1、xxx畢業設計（論文）題目 火電廠鍋爐汽包及水冷壁啟動過程分析與保護專 業 熱能與動力工程 班 級 學生姓名 指導教師 xxx2011年4月26摘 要隨著火力發電廠裝機容量的增大，發電機組的安全運行成為影響火力發電廠經濟效益的重點，因而預防電廠事故顯得至關重要。我國火電機組中停運事故的50以上發生在鍋爐側，而且這些事故的絕大多數是由鍋爐啟動過程中的問題所引起的。所以火力發電廠鍋爐的安全啟動在整個電廠的運行中成為了一個極其重要的問題！鍋爐的啟動狀態一般按照停爐時間、金屬溫度進行劃分，根據鍋爐的啟動狀態可以選擇定參數啟動還是滑參數啟動。對于自然循環鍋爐來說，汽包和水冷壁在啟動過程中的應力控制和運行

2、工況尤其顯得重要。通過對自然循環鍋爐的汽包在整個啟動過程中熱應力的分析、上下壁溫差、內外壁溫差造成的熱應力以及汽包疲勞壽命的分析，得出了汽包應力的控制原則和預防措施。針對汽包鍋爐的水位控制情況，結合具體實例，分析了造成汽包水位波動大的原因并提出了具體預防汽包水位波動的措施。對于鍋爐水冷壁在啟動過程中的溫度、水力偏差以及局部傳熱惡化等運行工況從理論、實際運行經驗等方面進行了分析研究，從而得出了水冷壁在機組啟動過程中的保護措施。關鍵詞： 鍋爐 汽包 水冷壁 啟動 分析目錄1. 緒論11.1 鍋爐啟動的概念11.2 鍋爐啟動狀態的劃分11.3 單元機組的啟動方式21.3.1 額定參數啟動21.3.2

3、 滑參數啟動21.4 鍋爐啟動過程的安全經濟性32.汽包啟動過程分析及保護52.1 汽包概述52.2 汽包啟動應力分析52.2.1 汽包機械應力62.2.2 汽包熱應力62.2.2.1 熱應力的概念62.2.2.2 鍋爐啟動過程中汽包的熱應力72.2.2.3 汽包上、下壁溫差引起的熱應力72.2.2.4 汽包內、外壁溫差引起的熱應力82.2.2.5 汽包附加應力92.2.2.6 峰值應力92.3 汽包低周疲勞破壞分析102.4 啟停過程中汽包壁的溫差監視112.5 鍋爐啟動過程中的汽包應力控制112.5.1 控制汽包應力的安全原則122.5.2 控制汽包啟動應力的措施122.6 汽包啟動水位分

4、析132.6.1 概述132.6.2 水位波動過大的原因分析142.6.3 水位波動過大的防范措施153.水冷壁的啟動分析及保護173.1 水冷壁啟動溫度工況分析173.2 水冷壁的水力偏差分析183.3 水冷壁的局部傳熱惡化分析203.4 水冷壁的啟動保護204.結論23參考文獻141. 緒論1.1 鍋爐啟動的概念發電廠鍋爐的啟動指從點火到帶額定負荷或并入蒸汽母管的全過程。啟動過程是火力發電設備運行的重要操作階段，要在保證設備安全的前提下盡量縮短啟動過程所需時間，使之達到快速響應負荷能力，提高機組運行的經濟性1。1.2 鍋爐啟動狀態的劃分 鍋爐的啟動方式和啟動所需時間與鍋爐的結構型式、容量、

5、燃料的種類、電廠的熱力系統、氣候條件及選定的操作方式等有關2。按照啟動時機組的金屬溫度情況，鍋爐啟動分為冷態啟動、溫態啟動和熱態啟動。冷態啟動是指鍋爐在沒有壓力，且其溫度與環境溫度接近的情況下的啟動。熱態啟動是指鍋爐在保持有一定壓力，且溫度高于環境溫度下的啟動。溫態啟動是介于冷態和熱態之間的一種啟動方式。啟動方式的劃分一般是依據汽輪機在啟動時汽缸的金屬溫度水平進行的。國內外各制造廠根據金屬材料和設計、制造技術水平所取的溫度界限也不盡相同。如ge公司的劃分方法為：以汽輪機高壓缸第一級金屬溫度的高低為依據，該溫度在150300之間，為溫態啟動；在300430之間，為熱態啟動；430以上為極熱態啟動

