（首钢京唐钢铁联合有限责任公司河北唐山063200）
摘要:针对电站锅炉在启、停炉过程中汽包壁温差产生的原因及危害进行了分析,提出了控制汽包壁温差的措施,保证锅炉汽包的安全运行。
关键词:锅炉;汽包;温差;控制
引言
首钢京唐钢铁联合有限责任公司电厂2×300MW火力发电机组锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用四角切圆燃烧方式，平衡通风，固态排渣，露天布置，全钢构架。设计燃料为烟煤，具有同时掺烧0~30%（热量百分比，掺烧比例设计为20%）高炉煤气及0~35000Nm3/h焦炉煤气的能力。锅炉汽包内径Φ1778mm，壁厚145mm，筒身长度18000mm,总长20143mm，锅筒总重147吨。汽包用DIWA353钢材料制成。汽包筒身顶部装焊有饱和蒸汽引出管座，放气阀管座，辅助蒸汽管座，两侧装焊有汽水混合物引入管座，筒身底部装焊有大直径下降管座及给水管座及紧急放水管座，封头上装有人孔，安全阀管座，加药管座，连续排污管座，二对就地水位表管座，三对单室平衡容器管座，一对电接点水位指示器管座等。在安装现场不能在锅筒筒身上进行焊接。
由于锅炉启动的过程是一个不稳定的过程,工况变动很复杂,各部件工作压力和温度随时在变化,金属部件可能受到很大的热应力。汽包是锅炉的重要组件,在使用中如果操作或维护不当,会使其上下壁、内外壁产生过大的温差和热应力。其机械应力和热应力的综合应力在局部区域的峰值可能接近或超过汽包金属的屈服强度,汽包壁容易形成裂纹,扩展到一定程度时会造成汽包损坏。
1汽包壁温差产生的原因
从生产实践可知,锅炉在启动和停炉过程中,汽包壁内的温度场和传热条件不断变化。汽包的上、下壁和内、外壁总是存在温差。产生温差的原因主要有以下几个。
①锅炉启动前上水。进入锅炉的水都具有一定的温度,同时无论哪种上水方式,水进入汽包后总是汽包下半部而且是内壁先受热。这样,汽包上部与下部、内壁与外壁之间就必然存在温差。上水温度越高、速度越快,温差就越大。
②锅炉升压初期汽包壁受热不均匀。升压初期水循环尚不正常,汽包中的水流动很慢,汽包的上部和蒸汽接触,由于金属温度低,就在汽包上部壁面上发生蒸汽的凝结放热;而汽包的下部同水接触,在下部壁面上也发生水对金属的接触放热。但由于蒸汽进行凝结放热时放热系数要比水的放热系数大2~3倍,所以上半部的汽包壁的受热要比下半部的汽包壁的受热剧烈得多,使上半部的温升快,造成汽包上、下壁温差,当升压速度越快时,温差越大。
③大容量锅炉的汽包很长而且壁厚。由于传热缓慢,必然造成沿汽包长度和截面的温度有差别,汽包内的水和蒸汽的温度是随汽压而变化的,汽压上升,饱和温度也升高,同时水和蒸汽接触的汽包内壁,其温度接近于饱和温度;但外壁温度的升高则受到金属导热的限制,造成内外壁之间温差。在汽包内的工质温度达到额定压力下的饱和温度的过程中,这一温差始终是存在的,其大小与升压速度有关,升压越快,饱和温度的升高速度越快,汽包内外壁的温差也就越大。
④省煤器再循环门不严密。在启动过程中向锅炉上水时(此时再循环门应关闭),一部分低温给水就不经过省煤器直接进入汽包,因而引起汽包壁产生温差。
⑤在停炉降压冷却过程中,也有很多因素使汽包上部壁温高、下部壁温低。在停炉过程中,水侧工质温度接近于饱和温度,而汽侧工质过热而使温度高于饱和温度。而且汽包壁厚较大,加上表面有良好的保温层,汽包具有较大的蓄热能力。由于汽包向周围介质散热很少,所以停炉过程中汽包的冷却主要依靠水循环。当汽包内介质的压力及相应的饱和温度逐渐降低时,汽包金属对工质放热,由于上部金属对蒸汽的放热系数小于下部金属对水的放热系数,从而使上部温度高于下部温度。降压速度越快,汽包下部温度下降越快,而上部壁温相对下降较慢,造成上下壁温差大。停炉过程中没控制好汽包水位,频繁地向汽包补入温度较低的水,使上下壁温差进一步增大。“四管”爆漏的事故处理中,由于降压速度快,同时又不断地大量补水维持汽包水位,造成上、下壁温差过大。在规程中,为使炉内的水蒸气排走,规定爆管时不关烟道挡板(或引风机挡板),运行人员没有把好尺度,甚至让挡板一直开着,使炉内温度迅速下降,以至汽包壁温度进一步加大。
2汽包壁温差过大的危害
在锅炉启动开始阶段,蒸发区的水循环尚不正常,汽包里的水流动很慢或局部停滞,对汽包壁的放热率很小,故汽包下部金属温度升高不多。汽包上部与饱和温度接触,蒸汽对金属冷凝放热,放热率比汽包下部大几倍,故汽包上部金属温度较高。这种上、下温差将使汽包趋向于拱背状的变形。与汽包连接的很多管束也必然产生热应力。上部金属受轴向压应力,下部金属受轴向拉应力。在启动过程中,汽包金属从工质吸收热量,温度逐渐升高,并不断通过保温层向外散热。因此汽包壁的内壁温度较高,外壁的温度较低。内表面承受压应力,外表面承受拉应力。汽包的上下温差和筒壁金属的内外温差愈大,相应的热应力也愈大。这些温差的大小在很大程度上决定于汽包内的升温升压速度,速度愈大则温差愈大。锅炉在启动、停炉过程中,如果经常出现汽包壁温差过大致使热应力过大,再加上其他因素的影响(如高机械应力、高碱度炉水的侵蚀作用等),最终将可能使汽包损坏(如产生裂纹等),其后果是严重的。因此,对于启、停炉过程中的汽包的安全问题应当予以足够的重视。
