關于“汽包啟動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機組鍋爐為例，汽包在最大連續負荷下工作壓力為15.2MPa(g)，最高設計壓力為15.89MPa(g)。汽包內徑為1600 mm、壁厚95mm、筒身直段長度17400mm，汽包全長19210mm。汽包的主要作用有4個：

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、根數不同、用途不同的管子有機的連接在一起，起到了一個大聯箱的作用。

⑵汽水分離。將由水冷壁蒸發受熱面來的汽水混合物，經汽包內的汽水分離裝置分離出來，進入過熱器。

⑶儲水。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，在鍋爐運行中可以對給水流量變化起到緩沖作用，所以允許給水流量短時間內的少量波動，增加了鍋爐運行的穩定性。同時汽包中貯存的水還起到了緩沖壓力波動的作用，當壓力升高時，因對應飽和溫度升高，汽包中的水貯存了一部分熱量，從而使壓力升高較緩慢；當壓力降低時，對應飽和溫度降低，汽包中的水釋放了一部分熱量，使壓力降低較緩慢。

⑷汽包中的連續排污裝置、清洗裝置能保持蒸汽品質，加藥裝置能進行汽包內處理，防止蒸發受熱面結垢。

汽包內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難性的事故。同時，汽包在自然循環鍋爐中地位重要，更換困難，若發生損壞，將會嚴重影響鍋爐的安全經濟運行。因此，本章將會對在鍋爐啟動過程中汽包所出現的問題進行分析解決。

1.2 汽包啟動應力分析

汽包啟動應力是指鍋爐啟動過程中汽包壁的應力。它主要由工質壓力引起的機械應力、汽包壁溫度不均引起的熱應力以及汽包與內部介質重力等引起的附加應力組成。汽包壁應力可分為主體膜應力和峰值應力兩種。

峰值應力是汽包壁的局部應力，由汽包壁溫度不均勻及結構等原因引起，它比主體膜應力大2～4倍。峰值應力使汽包壁局部材料屈服，引起應力再分配，最大應力達到屈服極限，在靜態時不構成破壞。但是，對波動的峰值應力，到了一定的波動次數后，材料就會脆性破壞。

1.3 汽包機械應力

汽包的機械應力是指由汽包內的工質壓力引起的金屬應力，這個應力在任意點的三個方向均為拉應力，且均與汽包內壓力成正比。隨著汽壓的升高，汽包機械應力將會越來越大。

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

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

1.4 鍋爐啟動過程中汽包的熱應力

鍋爐啟動過程中工質溫度逐漸升高，汽包被加熱，在汽包的上半部分飽和蒸汽對內壁進行凝結放熱，在下半部分鍋水對內壁進行對流放熱，凝結放熱系數比對流放熱系數大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。但汽包是一個整體，其各部分之間無相對位移的自由，因而汽包內壁受到壓縮、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生壓縮熱應力、被拉伸的部分產生拉伸熱應力。

熱應力又稱溫差應力，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生的應力。汽包啟動熱應力主要是由汽包的上、下壁溫差和內、外壁溫差引起的。

1.5 啟停過程中汽包壁的溫差監視

為了保護汽包，在整個鍋爐啟動過程中必須不斷監視汽包上下壁溫差以及內外壁溫差。為此，在大型鍋爐的汽包壁上，安裝有若干組溫度測點，以集中下降管外壁溫度代替汽包下部的內壁溫度。在監護和控制溫差時，按以下方法計算壁溫差：以最大的引出管外壁溫度減去汽包上部外壁最小溫度，差值就是汽包上部內外壁的最大溫差；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壁最大差值；同理，也可計算得到汽包下部內外壁溫差。有的鍋爐還引入汽包的壓力等數據對上述計算進行修正。以前，國內機組對汽包上下壁溫差和內外壁溫差啟動中的最大允許值，均控制在50℃以內，這個限制主要是鑒于對啟動過程中汽包金屬的溫度分布規律還不能充分掌握，所以理論上對它的熱應力尚不能精確的計算，同時，也考慮到損傷汽包的嚴重性。實踐證明，溫差只要在此范圍內，產生的附加熱應力不會造成汽包損壞，是偏于安全的。

1.6 鍋爐啟動過程中的汽包應力控制

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

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

⑴啟動中嚴格控制升壓速度，尤其是低壓階段的升壓速度應該力求緩慢。這是防止汽包壁溫差過大的根本措施。為此，升壓過程應嚴格按給定的鍋爐曲線進行，若發現汽包壁溫差過大，應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的通汽量進行升壓過程的控制。

⑵盡快的建立正常的水循環。水循環越強，上升管出口的汽水混合就會物以更大的流速進入并擾動水空間，使水對汽包下壁的放熱系數提高，從而減小上下壁溫差。因此，能否盡早建立起正常的水循環，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，爐內燃燒、傳熱應均勻。初投燃料量太少，水冷壁產汽量少，水流動慢，流量偏差大，且爐內火焰不易充滿爐膛，有可能使部分水冷壁處于無循環或弱循環狀態，與這部分水冷壁相對應的汽包長度區間內的上下壁溫差增大。因此保持均勻火焰是啟動燃燒調整的重要任務。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調門的方法解決。

⑷進水時應嚴格控制進水參數。一般控制進水溫度與汽包溫度之差不大于90℃，進水時間冬季不少于4h，夏季不少于2h（進水速度也影響壁溫差）。啟動時適當將汽包水位維持在較高水平，對控制汽包壁溫差也有一定的作用。進水參數控制主要用于降低循環的谷值應力。

2 結論

我國是產煤大國，煤炭資源相對較豐富，煤種特性變化范圍很大。根據我國的能源政策，火力發電廠多以燃煤為主，為保證國家經濟的可持續發展戰略要求，提高燃煤的能量轉換效率和低的污染物排放率，真正實現節能減排，大型超臨界、超超臨界燃煤發電機組日益成為我國火力發電廠的主力機組。但機組容量和參數的提高也對鍋爐的安全啟動提出了新的要求，大型電站鍋爐啟動的安全性和經濟性成為了關鍵技術。

通過對汽包鍋爐啟動過程出現問題的分析研究，得出了以下結論：

⑴通過對汽包啟動溫差和啟動應力的分析，得出控制汽包應力的主要是要控制汽包的上下壁溫差和內外壁溫差。

⑵實際操作中要嚴格控制升壓速度和進水參數，盡快建立正常的水循環，并且爐內燃燒傳熱應均勻。

[1]國電發[2000]589號，防止電力生產重大事故的二十五項重點要求[S].

[2]DL/T2009.火力發電廠金屬技術監督規程[S].

[3]《火力發電廠金屬材料手冊》編委會.火力發電廠金屬材料手冊[M].北京：中國電力出版社，2000.

[4]侯陽,等.新疆眾和股份有限公司熱電公司鍋爐運行規程.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程.2012.