高壓汽包壁溫差產生的原因分析及控制措施

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，詳細分析了機組冷態啟動時高壓汽包壁溫差產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化措施;通過采取這些控制和優化措施將高壓汽包上下壁溫差控制在50℃范圍以內，減少了高壓汽包啟動過程中的熱應力，延長使用壽命，保證機組安全運行。

關鍵詞：高壓汽包;冷態啟動;汽包壁溫差;控制措施;優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.141

0 引言

某發電廠采用一拖一分軸布置F級燃氣-蒸汽聯合循環機組，一臺燃機發電機組，一臺余熱鍋爐，一臺汽輪機發電機組，燃機為安薩爾多AE94.3A重型機組，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計壓力是16.4MPa，設計溫度是355℃，采用材質是13MnNiMoR，汽包壁厚度是105mm。汽輪機為上海電氣的135機組型號LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547。該發電廠在冷態啟動過程中高壓汽包上下壁溫差最高達到80℃，嚴重威脅機組的安全運行，本文以該發電廠AE94.3A燃氣-蒸汽聯合循環機組為例，分析余熱鍋爐高壓汽包在冷態啟動過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體組焊而成，整體主要是由管道、測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;測量裝置主要有汽包壁溫熱電偶、汽包雙色水位計、差壓水位計、電接點水位計，壓力表，壓力變送器，安全閥等;分離裝置主要有旋風分離器，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、過熱三個過程的樞紐，是建立高壓系統水循環的中轉站;汽包內部布置有旋風分離器、波形板箱以及排污等裝置，是高壓蒸汽合格品質的保證;高壓汽包水容積44m?，具有一定的儲水量和蓄熱能力，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

高壓汽包熱應力的產生來源于汽包上下壁溫差和內外壁溫差，壁溫差越大，熱應力越大，長期在過應力工況下運行會增加汽包壽命損耗[1]，嚴重時使汽包發生彎曲變形甚至產生裂紋，危害機組的安全運行。因此，余熱鍋爐在啟動或者停運過程中，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換熱系數不同

燃機點火后初帶一定負荷，余熱鍋爐在冷態下升溫升壓，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汽包上下壁進行加熱，汽包下部爐水對汽包下壁進行對流換熱，上部飽和蒸汽對汽包上壁進行凝結換熱，后者的換熱系數是3～4倍[2]，因此在相同條件下汽包上壁溫度上升快。

4.2 汽包升壓速率過快

隨著高壓汽包壓力的上升，對應的飽和溫度升高，尤其在壓力小于1.5MPa時，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，而在啟動初期水循環尚未建立導致汽包下部爐水溫度上升較緩，下壁溫度上升慢，如果此時控制不當，汽包上下壁溫差就會超限。

4.3 高壓汽包壁厚大

余熱鍋爐啟動過程，高壓汽包內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熱的限制，汽包內外壁溫差與汽包壁厚和導熱系數成正比，故外壁溫度上升緩慢，此外汽包外壁溫度通過保溫層與大氣進行換熱，由此造成汽包內壁溫度上升快，外壁溫度上升慢，從而產生內外壁溫差[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

高壓給水來自于低壓汽包，低壓汽包和除氧頭一體設置，除氧頭設置了輔助蒸汽加熱。在冷態啟動過程中，投運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，防止高壓汽包產生蒸汽后為維持水位補入低溫的給水，進一步拉大高壓汽包上下壁溫差。

5.2 投運高壓蒸發器底部加熱

冷態啟動前將高壓汽包水位上到可見水位（-500mm），投入高壓蒸發器底部加熱，將高壓汽包爐水加熱到90℃，此時高壓汽包水位約為-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，讓高壓汽包產生的飽和蒸汽盡量充滿汽包內部，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

在啟動升壓初期，由于高壓汽包產生蒸汽量相對較小，高壓系統水循環尚未建立，高壓蒸發器以及汽包底部爐水基本處于停滯狀態，換熱系數小，下壁溫度上升特別緩慢，而飽和蒸汽不斷與汽包上壁進行換熱，此時上下壁溫差容易超限。通過打開高壓蒸發器排污電動門以及高壓汽包連續排污，促進高壓汽包爐水循環，加強爐水的流動，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 放盡高壓汽包內爐水