6、。除此之外，也有按停爐時間來大體代表啟動初金屬溫度狀態的，如德國的babcock機組，機組停用48小時后的啟動為溫態，停用8小時后的啟動為熱態，停用2小時后的啟動為極熱態13。東方機組規定停機大于72小時為冷態，停爐1072小時為溫態，停爐小于10小時為熱態，停爐小于1小時為極熱態。啟動狀態的劃分有助于運行人員掌握機組各種狀態下的啟動特點。如冷態啟動時，機組溫度水平低，為使其均勻加熱，不至于產生較大的熱應力，鍋爐升溫、升壓及升速、升負荷都應緩慢進行。而熱態、極熱態啟動時，機組各部件處于較高的溫度狀態，為防止高溫部件受到蒸汽冷卻造成應力損傷，就必須盡快使工作參數達到機組部件的溫度水平，此時鍋爐進

7、水、燃燒率控制、升速、升負荷都應明顯加快，沖轉參數也較高1。1.3 單元機組的啟動方式1.3.1 額定參數啟動鍋爐點火后，當蒸汽壓力、溫度升至一定值時，進行汽輪機掛閘、沖轉，汽輪機從沖轉到帶額定負荷期間，主蒸汽閥門前的蒸汽參數始終保持為額定值。這種啟動方式的運行靈活性和經濟性均較差，一般多用于母管制的小型機組上應用，現單元制運行的大型機組均已不采用這種啟動方式4。1.3.2 滑參數啟動單元制機組通常采用滑參數啟動，又稱為聯合啟動。在鍋爐點火、蒸汽升壓、升溫的過程中，利用汽溫、汽壓的升高逐漸提高汽輪機的負荷。在整個啟動的過程中，主蒸汽閥門前的蒸汽參數隨汽機的金屬溫度和負荷情況，逐漸升高最終達到額

8、定參數。滑參數啟動優點：1）啟動過程中，蒸汽管道的暖管、汽輪機的啟動與鍋爐的升壓同時進行，從而使整臺機組的啟動時間縮短，增加了運行調度的靈活性。2）整臺機組的加熱過程是從較低的蒸汽參數開始的，各部件的受熱膨脹比較均勻。鍋爐的水循環工況穩定，過熱器得到良好的冷卻。同時，由于開始進入汽輪機的蒸汽壓力和溫度均較低，蒸汽的容積流量較大，容易充滿汽輪機，而且流速也較大，汽輪機的各部件均勻快速的升溫，不至于會產生過大的熱應力。3）啟動過程經濟性提高，特別是設置旁路系統的機組，啟動過程中可回收工質及利用工質的熱量，工質損失和燃料消耗減少，機組在啟動過程中即可發出電能1。1.4 鍋爐啟動過程的安全經濟性鍋爐的

9、啟動是一個傳熱、流動的極不穩定的復雜過程。啟動過程中，鍋爐工質溫度及各部件溫度隨時變化，由于受熱不一致，且部件的不同部位溫度不同，因而會產生熱應力，甚至使部件損壞。一般來說，部件越厚，在單側受熱時的內、外壁溫差越大，熱應力也越大。汽包、過熱器聯箱、蒸汽管道和閥門等的壁厚均較大，所以在受熱過程中必須妥善控制，尤其是汽包。鍋爐啟動初期受熱面內部工質的流動尚不正常，工質對受熱面金屬的沖刷和冷卻作用是很差的，有的受熱面內甚至在短時間內根本沒有工質流過。如果這時受熱過強，金屬壁溫就有可能超過許用溫度。鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器及省煤器均有可能超溫。因此，啟動初期的燃燒過程應謹慎進行8。爐膛爆燃也是啟動

