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1、毕业设计（论文）题目 火电厂锅炉汽包及水冷壁启动过程分析与保护专 业 热能动力设备与应用 学生姓名 刘文辽 指导教师 韩莉 河北能源职业技术学院2011年4月26日毕业设计任务书姓名刘文辽专业热能动力设备与应用毕业设计题目火电厂锅炉汽包及水冷壁启动过程分析与保护毕业设计工作起止时间2011年4月1日至2011年6月1日地点三友电厂毕业设计（论文）的内容：1、 锅炉启动状态的划分与启动方式的分类2、 自然循环锅炉启动过程中汽包的应力分析3、 锅炉启动过程中汽包的应力控制原则及措施4、 汽包水位波动大的原因及预防措施5、 锅炉启动过程中水冷壁的运行工况分析及保护措施毕业设计（论文）的要求：指导教师
2、签名： 摘 要随着火力发电厂装机容量的增大，发电机组的安全运行成为影响火力发电厂经济效益的重点，因而预防电厂事故显得至关重要。我国火电机组中停运事故的50以上发生在锅炉侧，而且这些事故的绝大多数是由锅炉启动过程中的问题所引起的。所以火力发电厂锅炉的安全启动在整个电厂的运行中成为了一个极其重要的问题！锅炉的启动状态一般按照停炉时间、金属温度进行划分，根据锅炉的启动状态可以选择定参数启动还是滑参数启动。对于自然循环锅炉来说，汽包和水冷壁在启动过程中的应力控制和运行工况尤其显得重要。通过对自然循环锅炉的汽包在整个启动过程中热应力的分析、上下壁温差、内外壁温差造成的热应力以及汽包疲劳寿命的分析，得出了
3、汽包应力的控制原则和预防措施。针对汽包锅炉的水位控制情况，结合具体实例，分析了造成汽包水位波动大的原因并提出了具体预防汽包水位波动的措施。对于锅炉水冷壁在启动过程中的温度、水力偏差以及局部传热恶化等运行工况从理论、实际运行经验等方面进行了分析研究，从而得出了水冷壁在机组启动过程中的保护措施。关键词： 锅炉 汽包 水冷壁 启动 分析目录1. 绪论11.1 锅炉启动的概念11.2 锅炉启动状态的划分11.3 单元机组的启动方式11.3.1 额定参数启动11.3.2 滑参数启动11.4 锅炉启动过程的安全经济性22.汽包启动过程分析及保护32.1 汽包概述32.2 汽包启动应力分析32.2.1 汽包
4、机械应力32.2.2 汽包热应力42.2.2.1 热应力的概念42.2.2.2 锅炉启动过程中汽包的热应力42.2.2.3 汽包上、下壁温差引起的热应力42.2.2.4 汽包内、外壁温差引起的热应力52.2.2.5 汽包附加应力52.2.2.6 峰值应力52.3 汽包低周疲劳破坏分析52.4 启停过程中汽包壁的温差监视62.5 锅炉启动过程中的汽包应力控制62.5.1 控制汽包应力的安全原则62.5.2 控制汽包启动应力的措施72.6 汽包启动水位分析72.6.1 概述72.6.2 水位波动过大的原因分析82.6.3 水位波动过大的防范措施83.水冷壁的启动分析及保护93.1 水冷壁启动温度工
5、况分析93.2 水冷壁的水力偏差分析93.3 水冷壁的局部传热恶化分析113.4 水冷壁的启动保护114.结论13致谢14参考文献151. 绪论1.1 锅炉启动的概念发电厂锅炉的启动指从点火到带额定负荷或并入蒸汽母管的全过程。启动过程是火力发电设备运行的重要操作阶段，要在保证设备安全的前提下尽量缩短启动过程所需时间，使之达到快速响应负荷能力，提高机组运行的经济性1。1.2 锅炉启动状态的划分 锅炉的启动方式和启动所需时间与锅炉的结构型式、容量、燃料的种类、电厂的热力系统、气候条件及选定的操作方式等有关2。按照启动时机组的金属温度情况，锅炉启动分为冷态启动、温态启动和热态启动。冷态启动是指锅炉在
