高壓汽包壁溫差產(chǎn)生的原因分析及控制措施
發(fā)布時(shí)間：2019-07-10 發(fā)布作者：張釗武 , 段 赫
摘 要：主要介紹了余熱鍋爐高壓汽包的基本組成和作用，詳細(xì)分析了機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)高壓汽包壁溫差產(chǎn)生的原因以及控制措施；著重介紹了如何控制高壓汽包升壓速率并提出優(yōu)化措施；通過(guò)采取這些控制和優(yōu)化措施將高壓汽包上下壁溫差控制在 50℃范圍以內(nèi)，減少了高壓汽包啟動(dòng)過(guò)程中的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)使用壽命，保證機(jī)組安全運(yùn)行。
引言
某發(fā)電廠采用一拖一分軸布置 F 級(jí)燃?xì)?- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，一臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)余熱鍋爐，一臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，燃機(jī)為 安 薩 爾 多 AE94.3A 重 型 機(jī) 組， 余 熱 鍋 爐 為 東 方 凌 日 的 MHDB-AE94.3A-Q1，此余熱鍋爐高壓汽包的設(shè)計(jì)壓力是 16.4MPa，設(shè)計(jì)溫度是 355℃，采用材質(zhì)是 13MnNiMoR, 汽包壁厚度是 105mm。汽輪機(jī)為上海電氣的 135 機(jī)組型號(hào) LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547。該發(fā)電廠在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中高壓汽包上下壁溫差較高達(dá)到 80℃，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行，本文以該發(fā)電廠 AE94.3A 燃?xì)?- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，分析余熱鍋爐高壓汽包在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中上下壁溫差大的原因并提出控制措施。
1 高壓汽包組成
高壓汽包由封頭和簡(jiǎn)體組焊而成，整體主要是由管道、測(cè)量裝置和分離裝置組成的。管道主要有給水管道、下降管道、上升管道、加藥管道、排污管道、飽和蒸汽管道等；測(cè)量裝置主要有汽包壁溫?zé)犭娕�、汽包雙色水位計(jì)、差壓水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)，壓力表，壓力變送器，安全閥等；分離裝置主要有旋風(fēng)分離器，波形板分離器，波形板干燥器，均流孔板等。
2 高壓汽包作用
高壓汽包是高壓爐水加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱三個(gè)過(guò)程的樞紐，是建立高壓系統(tǒng)水循環(huán)的中轉(zhuǎn)站；汽包內(nèi)部布置有旋風(fēng)分離器、波形板箱以及排污等裝置，是高壓蒸汽合格品質(zhì)的保證；高壓汽包水容積 44m³，具有一定的儲(chǔ)水量和蓄熱能力，在異常工況下能緩解蒸汽壓力的快速變化。
3 高壓汽包壁溫差大危害
高壓汽包熱應(yīng)力的產(chǎn)生來(lái)源于汽包上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差，壁溫差越大，熱應(yīng)力越大，長(zhǎng)期在過(guò)應(yīng)力工況下運(yùn)行會(huì)增加汽包壽命損耗 [1]，嚴(yán)重時(shí)使汽包發(fā)生彎曲變形甚至產(chǎn)生裂紋，危害機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，余熱鍋爐在啟動(dòng)或者停運(yùn)過(guò)程中，必須控制汽包壁溫差不超限（50℃），尤其是控制高壓汽包上下壁溫差。
4 高壓汽包壁溫差大原因分析