3汽包热应力的计算及对汽包寿命的影响
3.1上下壁温差产生的热应力
汽包上下壁温差引起的热应力主要是轴向应力,切向和径向应力与之相比约低一个数量级,故可忽略不计。汽包上部壁温高,金属膨胀量大;下部壁温低,金属膨胀量相对较小。这样就造成上部金属膨胀受到限制,上部产生压缩应力,下部产生拉伸应力。热应力与温差成正比,汽包上下壁温差越大,产生的热应力越大。
3.2内外壁温差产生的热应力
汽包内外壁温差的形成主要是在升温过程,介质不断地对汽包内壁加快,内壁温升快,外壁温升慢,造成内外壁存在温差,使内壁产生内缩应力,外壁产生拉伸应力。文献[1]指出,内外壁温差产生的热应力主要是轴向和切向热应力,而且轴向与切向热应力大小相当,控制汽包内外壁热应力的关键是控制升温速度。
3.3热应力的计算
汽包温度场变化有3种情况:稳定温度场、匀速变化的准稳定温度场和温度快速变化的非稳态温度场。在稳态工况下,汽包外壁的保温层使汽包金属外壁近乎处于绝热条件下,此项热应力可不计。负荷变动时,开始时汽包内外壁面金属温度的变化速度不同,经短时间的过渡期,温度变化速度恒定,内外壁温差大体不变化,形成一种准稳态工况。过渡期内任意一瞬态,内外壁温差均小于准稳态时的温差。对于非稳态温度场,则可取一段时间的平均变化速度按准稳态温度场作简化计算。
3.4应力对汽包寿命的影响
①材料在接近塑性变形或局部塑性变形下长期工作,材质变坏,抗腐蚀能力下降,还可能引起应力腐蚀。
②在锅炉启动、停运及变负荷过程中,汽包应力发生周期性变化,将引起疲劳损坏。在长期的交变应力的作用下,汽包壁形成裂纹,扩展到一定程度时汽包会破坏。
③汽包应力峰值超过屈服强度的数值越大,塑性变形区越大(见图1),达到低周疲劳破坏的循环周数越少,应力每循环一次的寿命损耗增大。
4控制措施
①采用滑参数启、停炉过程,严格控制升温或降温速度,升(降)温速度不大于1•5℃/min。但在锅炉点火初期应采用较小的升温速度,因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大,更容易产生较大的壁温差。
②锅炉启动前，严格按照规定进行,上水温度不得过高,上水速度不得太快,并且严密关闭省煤器再循环门,否则,水短路进入汽包造成上下壁温差增大。
③锅炉启动时,加强水冷壁下联箱的放水,通过适当放水,用热水替换受热较少的水冷壁及不受热的联箱等部件内的冷水,促使各部位温升均匀,有利于建立正常的水循环,减小汽包壁温差。
④升温升压过程中运行人员应严格监视汽包金属壁温的变化,若发现汽包上下壁温差超过规定值(40℃),应根据具体原因和设备情况,采取相应措施,使壁温差不超过规定的数值,保证汽包的安全。
⑤维持燃烧稳定和均匀。采用对称调整煤粉及高焦炉煤气供给量等方法使炉膛热负荷均匀,确保水循环正常；在有条件的情况下,尽量采用炉底蒸汽加热水冷壁下联箱,能加快建立正常水循环。。
⑥尽量维持较高的给水温度。因为温度低的给水进入汽包,会使下壁温度低,造成上下壁温差大。
⑦降压后期及停炉后要特别注意控制好汽包水位,尽量避免大量放水、补水，同时避免大量排汽造成降压速度太快,应使汽包缓慢均匀冷却,同时尽量保持汽包高水位。
⑧在处理“四管”爆漏事故中,尽可能稳定地控制上水量。水冷壁、省煤器爆漏,水位难维持时宜尽快停炉,停炉后可不再向汽包进水。同时停炉后要避免长时间开启烟道挡板造成炉内急剧冷却。
⑨提高设备的检修质量,确保阀门严密。给水门不严密,启、停炉过程中不上水时,给水可能直接经不严密的省煤器再循环门漏入汽包,使汽包壁局部温度下降;定期排污门不严密,会破坏水循环,同时停炉中漏流,需要补充更多的给水,造成上下壁温差增大。
参考文献
[1]叶涛.热力发电厂[M].中国电力出版社.2006.8
[2]叶江明.电厂锅炉原理及设备[M].中国电力出版社.2006.1
[3]容銮恩.燃煤锅炉机组[M].中国电力出版社.2004.4
[4]林宗虎,徐通模.实用锅炉手册[M].化学工业出版社.2004.6
作者简介
薛利刚（1983.08.22），男，汉族，籍贯河北省唐山市，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部热电作业区综合主管兼设备专业管理，中级工程师，主要从事电厂锅炉方向工作。