自然循環(huán)鍋爐啟停過程汽包壁溫差大的原因分析及控制

陳震山

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

某電廠的兩臺330 MW 發(fā)電機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠自主設(shè)計和制造的亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐（HG-1025/17.4-YM28），汽包壁厚為140 ～160 mm，汽包壁溫差規(guī)定值控制在42 ℃以內(nèi)。2006 年投產(chǎn)以來，在機組啟停過程中，兩臺330 MW 發(fā)電機組鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)汽包壁溫差超過規(guī)定值的情況，最大時甚至達到100 ℃，嚴(yán)重威脅汽包的安全運行。文章結(jié)合多年的運行經(jīng)驗，分析汽包壁溫差產(chǎn)生的原因，并在機組啟停過程中采取有效的控制措施來降低汽包壁溫差，達到保障汽包安全運行的目的。

1 汽包壁溫差大產(chǎn)生的機理、原因與危害

1.1 汽包壁溫差產(chǎn)生的機理

汽包是鍋爐的重要組成部件，是工質(zhì)加熱、蒸發(fā)、過熱3 個過程的連接容器，內(nèi)部存在飽和蒸汽和水的汽水混合物。汽包上部為飽和蒸汽，下部為飽和水。汽包內(nèi)水和蒸汽的飽和溫度隨著壓強升高而升高。由于蒸汽和水的比熱容不一致，壓強變化時，飽和蒸汽接觸的汽包上下壁換熱不一致，造成大的溫差[1]。另外，由于汽包壁很厚，汽包內(nèi)壁換熱靠工質(zhì)換熱，而汽包外壁靠汽包壁自身金屬導(dǎo)熱換熱。若汽包內(nèi)部工質(zhì)溫度變化過快，容易造成汽包內(nèi)外壁溫差過大。

1.2 啟動過程汽包壁溫差大的原因

1.2.1 鍋爐啟動進水時產(chǎn)生汽包壁溫差

鍋爐停運期間一般會放盡汽水系統(tǒng)內(nèi)部的殘水，在鍋爐啟動前，需要控制一定流量的給水經(jīng)過給水系統(tǒng)進入鍋爐最終到汽包。此時鍋爐處于未點火狀態(tài)，經(jīng)過省煤器時無法被加熱，因此給水進入汽包時先接觸汽包的下壁，汽包的下壁被有一定溫度的給水加熱逐步升溫，而汽包的上壁未接觸給水無法加熱，逐步形成汽包上下壁溫差[2]。另外，汽包是一個壁厚為140 ～160 mm 的容器，汽包內(nèi)壁升溫時，汽包的外壁與外界接觸，因此只能通過汽包壁的金屬導(dǎo)熱才逐步升溫。由于汽包壁的金屬導(dǎo)熱比較慢，形成了汽包內(nèi)外壁溫差。

1.2.2 在鍋爐升溫升壓初期產(chǎn)生汽包壁溫差

在冷態(tài)啟動初期，為控制鍋爐金屬的升溫速率，控制燃料投入率較低，鍋爐爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，加之鍋爐燃燒初期火焰在爐膛內(nèi)部無法均勻分布，因此在不同部位的水冷壁受到的燃燒輻射熱量不均勻。接受燃燒輻射熱量較少的水冷壁無法蒸發(fā)成蒸汽建立自然循環(huán)，導(dǎo)致汽包內(nèi)部的水流速率減慢，甚至出現(xiàn)停滯倒流的現(xiàn)象。此時，汽包下壁接受的水溫保持不變，而汽包上壁接受蒸汽對其放熱，溫升較快。隨著鍋爐的燃燒，蒸汽量逐步增加，蒸汽溫度逐步上升，汽包上壁溫度上漲速率逐步增快，導(dǎo)致汽包上壁溫度高于下壁溫度形成溫差[2]。

1.2.3 鍋爐在滑參數(shù)停爐過程中產(chǎn)生的汽包壁溫差

鍋爐停爐降溫降壓過程中，逐步減少進入爐膛的燃料量以減弱燃燒。汽包內(nèi)部金屬溫度主要通過汽包內(nèi)部的汽水混合物進行降溫冷卻。汽包內(nèi)工質(zhì)為飽和狀態(tài)的汽水混合物。當(dāng)鍋爐蒸汽壓強降低時，爐水溫度對應(yīng)的飽和溫度逐漸下降，此時汽包下壁對接觸的爐水進行放熱，汽包下壁溫度下降。汽包上壁接觸的是蒸汽，蒸汽的放熱系數(shù)較小，因此上壁的溫度下降較少，出現(xiàn)汽包上壁溫度高于汽包下壁溫度的現(xiàn)象[2]。若鍋爐燃燒調(diào)整速率控制不當(dāng)導(dǎo)致壓強驟降時，汽包上下壁溫差會更大。