10、過程中容易發生的事故，鍋爐啟動之初，燃料量少、爐溫低、燃燒不完全且不易控制，極有可能燃燒不穩定導致滅火，一旦發生爆燃，將使設備受到嚴重損壞。啟動過程中所用燃料，除用于加熱工質和部件外，還有一部分耗于排汽和放水，造成熱損失和工質損失。在低負荷燃燒階段，過量空氣和燃燒損失也較大，鍋爐的運行效率要比正常運行時低得多。總之，在鍋爐啟動過程中，既有安全問題也有經濟問題，二者經常是矛盾的。為保證受熱面的安全，減小熱應力，啟動過程應盡可能較慢的升溫升壓，燃料量的增加也只能緩慢進行。但勢必延長啟動時間，使鍋爐在啟動過程中消耗更多的燃料，降低了經濟性。鍋爐啟動的原則是在保證設備安全的前提下，盡可能縮短啟動時間，

11、減少啟動燃料的消耗量，并使機組盡早帶負荷9。2.汽包啟動過程分析及保護2.1 汽包概述汽包是鍋爐中體積最大、壁最厚的承壓元件，以東方300mw機組鍋爐為例，汽包承受工作壓力18.5mpa，對應飽和溫度362，汽包的結構尺寸為外徑2090，厚度為145。汽包的主要作用有四個：1）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。2）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。3）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

12、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。4）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

13、10。2.2 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24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11。2.2.1 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。

14、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。汽包壁任一點有三個方向的應力，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。2.2.2 汽包熱應力2.2.2.1 熱應力的概念金屬部件的體積隨著溫度的升高而膨脹擴大，隨著溫度的下降而收縮減小。如果金屬部件的體積能隨溫度變化而自由變化，金屬部件內就不會產生應力；但是當金屬部件的體積變化受到約束時就會產生很大的

15、應力。通常，我們把由于金屬部件之間存在著一定的溫差所引起的應力稱為熱應力。2.2.2.2 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23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

16、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12。2.2.2.3 汽包上、下壁溫差引起的熱應力在鍋爐進水和鍋爐升壓過程中都將會出現汽包上、下壁溫差。鍋爐進水時，水總是先與汽包下壁接觸，然后逐漸升高與上壁接觸。這樣壁溫就是上低下高。汽包下壁受壓而上壁受拉。汽包起壓后，上、下壁溫差轉為上高下低。這是因為汽包上部空間為汽、下部空間為水，都對汽包壁進行單向傳熱。但蒸汽對汽包上壁的放熱為凝結放熱，而水對汽包下壁的放熱為微弱的對流放熱，放熱系數差別很大，前者比后者要大23倍。所以汽包上壁的受熱要比下壁劇烈得多，使汽包上壁溫度上升很快，因而造成汽包上、下壁產生溫差。升壓速

17、度越快，汽包上、下壁溫差就越大。汽包下壁的應力狀態由受壓轉為受拉經歷一次應力循環。由于啟停一次應力變化的幅值與最初的壓應力有關，而應力循環幅值大小會影響汽包的低周疲勞壽命，所以啟動前的進水應該限制進水的溫度和時間，盡可能減小汽包上、下壁溫差。當汽包上部壁溫高于下部壁溫時，汽包有產生彎曲變形的傾向。這時由于上壁溫度高，膨脹量大，并力圖拉著下壁一起膨脹；而下壁溫度低，膨脹量小，并力圖阻止上壁的膨脹。因而汽包上壁受壓縮應力，下壁則受拉伸應力。但是，與汽包連接的很多管子將約束汽包的自由變形，這樣就產生了很大的附加應力，嚴重時可能會使聯箱、管子彎曲變形和管座焊縫產生裂紋。為降低汽包上、下壁溫差，國外有些

