鍋爐各部加熱冷卻過程研究

摘要：為使鍋爐各承壓部件受到均勻的加熱和冷卻，需要嚴格控制鍋爐加熱和冷卻的速率。現主要圍繞鍋爐部件在正常啟動、停止、加減負荷以及停爐后強制快冷過程中的加熱、冷卻速率進行探討，所得結果可為相關研究提供參考。

關鍵詞：鍋爐;加熱過程;冷卻過程

1? ? 研究背景

鍋爐由“鍋”和“爐”兩部分組成，“鍋”的部分由承壓部件組成，與工質、火焰和煙氣均直接接觸，所以鍋爐各承壓部件的加熱和冷卻過程自然與鍋爐是否有火以及著火情況，鍋爐內是否有工質以及工質的壓力、溫度等具體情況密切相關。

鍋爐點火后，主要通過控制過熱蒸汽和再熱蒸汽的升溫率和降溫率來控制過熱器和再熱器的加熱速率和冷卻速率。對于水冷壁來說，是通過控制主汽升壓率或降壓率來控制水冷壁金屬溫度的變化率;對于不與煙氣接觸的鍋爐各承壓部件，如汽包、爐水泵入口聯箱、水冷壁下水包等，其金屬溫度的變化同樣與汽包壓力下的飽和溫度的變化相一致;對于過熱器和再熱器的聯箱，其金屬溫度的變化與過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度的變化相一致[1]。

鍋爐點火后，為了使鍋爐各承壓部件的溫度變化較為均衡，廠家給出了升溫升壓或降溫減壓的速率上限，比如加負荷過程中規定“鍋爐起壓前，控制爐水升溫率≤2 ℃/min” “鍋爐起壓后，嚴格控制升壓率≤0.12 MPa/min，主再熱汽溫升溫率≤2 ℃/min”等，減負荷停機過程中規定“嚴格控制主再熱汽溫降溫率≤1.5 ℃/min，降壓率≤0.15 MPa/min”等，這些都是通過壓力和溫度的變化率來控制鍋爐各部金屬溫度的變化率。

2? ? 實例分析

現以機組冷態啟機至加負荷320 MW為例，說明鍋爐各承壓部件的加熱速率情況。

（1）鍋爐點火至起壓。爐水溫度由30 ℃加熱到100 ℃汽包起壓，控制爐水溫度升溫率≤2 ℃/min，該過程中水冷壁下降管及相關聯箱的升溫率接近2 ℃/min。該過程過熱器與再熱器管中未有工質流過，過熱器與再熱器只受煙氣加熱，沒有工質冷卻，所以溫升的變化率較快。由于是啟爐初期，煙氣溫度不算太高，危害不大。

（2）鍋爐起壓至大機沖轉。鍋爐起壓時汽包壓力0.1 MPa、爐水溫度100 ℃，對應主蒸汽參數0.05 MPa、100 ℃，大機沖轉時要求主蒸汽參數為4.5 MPa、360 ℃。其中，主汽壓由0.05 MPa升至4.5 MPa，按照升壓速率≤0.12 MPa/min計算，用時37 min;主汽溫由100 ℃升至360 ℃，按照主汽升溫率不超過2 ℃/min計算，用時130 min，所以該過程至少需要130 min才能同時滿足升溫升壓的速率條件。汽包壓力0.1 MPa對應飽和溫度100 ℃，主汽壓4.5 MPa時汽包壓力5 MPa，對應飽和溫度264 ℃，從100 ℃升至264 ℃，溫度上升164 ℃，用時130 min，升溫率為1.26 ℃/min。因此，在這個過程中，對于過熱器和再熱器及其聯箱來說，升溫率最大為2 ℃/min;對于水冷壁、下降管、爐水泵入口聯箱、水冷壁下水包和汽包來說，升溫率最大為1.26 ℃/min。