冷態啟動前，將高壓汽包內剩余低溫爐水放掉，補充溫度較高的給水，縮短高壓蒸發器底部加熱時間，提前控制高壓汽包上下壁溫差，為燃機啟動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

在啟動初期燃機初帶最低負荷10MW，大氣溫度25℃時，10MW時燃機排煙溫度高達370℃，高壓蒸發器入口溫度達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。冷態啟動時，切除高壓旁路閥自動模式，手動將高壓旁路閥打開80%直到高壓汽包上下壁溫差回升后慢慢手動關小高壓旁路閥;打開高壓汽包爐側、機側疏水以及高壓過熱器出口排氣電動門，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，當再熱壓力大于0.1MPa時，打開再熱器出口排氣電動門直至再熱壓力大于0.25MPa后關閉，再熱器出口排空電動門關閉后緩慢手動打開中壓旁路閥，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%，盡可能在高壓汽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啟動燃機初帶10MW，高中壓旁路閥開度分別為80%，70%時高壓汽包上下壁溫差與升溫速率、升壓速率的關系。（表1中高壓汽包升壓速率和上外壁升溫速率是每隔10min的計算值）

6 高壓汽包升壓速率優化措施

采取以上控制措施并通過多次聯合循環機組冷態啟動的數據采集可知，在啟動初期，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，因此針對高壓汽包升壓速率過快在邏輯方面進行優化，以減少運行人員手動操作，防止操作不當造成高壓汽包上下壁溫差超限。冷態啟動時，自動將高中壓旁路閥100%打開直到檢測到高壓汽包上下壁溫差回落大于5℃時自動進入高中壓旁路定壓控制模式，維持沖轉壓力等待沖轉。由于中壓旁路閥的開啟對真空影響較大，因此對中壓旁路閥全開的條件作以下說明，中壓旁路閥全開條件：機組冷態啟動且真空小于10Kpa（絕對壓力）且再熱蒸汽壓力大于0.25MPa且再熱器出口排空電動門關閉且中壓旁路閥沒有快關條件。表2是在采取上述控制措施以及升壓速率優化后，冷態啟動燃機初帶10MW，高中壓旁路閥開度分別為100%，100%時高壓汽包上下壁溫差與升溫速率、升壓速率的關系。

對比表1和表2可知，冷態啟動時，燃機初帶10MW負荷，在第10～20min內控制好升溫升壓速率是控制汽包上下壁溫差的關鍵節點，高壓汽包升壓速率優化前第10～20min，高壓汽包的升壓速率達到0.102MPa/min，上壁升溫速率達到4.4℃/min，超過預定的升溫速率3.5℃/min，此時高壓汽包上壁溫度上升過快，下壁溫度上升慢，導致此時上下壁溫差達到54℃，而優化后在第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3.5℃/min，但由于持續時間較短且此時高壓汽包下部水循環已建立，下壁溫度上升增快，因此上下壁溫差仍然在50℃以內，在第30～40min，上下壁溫差慢慢縮小，上下壁溫差回升5℃后高中壓旁路進入旁路定壓模式，高中壓旁路閥逐漸關小維持沖轉壓力等待沖轉。

7 結論

通過上述控制措施以及高壓汽包升壓速率優化措施，保證了機組冷態啟動時高壓汽包上下壁溫差不超限，減少了高壓汽包在冷態啟動過程中的熱應力，延長了高壓汽包的使用壽命，保證了機組安全穩定運行。

參考文獻：

[1]趙玉蓮，崔艷華，黃建榮.電站鍋爐設備及運行[M].北京：中國電力出版社，2012：280-281.

[2]康曉光.1025t/h鍋爐汽包壁溫差產生的原因分析及對策[J].山西焦煤科技，2010（S1）：1-3.

[3]孫廣科.鍋爐汽包壁溫差產生的原因與控制[J].東北電力技術，2007（03）：27-29.

[4]劉興彥.9F燃機鍋爐爐底加熱系統淺談[J].內蒙古科技與經濟，2011（11）：82-83+86.

[5]王曉華.熱電廠汽包鍋爐啟動過程中汽包熱力的分析與保護[J].黑龍江科學，2014，5（02）：161.

作者簡介：張釗武（1991-），男，廣東汕頭人，本科，助理工程師，運行值班員，研究方向：燃氣-蒸汽聯合循環電廠運行優化。