18、鍋爐在汽包結構上有所改進。例如美國的ce公司、德國的babcock公司在其設計生產的300mw、600mw級鍋爐汽包內安裝了與汽包同樣長度的弧形襯板。上升管匯集來的汽水混合物由汽包的中上部進入，經環形夾層向下流動，所以汽包上壁也有相當部分的面積與水接觸，汽包上壁的冷凝放熱影響相對減弱。但是由于沖刷汽包上壁的水速較高，上、下壁溫差還存在，但允許的飽和水溫升率要大的多13。2.2.2.4 汽包內、外壁溫差引起的熱應力汽包內、外壁溫差出現于鍋爐進水和鍋爐升壓的過程中。進水時，熱水只與汽包內壁接觸，外壁接受內壁熱流，故其溫度低于內壁，從而產生汽包的內、外壁溫差。點火后隨著汽壓的上升，飽和溫度也升高，同

19、水和蒸汽接觸的汽包內壁溫度接近于飽和溫度，但外壁溫度的升高則受到金屬導熱及壁厚的限制，因而造成汽包內、外壁之間的溫差。鍋爐在穩定運行時，由于汽包的導熱系數很大，所以汽包壁內的溫差很小，熱應力也較小，可以忽略不計。然而，鍋爐在啟停或變負荷過程中，由于汽包內的介質溫度不斷上升，故產生了較大的熱應力。汽包內壁溫度高，膨脹受阻而承受壓應力；外壁溫度低，相對內壁力圖收縮而承受拉應力。并且，熱應力的最大值出現在內、外壁表面處。升壓速度越快，汽包內、外壁溫差及熱應力就越大，且基本呈線性關系。這是因為在很快的介質溫升速度下，內壁熱量未來的及傳給外壁，飽和溫度就又升高了，所以將引起更大的內、外壁溫差。由于汽包內

20、的飽和溫升始終伴隨著升壓過程，所以在整個升壓過程中，汽包內外壁溫差始終存在15。汽包壁溫差的最大值通常出現在啟動之初。其原因一是由于啟動之初，水循環較弱，水的擾動較小，汽包下半部與幾乎不動的水接觸傳熱，從而使汽包下部金屬溫升慢；二是由于低壓階段壓力不大的變化就會引起飽和溫度很大的變化，即引起鍋水和汽溫產生較大的變化，使水、汽對汽包壁的放熱量也相應發生較大的變化，加大了汽包的上下壁溫差。2.2.2.5 汽包附加應力汽包的附加應力是指汽包與內部介質重力引起的應力，其數值上與以上兩種應力比較要小得多。2.2.2.6 峰值應力鍋爐升壓過程中汽包應力有機械應力和熱應力兩種。汽包內壓力產生機械應力，汽包壁

21、溫不均產生熱應力，還有附加應力，它們疊加后產生總應力，最大局部總應力點成為峰值應力。汽包頂部機械應力和上下壁溫差熱應力方向相反，相互減弱；汽包下部機械應力和上下壁溫差應力方向相同，相互增強。再疊加內外壁溫差引起的熱應力及應力集中的作用，峰值應力常出現在大直徑下降管孔附近。啟動過程汽包峰值應力的大小決定于汽包內壓力、壓力變動率及循環流速。某1000t/h亞臨界壓力自然循環鍋爐進行啟停應力峰值試驗表明，在控制汽包壁溫差的情況下，汽包峰值應力在-325+380mpa之間變化。其最大負應力出現在冷態啟動的初期，最大正應力則出現在汽包壓力的最高值區域。汽包峰值應力是局部應力，當它超過材料的屈服極限時，將

22、引起應力再分配，最大只能達到屈服極限，這在穩定壓力下對強度是無害的，但在交變應力作用下，可能產生疲勞裂紋，并最終導致元件泄漏10。2.3 汽包低周疲勞破壞分析汽包峰值應力超過材料屈服極限時，材料局部發生塑性變形，使斷面上的應力重新分配，最大值不大于屈服極限。汽包金屬在遠低于其抗拉強度的循環應力作用下，經過一定的循環次數后會產生疲勞裂痕以至破裂，這種現象稱為低周疲勞破壞。達到低周疲勞破壞的應力循環總次數稱為壽命，運行中應力循環次數占壽命的百分數稱為壽命損耗。是否要對汽包進行低周疲勞分析，美國機械工程師協會（asme）給出了一個臨界值。對于材料屈服極限小于552mpa的汽包，應力循環次數超過100