1.3 停爐熄火后產(chǎn)生的汽包壁溫差

鍋爐熄火后，按要求吹掃鍋爐5 ～10 min，再進行悶爐保養(yǎng)。此時，爐內(nèi)處于降溫過程，處于微負壓狀態(tài)。由于大多數(shù)鍋爐存在風(fēng)煙系統(tǒng)、爐底水封不嚴(yán)密問題，容易造成鍋爐悶爐過程中爐蹚內(nèi)的溫度下降較快，導(dǎo)致各受熱面的溫度下降隨之加快。受熱面內(nèi)部蒸汽加劇冷凝，會造成汽包壓強下降加快。當(dāng)汽包壓強很低時，飽和溫度會隨著飽和壓強的下降速率加快，形成下壁溫度低于上壁溫度的情況[2]。若停爐熄火操作不當(dāng)造成吹掃時間過長或者悶爐時間不足進行強制冷卻，也會造成汽包壁溫差較大的情況。

1.4 汽包壁溫差的危害

汽包是鍋爐的重要組成部分。各部位溫差大，將造成汽包各部位的熱應(yīng)力增加。汽包壁溫差若不能控制在正常范圍內(nèi)，將造成金屬疲勞，可能造成汽包變形甚至拉裂，嚴(yán)重威脅汽包的安全運行。

2 機組啟停過程汽包壁溫差的控制措施

2.1 鍋爐啟動過程汽包壁溫差的控制措施

2.1.1 鍋爐冷態(tài)啟動汽包壁溫差的控制措施

在鍋爐上水前應(yīng)沖洗凝結(jié)水和給水系統(tǒng)直至水質(zhì)合格，控制進入鍋爐的給水溫度為30 ～70 ℃。當(dāng)給水溫度與汽包壁溫差超過28 ℃時，應(yīng)控制給水流量為30 ～60 t·h-1，并關(guān)注汽包壁溫差是否有擴大趨勢，必要時需放慢上水速率，甚至?xí)和ｅ仩t上水觀察?？刂七M水時間夏季不小于2 h，冬季不小于4 h。鍋爐點火后，特別是點火初期，嚴(yán)格按規(guī)程控制升壓升溫速率。控制汽包內(nèi)飽和溫度上升速率為1.0 ～1.5 ℃·min-1。點火后開啟5%疏水旁路、頂棚疏水閥門以及汽包、過熱再熱系統(tǒng)排空氣閥門。給水未建立連續(xù)流量時，開啟省煤器再循環(huán)。若在升壓過程中發(fā)現(xiàn)汽包壁溫差擴大至28 ℃，應(yīng)降低升壓升溫速度。若汽包壁溫差超過42 ℃，應(yīng)暫停升壓升溫。此時，一是檢查汽包排空門是否全開，并及時投入高低壓旁路；二是適當(dāng)降低燃燒速率，盡可能保持熱負荷均勻；三是安排輪流開啟4 個角的定排排污門，促進均勻的水循環(huán)；四是開大除氧器加熱調(diào)門，提高給水溫度；五是維持汽包水位在較高水平[3]。

汽包上水前后和鍋爐點火后，要按規(guī)定抄錄汽包膨脹指示器，發(fā)現(xiàn)各部位不均勻膨脹時要及時分析原因并采取措施治理觀察，不可盲目操作。

2.1.2 鍋爐熱態(tài)啟動汽包壁溫差的控制措施

鍋爐熱態(tài)啟動過程應(yīng)盡量縮短鍋爐風(fēng)機啟動時間，要求爐膛吹掃不得大于10 min。吹掃后盡快點火，防止鍋爐急劇冷卻，同時盡量提高上水溫度，要求上水溫度不得低于100 ℃。要控制上水流量不大于5%BMCR，同時控制汽包壁溫差在40 ℃以內(nèi)。在上水過程中，要就地增加巡回檢查頻次，發(fā)現(xiàn)異常振動聲響時，需要降低上水流量或者停止鍋爐上水。上水溫度與汽包壁溫差越大，上水速度越慢。鍋爐點火后，嚴(yán)格執(zhí)行不同階段的升溫升壓控制速率要求。升溫初期要慢些，每升高50 ℃要停留一段時間使鍋爐均勻膨脹。鍋爐壓強達到0.2 MPa 后及時關(guān)閉汽包排空氣門，并適當(dāng)提高鍋爐升壓升溫速率，使得汽包壓強較快達到汽包壁溫對應(yīng)的飽和壓強，然后按正常啟動程序控制升壓升溫速率。