（3）大機并網至額定負荷。假設一直到并網前主汽參數不變，并網后加負荷至320 MW，對應主蒸汽參數16.9 MPa、540 ℃，即主蒸汽參數由4.5 MPa、360 ℃升至16.9 MPa、540 ℃。其中，主汽壓由4.5 MPa升至16.9 MPa，按照升壓速率不超過0.12 MPa/min計算，至少需要103 min;主汽溫由360 ℃升至540 ℃，按照升溫率不超過2 ℃/min計算，至少需要90 min，所以該過程至少需要103 min才能同時滿足升溫升壓的速率要求。主汽壓4.5 MPa時汽包壓力5 MPa，對應飽和溫度264 ℃;主汽壓16.9 MPa時汽包壓力18.5 MPa，對應飽和溫度360 ℃，從264 ℃升至360 ℃，溫度上升96 ℃，用時103 min，升溫率為0.93 ℃/min;如果將主汽溫由360 ℃升至540 ℃，用時103 min，升溫率為1.75 ℃/min。因此，在這個過程中，對于過熱器和再熱器及其聯箱來說，升溫率最大為1.75 ℃/min;對于水冷壁、下降管、爐水泵入口聯箱、水冷壁下水包和汽包來說，升溫率最大為0.93 ℃/min。

以上速率的計算是在鍋爐均勻加負荷情況下的平均值，實際上在增投氣槍、增啟制粉系統的過程中，鍋爐加負荷過程非常快，鍋爐受熱面溫度上升也非?？?。

3? ? 機組滑參數停機過程中鍋爐各承壓部件的冷卻過程

檢修滑參數停機，一般要求主汽溫滑至300 ℃左右、主汽壓4 MPa，假設開始停機時主汽壓16.9 MPa、主汽溫540 ℃，主汽壓由16.9 MPa降至4 MPa，按照主汽壓降壓速率最快0.15 MPa/min計算，需要86 min;主汽溫由540 ℃降至300 ℃，按照主汽溫降溫率不超過1.5 ℃/min計算，需要160 min，所以該過程至少需要160 min才能同時滿足降溫降壓的速率要求。主汽壓16.9 MPa時汽包壓力18.5 MPa，對應飽和溫度360 ℃;主汽壓4 MPa時汽包壓力4.2 MPa，對應飽和溫度255 ℃，從360 ℃降至255 ℃，溫度降低105 ℃，用時160 min，降溫率為0.66 ℃/min。因此，在這個過程中，對于過熱器和再熱器及其聯箱來說，降溫率最大為1.5 ℃/min;對于水冷壁、下降管、爐水泵入口聯箱、水冷壁下水包和汽包來說，降溫率最大為0.66 ℃/min。

這是鍋爐均勻降溫降壓情況下的冷卻速率。實際上，由于燒空煤倉的需要以及盡可能減少超標排放時間的需要，有時減負荷的速率是很快的，降溫降壓的速率同樣非常快，這對于鍋爐受熱面的均勻冷卻非常不利。

4? ? 鍋爐熄火后各部溫度的變化情況

下面結合2020年4月24日媽灣#5機組停機后鍋爐的冷卻過程來進行分析。

（1）悶爐狀態下鍋爐各受熱面溫度的變化情況。2020-04-23T23：35，#5機組打閘停爐，汽包壓力4.2 MPa，吹掃15 min后停止通風組，關閉風機擋板，進行悶爐，至2020-04-24T09：50，汽包壓力0.85 MPa。在熱爐帶壓放水前的悶爐狀態下鍋爐各部溫度變化情況：爐水泵聯箱溫度的下降速率最快為0.3 ℃/min，汽包壁溫的下降速率最快為0.55 ℃/min，過熱器壁溫下降速率最快為0.8 ℃/min，再熱器壁溫的下降速率最快為0.4 ℃/min，空預器入口煙溫的下降速率最快為0.5 ℃/min。汽包壁最大溫差由37 ℃逐漸增大到43 ℃。

（2）放水后風煙系統關閉情況下鍋爐各受熱面溫度的變化。2020-04-24T09：50，汽包壓力0.85 MPa，鍋爐進行熱爐帶壓放水后風機擋板和干渣機關斷門全關，風機動葉全關狀態下鍋爐各受熱面溫度的變化情況：爐水泵聯箱溫度的下降速率最快為0.25 ℃/min，汽包壁溫的下降速率最快為0.2 ℃/min，過熱器壁溫下降速率最快為0.12 ℃/min，再熱器壁溫的下降速率最快為0.1 ℃/min，空預器入口煙溫的下降速率最快為0.1 ℃/min。汽包壁最大溫差由37 ℃逐漸增大到43 ℃，汽包壁溫差最大值由41 ℃逐漸增大到52 ℃。