23、0次，都應對汽包進行低周疲勞分析。關于應力循環次數有以下定義：1）鍋爐啟動停運一個循環為一次。2）壓力波動范圍在數值上超過設計壓力值20算一次。3）汽包上任何相鄰兩點，因溫度變化產生溫差，不同溫差值折算成次數，如下：a.2955，應力循環1次； b.5683，應力循環2次； c.84139，應力循環4次； d.140194，應力循環8次；e.195250，應力循環12次； f.250，應力循環20次；2.4 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

24、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。近年來引進的機組

25、對汽包壁溫差的控制普遍較寬，例如東方鍋爐的1025t/h自然循環鍋爐，冷態啟動限制上下壁溫差小于40；日本三菱公司的1175t/h控制循環鍋爐，規定進水升溫速度不大于3.6/min，以此來限制汽包壁溫差6。2.5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

26、，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19。2.5.1 控制汽包應力的安全原則鍋爐啟動過程中的汽包應力安全原則有以下幾項：1）汽包機械應力要符合最大剪應力強度理論條件；2）汽包峰值應力超過屈服極限時發生局部塑性變形，吸收超過屈服極限部分的應力，但是不會造成汽包的靜態破壞；3）汽包峰值應力

27、會產生低周疲勞與壽命損耗。降低峰值應力可以減少低周疲勞及壽命損耗，其關鍵是減小汽包熱應力。汽包熱應力是由汽包上下壁、內外壁之間的溫差引起的，減小汽包壁各部分之間溫差的基本方法是促使工質流動，均勻鍋水溫度和限制升溫速度等；4）汽包材料屈服極限大于552mpa，峰值應力循環次數小于1000次，可以不考慮汽包低周疲勞損耗17。2.5.2 控制汽包啟動應力的措施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：1）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

28、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。2）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。3）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

29、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19。4）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4小時，夏季不少于2小時（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。2.6 汽包啟動水位分析2.6.1 概述三河電廠二期#3、4爐均為東方鍋爐廠生產的dg102517.4-6型亞臨界一次中間再熱自然循環汽包爐。鍋爐配有兩臺容量

30、為50的汽動給水泵和一臺容量為30的電動給水泵。電泵作為啟動泵或低負荷及汽泵故障時備用。在汽包給水管路上設有給水主路電動門(容量為100)和30容量的給水旁路調節門。汽包水位采用單沖量與串級三沖量相結合的控制方式。在主蒸汽流量達380t/h之前，汽包水位由給水旁路調節閥調節，即單沖量控制，旁路調節閥前后壓差由調節閥差壓調節回路通過改變電動給水泵轉速來實現。當主蒸汽流量達380t/h后，汽包水位控制切至給水主路通過改變給水泵轉速來實現，為三沖量調節。在#3、4機組的調試及試生產階段曾多次出現在并網后，特別是因故停爐后的極熱態啟動恢復過程中，汽包水位控制由給水旁路切為主路時，汽包水位投自動的情況下

31、，汽包水位大幅度波動的現象。2.6.2 水位波動過大的原因分析2.6.2.1 給水由旁路切為主路過程中控制不當控制系統設計的給水旁路切主路(即由單沖量控制切為三沖量控制)的負荷點為蒸汽流量380t/h。在此之前，單沖量汽包水位調節為用給水旁路調節閥控制。為了克服汽包壓力及給水管路系統阻力，保證給水旁路調節門的線性，通常可保持旁路調節門前后有一定的壓差，在控制系統中是通過旁路調門前后壓差控制回路調節電動給水泵轉速來實現的。當蒸汽流量大于380t/h以后，通過內部邏輯，給水旁路調節門切為手動，自動切除給水單沖量調節和給水旁路調節閥差壓調節回路，同時打開鍋爐給水主路電動門，自動投入汽包水位由單沖量向

