁溫差大的情況。

2. 汽包上下壁溫差大的危害

余熱鍋爐冷態(tài)啟動是指當高、中、低壓汽包飽和溫度小于 100℃時啟動。冷態(tài)啟動時，在升壓過程，高壓汽包汽包上下壁溫差較大。上部壁溫高，有膨脹的趨勢，但是由于下半部壁溫低，阻止了上半部膨脹，上半部汽包壁承受壓應力，而下半部在上半部膨脹的影響下被拉伸，而承受拉伸應力，汽包將會產(chǎn)生向上拱起的變形，這種變形稱為香蕉變形，形成較大的熱應力。上下溫差越大，則應力也越大。其機械和熱力的綜合應力在局部的峰值很大，可能接近甚至超過汽包材料極限值，使汽包產(chǎn)生疲勞損傷、使用壽命縮短。

目前我國各電廠運行規(guī)程中都明確規(guī)定鍋爐運行過程中汽包上下壁溫差不能超過50℃。

3.冷態(tài)啟動時鍋爐汽包上下壁溫差措施

3.1提高低壓汽包水溫

本機組余熱鍋爐高壓給水來自于低壓汽包。低壓汽包設置了加熱器。在機組冷態(tài)啟動時，鍋爐完成上水后，提前兩小時投入低壓汽包底部加熱，利用輔汽將低壓汽包爐水加熱到90℃左右。從而在高壓汽包升溫初期，需要補水時，能夠提供溫度較高的給水，避免由于補給常溫水導致高壓汽包下半部壁溫降低，上下壁溫差進一步增大。

3.2投入高壓蒸發(fā)器底部加熱

鍋爐上水完畢后，先利用輔助蒸汽加熱對高壓汽包爐水進行加熱至100℃左右。再啟動機組，可以有效減小高壓汽包上下壁溫差，降低啟動時的熱應力，延長汽包壽命。為保證高壓汽包上下壁溫差比較小，高壓汽包應上水至高水位。

3.3控制燃機負荷

在燃機并網(wǎng)后，保持燃機帶初始負荷15MW，避免燃機負荷上升導致排氣溫度快速升高。待高壓汽包上下壁溫差下降至50℃以下，再提高燃機負荷。

3.4保持高壓汽包水位在較高位置

通過適當提高高壓汽包水位，可以減緩上下壁溫差增大的趨勢。一般高壓汽包水位可以控制在100mm。這時需密切關注水位變化，避免由于高壓汽包水位高而導致跳閘。

3.5加強高壓蒸發(fā)器定排

通過加強高壓蒸發(fā)器定排，既可以促進水循環(huán)，同時使受熱面受熱均勻，減少上下壁溫差。

3.6降低高壓汽包升壓速率

降低高壓汽包壓力升壓速率，即降低了汽包上半部蒸汽飽和溫度上升速率，從而控制汽包上半部壁溫上升速率，控制汽包上下壁溫差增大趨勢。根據(jù)廠家說明書，飽和溫度的上升速率限制高壓汽包低于 5℃ /分鐘。通過試驗，總結(jié)出如下措施：

（1）燃機轉(zhuǎn)速為2500rpm左右，高壓汽包開始起壓，立即打開高壓過熱器排空閥，不但可以將汽包內(nèi)空氣排出，以免打開過熱蒸汽電動閥時對汽機真空造成影響，而且降低高壓汽包升壓速率。待高壓汽包上下壁溫差穩(wěn)定后再關閉排空閥。

（2）當高壓汽包壓力升至0.3MPa時，打開高壓過熱蒸汽電動閥、高壓旁路閥，利用高壓旁路蒸汽，對再熱器進行暖管。待再熱器壓力達到0.1MPa，再打開再熱器出口排空閥。待冷再管道壓力上升至0.3MPa時，關閉再熱器出口排空閥后再打開中壓旁路閥。中壓旁路閥、高壓旁路閥配合，手動慢慢打開，將高壓汽包蒸汽通過高壓旁路、再熱器，由中壓旁路排入凝汽器，控制高壓汽包升壓速率。根據(jù)經(jīng)驗，高壓旁路閥基本要開至80%左右，中壓旁路閥基本要開至60%左右。需注意的是，凝汽器由于較大量的蒸汽進入，可能本體疏水擴容器溫度會升高，及時投入減溫水，并啟動開式循環(huán)水機力通風冷卻塔，維持凝汽器真空。

通過這種逐級排空的方式，排盡空氣避免影響真空的同時，也盡可能大的降低高壓汽包升壓速度，降低上下壁溫差。

4 結(jié)束語

控制冷態(tài)啟動高壓汽包上下壁溫差需要多措并舉。運行人員要嚴格按照規(guī)程、操作票進行操作，不斷進行總結(jié)，提高操作水平。在高壓汽包起壓時就要及時采取措施，否則到汽包上下壁溫差達到報警值再采取措施，效果就比較差。同時，加強管理，加大運行人員技術(shù)培訓，尤其是通過仿真機訓練機組冷態(tài)啟動操作，認真貫徹行之有效的措施，就能控制好冷態(tài)啟動時高壓汽包上下壁溫差?！?/p>

參考文獻

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[2]葉江明.電廠鍋爐原理及設備[M].北京：中國電力出版社，2004.