4.1 高壓汽包上下壁與工質(zhì)換熱系數(shù)不同
燃機(jī)點(diǎn)火后初帶一定負(fù)荷，余熱鍋爐在冷態(tài)下升溫升壓，由于汽包上下壁溫度低，汽包上部飽和蒸汽和下部爐水分別對(duì)汽包上下壁進(jìn)行加熱，汽包下部爐水對(duì)汽包下壁進(jìn)行對(duì)流換熱，上部飽和蒸汽對(duì)汽包上壁進(jìn)行凝結(jié)換熱，后者的換熱系數(shù)是 3~4 倍 [2]，因此在相同條件下汽包上壁溫度上升快。
4.2 汽包升壓速率過(guò)快
隨著高壓汽包壓力的上升，對(duì)應(yīng)的飽和溫度升高，尤其在壓力小于 1.5MPa 時(shí)，隨著壓力的上升，飽和蒸汽溫度上升較快，汽包上壁溫度跟隨著快速上升，而在啟動(dòng)初期水循環(huán)尚未建立導(dǎo)致汽包下部爐水溫度上升較緩，下壁溫度上升慢，如果此時(shí)控制不當(dāng)，汽包上下壁溫差就會(huì)超限。
4.3 高壓汽包壁厚大
余熱鍋爐啟動(dòng)過(guò)程，高壓汽包內(nèi)壁直接與水和飽和蒸汽接觸，溫度跟隨快速上升，汽包外壁溫度的升高受到金屬導(dǎo)熱的限制，汽包內(nèi)外壁溫差與汽包壁厚和導(dǎo)熱系數(shù)成正比，故外壁溫度上升緩慢，此外汽包外壁溫度通過(guò)保溫層與大氣進(jìn)行換熱，由此造成汽包內(nèi)壁溫度上升快，外壁溫度上升慢，從而產(chǎn)生內(nèi)外壁溫差 [3]。
5 高壓汽包壁溫差大控制措施
5.1 提高高壓汽包給水溫度
高壓給水來(lái)自于低壓汽包，低壓汽包和除氧頭一體設(shè)置，除氧頭設(shè)置了輔助蒸汽加熱。在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，投運(yùn)輔助蒸汽至除氧頭加熱，一方面有助于低壓汽包給水的除氧，另一方面加熱低壓汽包爐水，提升高壓汽包給水溫度，防止高壓汽包產(chǎn)生蒸汽后為維持水位補(bǔ)入低溫的給水，進(jìn)一步拉大高壓汽包上下壁溫差。
5.2 投運(yùn)高壓蒸發(fā)器底部加熱
冷態(tài)啟動(dòng)前將高壓汽包水位上到可見水位（-500mm），投入高壓蒸發(fā)器底部加熱，將高壓汽包爐水加熱到 90℃，此時(shí)高壓汽包水位約為 -250mm，加熱高壓汽包底部爐水，減緩高壓汽包升壓初期上下壁溫差過(guò)快拉大 [4]。高壓汽包升壓初期保證高壓汽包水位處于低水位狀態(tài)，讓高壓汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽盡量充滿汽包內(nèi)部，加速高壓汽包整體溫度上升，縮小上下壁溫差。
5.3 加大底部排污，建立水循環(huán)
在啟動(dòng)升壓初期，由于高壓汽包產(chǎn)生蒸汽量相對(duì)較小，高壓系統(tǒng)水循環(huán)尚未建立，高壓蒸發(fā)器以及汽包底部爐水基本處于停滯狀態(tài)，換熱系數(shù)小，下壁溫度上升特別緩慢，而飽和蒸汽不斷與汽包上壁進(jìn)行換熱，此時(shí)上下壁溫差容易超限。通過(guò)打開高壓蒸發(fā)器排污電動(dòng)門以及高壓汽包連續(xù)排污，促進(jìn)壓汽包爐水循環(huán)，加強(qiáng)爐水的流動(dòng)，以提升高壓汽包下壁溫度，減少高壓汽包上下壁溫差 [5]。
5.4 放盡高壓汽包內(nèi)爐水
冷態(tài)啟動(dòng)前，將高壓汽包內(nèi)剩余低溫爐水放掉，補(bǔ)充溫度較高的給水，縮短高壓蒸發(fā)器底部加熱時(shí)間，提前控制高壓汽包上下壁溫差，為燃機(jī)啟動(dòng)后控制溫差提供有利條件。
5.5 控制高壓汽包壓力上升速率
在啟動(dòng)初期燃機(jī)初帶較低負(fù)荷 10MW，大氣溫度 25℃時(shí)，10MW時(shí)燃機(jī)排煙溫度高達(dá) 370℃，高壓蒸發(fā)器入口溫度達(dá) 325℃，在高壓汽包起壓初期，隨著高壓汽包壓力的上升，飽和溫度快速上升，汽包上壁溫度跟隨快速上升，因此，在升壓初期控制高壓汽包升壓速率是控制上下壁溫差的有效措施。