32、三沖量調節回路，實現了汽包水位由單沖量向三沖量的切換。但若切換時，給水旁路調節閥前后壓差設置過大，即電泵輸出壓力高于汽包壓力很多時，此時鍋爐給水主路和旁路同時向汽包上水，通流面積增加很多就會造成給水量的大量增加。再加上若此時加負荷速率控制不當，而引起汽包壓力下降較快時，就會造成一方面給水流量大大超過蒸汽流量，另一方面因汽包壓力下降較快而使汽包產生較為嚴重的虛假水位。這兩方面的因素同向疊加，以及現代鍋爐汽包容積設計均較以往汽包鍋爐偏小等因素，就會造成汽包水位快速升高。雖然此時水位控制為三沖量控制，但由于整個調節系統的慣性遲延較大，從而造成自動調節跟不上水位變化的情況，使鍋爐因汽包水位高引起mft

33、動作停爐。2.6.2.2 燃料量的增加與加負荷率不同步由于在機組并網后的低負荷階段，爐膛內油槍投入較多和等離點火的磨煤機出力較大。使機組負荷的增加和燃料量的增加基本都是在手動方式下進行的，尤其是鍋爐停爐后的極熱態點火恢復過程中，因汽包壓力很高，一般在13mpa以上，機組加負荷速率過快，而燃料量未跟上時就會造成汽包壓力的快速下降，從而造成汽包內產生十分嚴重的虛假水位，使汽包水位波動超出保護范圍導致mft動作。2.6.3 水位波動過大的防范措施2.6.3.1 嚴格控制主汽壓力的升壓速度在并網后的加負荷過程中，要做到負荷的增加與燃料量的增加同步，嚴格控制主汽壓力的上升速度在0.050.1mpa/mi

34、n之內。保持主汽壓力和汽包壓力的穩定,300mw機組在磨煤機投運2臺以上時盡量投入主汽壓力自動，避免汽包壓力大幅波動而引起汽包內虛假水位。2.6.3.2 給水由旁路切為主路時前后過程的控制方法在給水由旁路切為主路之前，嚴格控制給水旁路調節門前后的壓差和電泵出口的壓力,在給水流量和蒸汽流量基本平衡和汽包水位穩定的情況下，保持給水旁路調節門在7085 范圍內穩定運行。然后逐漸增加燃料量和機組負荷，并保持主汽壓力相對穩定，以便造成一個給水由旁路切為主路的良好條件，并對切換過程中汽包水位、給水流量、主蒸汽流量、電泵出口壓力與汽包壓力、主汽壓力嚴加監控，保證單沖量控制與三沖量控制的平穩進行。3.水冷壁的

35、啟動分析及保護3.1 水冷壁啟動溫度工況分析在鍋爐升壓過程中對水冷壁的保護是十分重要的。對于汽包鍋爐，因為在升壓的初期水冷壁受熱不多，管內工質的含汽量少，所以水循環不正常；又因為這時投入燃燒器的只數很少，所以，水冷壁受熱的不均勻性較大，各管內的介質流速差別較大。如果同一聯箱上各根水冷壁管金屬溫度存在差別，就會產生一定的熱應力，嚴重時會使下聯箱變形或水冷壁管損壞。大型鍋爐的水冷壁都是膜式水冷壁，管子之間為剛性連接，不允許有相對位移，所以鄰管之間的溫差會產生很大的熱應力。因此，限制相鄰管子間的壁溫差不得超過50。對于平行工作的水冷壁管，加熱不均（如火焰偏斜）就會造成同回路不同管子間的壁溫偏差。假如