2.2 鍋爐停運冷卻過程汽包壁溫差的控制措施

2.2.1 鍋爐正常停運過程汽包壁溫差的控制措施

鍋爐在正常滑參數(shù)降負荷停運時，要嚴(yán)格按規(guī)程控制降負荷降壓速率不大于0.098 MPa·min-1，降溫速率不大于1 ℃·min-1。停爐過程采用滑參數(shù)停機。停爐前，如果汽包壁溫差偏大，則在熄火前維持低參數(shù)運行一段時間，消除滑參數(shù)停爐形成的部分汽包壁溫差。鍋爐解列前檢查所有人孔門，保證看火孔關(guān)閉嚴(yán)密。當(dāng)鍋爐解列后，風(fēng)煙系統(tǒng)按要求吹掃5 ～10 min，待吹掃完成后，及時將送引風(fēng)機、空預(yù)器、一次風(fēng)機所有風(fēng)門擋板含風(fēng)機動靜葉導(dǎo)葉關(guān)閉，然后悶爐48 h。汽水系統(tǒng)需控制爐水溫度下降速率不大于1 ℃·min-1，汽包壁溫差不大于42 ℃，同時將汽包水位上至最高可見水位+300 mm，后停運電泵或汽動給水泵。若汽包水位低于0 mm，使用電泵對汽包進行小流量上水至最高可見水位并保持，盡量提高除氧器水溫，減少給水溫度和汽包壁溫度的差值[4]。當(dāng)鍋爐悶爐48 h 后，開啟送風(fēng)機、引風(fēng)機、空預(yù)器所有擋板鍋爐二次小風(fēng)門，啟動送引風(fēng)機，調(diào)整動葉和靜葉冷卻鍋爐。冷卻通風(fēng)初期通風(fēng)量控制由小到大，控制溫降速率小于8 ℃·h-1，觀察汽包壁溫差是否有擴大趨勢。若壁溫差增大過快或壁溫差大于42 ℃，不得進行強制冷卻。鍋爐快速放水應(yīng)在汽包壓強降為0.6 ～1.6 MPa、汽包壁溫低于200 ℃時，進行熱爐帶壓放水。注意壓強下降速率，當(dāng)溫差大于42 ℃時應(yīng)暫停放水，待溫差穩(wěn)定后重新放水。若汽包壁溫有擴大趨勢，鍋爐應(yīng)重新悶爐。

2.2.2 鍋爐故障停運需快速冷卻時汽包壁溫差的控制措施

故障停爐時，在汽機打閘前投入除氧器，加熱盡量提高給水溫[5]。當(dāng)停爐前汽包壁溫差大于35 ℃時，停爐熄火后應(yīng)迅速關(guān)閉各放水排污門，關(guān)閉各管道疏水、排污、取樣手動門，控制汽包降壓速度，同時將汽包水位上至+300 mm。故障停爐后，鍋爐按規(guī)定進行吹掃后悶爐48 h。如需對鍋爐快速換水冷卻，可以在悶爐后進行強制通風(fēng)，控制汽包壁溫差小于42 ℃。鍋爐換水冷卻過程需在汽包壁溫差不大于42 ℃下進行，啟動電泵控制小流量進行汽包換水。換水時維持汽包水位大于+300 mm，否則不得進行汽包換水。當(dāng)給水溫度和汽包壁溫超過80 ℃時，應(yīng)停止補水換水。汽包換水時必須密切監(jiān)測過熱器、再熱器管壁溫度，防止汽包滿水及從過熱減溫器、再熱減溫器漏入再熱器而進入汽輪機。

2.3 鍋爐停運后保養(yǎng)時汽包壁溫差的控制措施

在鍋爐停爐后選擇保養(yǎng)方法時，應(yīng)盡量避免選用熱爐帶壓放水法對鍋爐進行烘干防腐。正常停爐時，在條件允許時，鍋爐保養(yǎng)應(yīng)選用沖氮法；如果機組屬于調(diào)停備用隨時需要啟動的機組時，建議考慮間斷點火維持汽包壓力對鍋爐進行保養(yǎng)。國內(nèi)部分電廠對熱風(fēng)系統(tǒng)進行改造，將臨爐煙氣的熱風(fēng)引導(dǎo)至停運的鍋爐里面后，在鍋爐放完水后立刻引入臨爐的熱風(fēng)來提高低壓放水時鍋爐烘干所需的儲熱量，這樣能大大降低汽包壁的溫差。

如果選用熱爐帶壓放水法進行烘干保養(yǎng)，在鍋爐壓力降至2.0 MPa 時，迅速全開空氣門、排汽門和放水門放盡鍋內(nèi)存水。放水結(jié)束后，采用強制通風(fēng)將鍋內(nèi)濕氣排出，直至鍋爐空氣相對濕度等于環(huán)境相對濕度。使鍋爐表面徹底干燥，如爐膛溫度降至105 ℃時濕度達不到要求，鍋爐應(yīng)點火，繼續(xù)烘干。鍋爐降壓放水過程中，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測汽包上、下壁各點溫度變化，避免汽包壁溫差超過廠家允許值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)汽包壁溫差逐步擴大趨勢時，應(yīng)暫?；蛘呓档头潘俾省Ｔ诒ＷC汽包上、下壁溫差不超過廠家允許值的前提下盡量提高放水壓力和溫度。放水結(jié)束后，應(yīng)立即關(guān)閉空氣門、排汽門和放水門，主、再熱蒸汽管道疏水門以及汽包加藥和取樣門等，將停運的鍋爐封閉。

3 結(jié)語

深入剖析某330 MW 機組鍋爐汽包壁溫差大的原因，針對機組啟停過程進行汽包壁溫差大問題提出具體的控制措施，以保障汽包的安全經(jīng)濟運行。