（3）打開干渣機關斷門和端部風門，打開各風機進出口擋板，風機動葉未開情況下鍋爐各受熱面溫度的變化。2020-04-24T11：50，#5爐空預器入口煙溫，出口一、二次風溫均下降至170 ℃以下，通知除灰并打開干渣機關斷門和端部風門，打開各風機進出口擋板。風機動葉未開狀態下鍋爐各受熱面溫度的變化情況：由于只打開了干渣機關斷門和風煙系統的擋板，鍋爐的通風換熱并不徹底，冷卻速率也大幅降低，汽包壁最大溫差逐漸增大到65 ℃。

（4）全開風機動葉直至啟動一臺引風機，動葉分別開到10%和20%，這時鍋爐已經自然通風冷卻，鍋爐各部分的冷卻速率稍微有所加快，隨著鍋爐內部各受熱面溫度的下降，傳熱溫差大幅降低，下降速率仍然很低。

（5）媽灣#4機組過熱器爆管鍋爐強冷時各受熱面溫度的變化情況。2020-05-15T00：50，#4爐緊急停爐，悶爐結束后鍋爐自然通風，全開定排換水，開啟鍋爐5%旁路門，對各參數進行分析后發現，通過對鍋爐上水放水的換水冷卻，鍋爐的冷卻過程明顯加快，爐水泵聯箱溫度的下降速率最快為0.2 ℃/min，汽包壁溫的下降速率最快為0.28 ℃/min，過熱器壁溫下降速率最快為0.42 ℃/min，再熱器壁溫的下降速率最快為0.4 ℃/min，空預器入口煙溫的下降速率最快為0.12 ℃/min。

分析上述過程中的汽包壁溫差的變化情況：

（1）除非事故情況下，平時啟停爐、加減負荷以及停爐后的冷卻過程均應緩慢進行，嚴格按壓力和溫度變化率進行，以保證鍋爐各部的熱應力變化不超過設計值規定。

（2）悶爐冷卻的效果最慢，鍋爐各部分產生的熱應力最小，對鍋爐的保護也最好，但悶爐冷卻所需的時間長，如鍋爐受熱面尤其是爐膛內有檢修工作時必然會增加檢修工期。

（3）及時對已經熄火的鍋爐進行強制通風冷卻，由于其爐膛已經熄火，對于省煤器、過熱器、再熱器等內部沒有工質的部件，其冷卻是表面風冷，冷卻速率也遠遠低于正常加減負荷時的冷卻速率。

（4）鍋爐上水、放水與強制通風相結合的方式冷卻效果最好，5%旁路打開，高低旁打開效果更加明顯。上水冷卻時如沒有提高給水溫度，下壁與水直接接觸的冷卻效果明顯，上壁只能與少量蒸汽接觸甚至接觸不到蒸汽，冷卻效果差，汽包上下壁溫差也大，汽包壁又厚，產生的熱應力也大，所以如果通過上水、放水的方式進行冷卻，應控制上水溫度與汽包壁溫差，必要時投除氧器加熱。

5? ? 結語

鍋爐各部件加熱、冷卻主要發生在啟停爐和加減負荷的過程中，加熱、冷卻速率受到鍋爐負荷變化速率的影響，且與主再熱蒸汽的壓力、溫度的變化速率相一致。運行中一定要注意控制主再熱蒸汽參數的變化速率，停爐后單通過啟動通風組來給鍋爐部件降溫的冷卻速率遠遠低于正常啟停爐以及加減負荷過程的溫度變化速率。通過給鍋爐上水、放水的方式強制冷卻時鍋爐各部件的冷卻速率明顯增大，這時要注意控制上水溫度與汽包壁的溫差。

[參考文獻]

[1] 張成君.鍋爐加熱過程故障的預報及處理研究[J].科技風，2019（9）：139.

收稿日期：2021-01-15

作者簡介：余升（1977—），男，廣東深圳人，工程師，從事電力運行與管理工作。