36、有兩根水冷壁管，所受壁面熱負荷分別為q1、q2，那么，1、2兩管的壁溫偏差tb按下式計算 （31） 內壁對工質的放熱系數，w/（）由式（31）可知，壁面熱負荷之差q=q2-q1越大（加熱越不均勻越厲害），壁溫差 tb越大；管內放熱系數越小，壁溫差tb也越大。在鍋爐起壓之前，水冷壁內均為未飽和水，且流動微弱，很小，約為0.2w/（），這時，q即使僅1.0 （額定負荷的1/15），tb即使已達到50。可見，起壓之前或水循環弱時，尤其應該注意火焰分布均勻的問題18。鍋爐的流動工況正常時，有一定的水量進入水冷壁管口，且邊流動邊產汽，內壁周圍有水膜，這是最好的冷卻工況。但受熱不均時，個別受熱弱管（或管組

37、）水流動很慢，甚至停止，入口基本無水量流入。此時，汽泡易在水冷壁轉彎處、焊縫或水平段積聚，形成汽環，使該處管壁局部過熱產生鼓包、脹粗或爆管。這也要求啟動之初均勻加熱，否則個別受熱很弱的管子也很容易出問題。3.2 水冷壁的水力偏差分析在鍋爐啟動過程中，投入燃料較少，火焰偏斜或直接沖刷水冷壁，水冷壁并聯管會產生較嚴重的流量偏差，個別管子的流量偏差將加重傳熱惡化和壁溫飛升。將偏差管內的工質流量gp與平均管內工質流量go之比稱為流量不均系數g ，g可按下式計算g = m n （32） （33） （34） （35） （36） （37）式中 ro平均管的阻力常數；rp偏差管的阻力常數；系數；o 、p平均管

38、、偏差管密度，/；h水冷壁管屏高度，m；式（34）中，當p o且 o/p-o 時，前取“- ”號，根據水冷壁的壓差平衡關系（ogh+0.5 roo=pgh+0.5 rpp）可知，這是受熱弱的倒流工況。 值的意義是平均重位壓差與平均流動阻力之比。其大小規定了吸熱不均對流動影響的具體特性。對于螺旋管圈直流鍋爐，值甚小，n1,密度差項（p o ）/o幾乎不起作用，gm 。當偏差管的水冷壁負荷qp（kw/）增加時，po，由式（32）可知，g1、gp減小。這樣一種管內受熱越強流動反而越弱的特點，就是強制流動的重要特性；對于自然循環鍋爐，含汽率小，循環速率低，所以值很大，密度差值（p o ）/o通過n對g

39、起決定作用。因此，當偏差管的吸熱量大于平均管時，盡管m1，但g1，且吸熱不均越大，g的增長越厲害。自然循環的這種特性又稱為水動力自補償特性。對于值較適中的情況，如控制循環鍋爐以及一次上升型直流鍋爐在低負荷運行時，可能出現強制流動特性也可能是自補償特性，取決于參數（壓力、質量流速）和負荷的高低11。根據以上分析可得出以下結論：1）鍋爐的吸熱不均可引起水力不均，從而影響水冷壁的工作安全，因此要十分重視啟動過程中水冷壁屏間、管間熱負荷的均勻性；2）直流鍋爐的水冷壁，熱負荷大的偏差管流量小，管子的出口部分可能為過熱度較大的蒸汽，壁溫升高；3）自然循環鍋爐及強制循環鍋爐顯示自然循環特性時，其水冷壁在熱負

40、荷低的偏差管循環流量小，出口含汽率高，發生“蒸干”傳熱惡化的可能性增加。此外，受熱弱的管子也容易產生停滯或倒流現象13。3.3 水冷壁的局部傳熱惡化分析水在水冷壁管內流動到某一位置時，當干度達到一定值時內壁失去水膜的現象稱為“蒸干”。“蒸干”發生時管子內壁突然與汽接觸，放熱系數變小，產生一個壁溫飛升值。對于自然循環鍋爐，正常運行時由于出口含汽率小于界限含汽率（約0.30.5），故一般不會發生水膜失去的情況，但在啟動過程吸熱不均十分嚴重時，也存在發生“蒸干”的可能性；對于直流鍋爐，水冷壁必然經過一個干度從0到1.0的過程，即必然在某一段時間產生“蒸干”現象。設計和運行的任務只是控制壁溫飛升值的大