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，切除高壓旁路閥自動(dòng)模式，手動(dòng)將高壓旁路閥打開 80% 直到高壓汽包上下壁溫差回升后慢慢手動(dòng)關(guān)小高壓旁路閥；打開高壓汽包爐側(cè)、機(jī)側(cè)疏水以及高壓過(guò)熱器出口排氣電動(dòng)門，減緩高壓汽包壓力的上升從而控制高壓汽包上外壁的升溫速率小于 3.5℃ /min，當(dāng)再熱壓力大于 0.1MPa 時(shí)，打開再熱器出口排氣電動(dòng)門直至再熱壓力大于 0.25MPa 后關(guān)閉，再熱器出口排空電動(dòng)門關(guān)閉后緩慢手動(dòng)打開中壓旁路閥，注意凝汽器真空變化以及排氣溫度的上升，在真空允許的條件下慢慢開大中壓旁路閥直至 70%，盡可能在高壓包升壓初期控制壓力的上升速率。以下表 1 是采取了上述控制措施后在冷態(tài)啟動(dòng)燃機(jī)初帶 10MW，高中壓旁路閥開度分別為80%，70% 時(shí)高壓汽包上下壁溫差與升溫速率、升壓速率的關(guān)系。（表
1 中高壓汽包升壓速率和上外壁升溫速率是每隔 10min 的計(jì)算值）
采取以上控制措施并通過(guò)多次聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的數(shù)據(jù)采集可知，在啟動(dòng)初期，高壓汽包的升壓速率是影響高壓汽包上下壁溫差的主要因素，因此對(duì)高壓汽包升壓速率過(guò)快在邏輯方面進(jìn)行優(yōu)化，以減少運(yùn)行人員手動(dòng)操作，防止操作不當(dāng)造成高壓汽包上下壁溫差超限。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)將高中壓旁路閥100% 打開直到檢測(cè)到高壓汽包上下壁溫差回落大于 5℃時(shí)自動(dòng)進(jìn)入高中壓旁路定壓控制模式，維持沖轉(zhuǎn)壓力等待沖轉(zhuǎn)。由于中壓旁路閥的開啟對(duì)真空影響較大，因此對(duì)中壓旁路閥全開的條件作以下說(shuō)明，中壓旁路閥全開條件：機(jī)組冷
態(tài)啟動(dòng)且真空小于 10Kpa（絕對(duì)壓力）且再熱蒸汽壓力大于 0.25MPa且再熱器出口排空電動(dòng)門關(guān)閉且中壓旁路閥沒(méi)有快關(guān)條件。表 2 是在采取上述控制措施以及升壓速率優(yōu)化后，冷態(tài)啟動(dòng)燃機(jī)初帶 10MW，高中壓旁路閥開度分別為 100%，100% 時(shí)高壓汽包上下壁溫差與升溫速率、升壓速率的關(guān)系。
對(duì)比表 1 和表 2 可知，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，燃機(jī)初帶 10MW 負(fù)荷，在第 10~20min 內(nèi)控制好升溫升壓速率是控制汽包上下壁溫差的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，高壓汽包升壓速率優(yōu)化前第 10~20min，高壓汽包的升壓速率達(dá)到 0.102MPa/min，上壁升溫速率達(dá)到 4.4℃ /min，超過(guò)預(yù)定的升溫速率 3.5℃ /min，此時(shí)高壓汽包上壁溫度上升過(guò)快，下壁溫度上升慢，導(dǎo)致此時(shí)上下壁溫差達(dá)到 54℃，而優(yōu)化后在第 10~20min，升壓速率下降至 0.095MPa/min，升溫速率跟隨下降至 3.4℃ /min，雖然在第20~30min，上壁升溫速率超過(guò) 3.5℃ /min，但由于持續(xù)時(shí)間較短且此時(shí)高壓汽包下部水循環(huán)已建立，下壁溫度上升增快，因此上下壁溫差仍然在 50℃以內(nèi)，在第 30~40min，上下壁溫差慢慢縮小，上下壁溫維持沖轉(zhuǎn)壓力等待沖轉(zhuǎn)。
7 結(jié)論
通過(guò)上述控制措施以及高壓汽包升壓速率優(yōu)化措施，保證了機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)高壓汽包上下壁溫差不超限，減少了高壓汽包在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)了高壓汽包的使用壽命，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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