41、小（避開爐內高溫區域），不使壁溫的飛升值超過材料的允許溫度而已16。溫度飛升值的大小與工作壓力、熱流密度和工質流量有關。溫度飛升值會著工作壓力的升高而降低；隨著熱流密度與工質流量比值的增大而升高。因此，無論何種循環方式，防止傳熱惡化都是啟動過程中所要注意解決的問題。3.4 水冷壁的啟動保護在鍋爐升壓過程中水冷壁的保護措施有：1）均勻爐內燃燒沿爐膛四周均勻或對稱地投入噴燃器并定時切換運行；在符合升溫升壓曲線，汽包金屬溫差不大的情況下，可適量多投一些燃燒器，以使得爐膛熱負荷較均勻。2）盡快建立正常的水循環（汽包鍋爐）正常的水循環可保證水冷壁內有均勻、較大的循環流量，來冷卻受熱面。盡快建立正常的水循

42、環可從以下幾方面著手：a.水冷壁下部定期放水或連續放水。在水冷壁下聯箱定期或連續放水，可以將汽包下部溫度較高的水、汽引到水冷壁管底部，用熱水代替冷水，增加水冷壁產汽區的長度，促進水循環。實踐證明，這個措施的采取對促進水循環的建立，減小汽包壁溫差是十分有效的。b.采用鄰爐蒸汽加熱。現在國內外制造的大型鍋爐一般均設計有鄰爐蒸汽加熱系統。在鍋爐點火前，從各水冷壁下聯箱均勻地通入適量的蒸汽，加熱水冷壁各個循環系統。待水達到飽和溫度并有一定的產汽量后，再進行點火。這種點火的過程稱為無火啟動，鍋爐在無火啟動過程中汽包溫差很小，同時大大縮短了機組啟動時間和啟動油耗，提高了機組的經濟性。c.啟動時可適當投入機

43、組高、低壓旁路系統，提高燃燒率，在不加快升壓速度的情況下，增加產汽量。d.啟動初期較慢的升壓對盡快建立正常的水循環也是有利的。燃料熱量中，一部分用于提升金屬壁溫和水溫，增加蒸發系統的蓄熱量，其余才用于產汽。所以升壓速度低，用于增加水和金屬蓄熱的熱量少，用于產汽的熱量就多；同時低壓下飽和溫度低，輻射換熱量大，產汽多、汽水密度差大循環動力也大10。3) 加強水冷壁膨脹監視各水冷壁管因受熱而產生的膨脹差將使下集箱下移的數值不同。因此，水冷壁的受熱均勻性可以通過膨脹量進行監督。啟動過程中，若發現膨脹受阻等異常現象，則應暫緩升壓，待查明原因并處理后，方可繼續升壓。4) 強制循環鍋爐點火時啟動循環泵提高安

44、全性強制循環鍋爐在點火前啟動循環泵，循環流速最大。隨著水冷壁內含汽率的增加，流速逐漸減小，但減小不多，與自然循環鍋爐啟動之初循環流速幾乎為零的情況相比，大大提高了水冷壁的工作安全性。4.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，

45、得出了以下結論：1) 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。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。2) 由水冷壁的啟動溫度工況和水力偏差以及局部傳熱惡化的分析，得出水冷壁在啟動過程中一定要均勻爐內燃燒加強水冷壁的膨脹監視，盡快建立正常的水循環。因此，要重視鍋爐啟動過程中汽包及水冷壁的應力控制，做好相應準備工作，采取有效手段保證鍋爐運行安全，提高鍋爐啟動過程的安全經濟性。參考文獻1 岑可法，周昊，池作和大型電站鍋爐安全及優化運行技術第一版北京：中國電力出版社，20032 清華大學鍋爐教研室鍋

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