6、没有压力，且其温度与环境温度接近的情况下的启动。热态启动是指锅炉在保持有一定压力，且温度高于环境温度下的启动。温态启动是介于冷态和热态之间的一种启动方式。启动方式的划分一般是依据汽轮机在启动时汽缸的金属温度水平进行的。国内外各制造厂根据金属材料和设计、制造技术水平所取的温度界限也不尽相同。如GE公司的划分方法为：以汽轮机高压缸第一级金属温度的高低为依据，该温度在150300之间，为温态启动；在300430之间，为热态启动；430以上为极热态启动。除此之外，也有按停炉时间来大体代表启动初金属温度状态的，如德国的BABCOCK机组，机组停用48小时后的启动为温态，停用8小时后的启动为热态，停用2小
7、时后的启动为极热态13。东方机组规定停机大于72小时为冷态，停炉1072小时为温态，停炉小于10小时为热态，停炉小于1小时为极热态。启动状态的划分有助于运行人员掌握机组各种状态下的启动特点。如冷态启动时，机组温度水平低，为使其均匀加热，不至于产生较大的热应力，锅炉升温、升压及升速、升负荷都应缓慢进行。而热态、极热态启动时，机组各部件处于较高的温度状态，为防止高温部件受到蒸汽冷却造成应力损伤，就必须尽快使工作参数达到机组部件的温度水平，此时锅炉进水、燃烧率控制、升速、升负荷都应明显加快，冲转参数也较高1。1.3 单元机组的启动方式1.3.1 额定参数启动锅炉点火后，当蒸汽压力、温度升至一定值时，
8、进行汽轮机挂闸、冲转，汽轮机从冲转到带额定负荷期间，主蒸汽阀门前的蒸汽参数始终保持为额定值。这种启动方式的运行灵活性和经济性均较差，一般多用于母管制的小型机组上应用，现单元制运行的大型机组均已不采用这种启动方式4。1.3.2 滑参数启动单元制机组通常采用滑参数启动，又称为联合启动。在锅炉点火、蒸汽升压、升温的过程中，利用汽温、汽压的升高逐渐提高汽轮机的负荷。在整个启动的过程中，主蒸汽阀门前的蒸汽参数随汽机的金属温度和负荷情况，逐渐升高最终达到额定参数。滑参数启动优点：1）启动过程中，蒸汽管道的暖管、汽轮机的启动与锅炉的升压同时进行，从而使整台机组的启动时间缩短，增加了运行调度的灵活性。2）整台
9、机组的加热过程是从较低的蒸汽参数开始的，各部件的受热膨胀比较均匀。锅炉的水循环工况稳定，过热器得到良好的冷却。同时，由于开始进入汽轮机的蒸汽压力和温度均较低，蒸汽的容积流量较大，容易充满汽轮机，而且流速也较大，汽轮机的各部件均匀快速的升温，不至于会产生过大的热应力。3）启动过程经济性提高，特别是设置旁路系统的机组，启动过程中可回收工质及利用工质的热量，工质损失和燃料消耗减少，机组在启动过程中即可发出电能1。1.4 锅炉启动过程的安全经济性锅炉的启动是一个传热、流动的极不稳定的复杂过程。启动过程中，锅炉工质温度及各部件温度随时变化，由于受热不一致，且部件的不同部位温度不同，因而会产生热应力，甚至
10、使部件损坏。一般来说，部件越厚，在单侧受热时的内、外壁温差越大，热应力也越大。汽包、过热器联箱、蒸汽管道和阀门等的壁厚均较大，所以在受热过程中必须妥善控制，尤其是汽包。锅炉启动初期受热面内部工质的流动尚不正常，工质对受热面金属的冲刷和冷却作用是很差的，有的受热面内甚至在短时间内根本没有工质流过。如果这时受热过强，金属壁温就有可能超过许用温度。锅炉的水冷壁、过热器、再热器及省煤器均有可能超温。因此，启动初期的燃烧过程应谨慎进行8。炉膛爆燃也是启动过程中容易发生的事故，锅炉启动之初，燃料量少、炉温低、燃烧不完全且不易控制，极有可能燃烧不稳定导致灭火，一旦发生爆燃，将使设备受到严重损坏。启动过程中所
11、用燃料，除用于加热工质和部件外，还有一部分耗于排汽和放水，造成热损失和工质损失。在低负荷燃烧阶段，过量空气和燃烧损失也较大，锅炉的运行效率要比正常运行时低得多。总之，在锅炉启动过程中，既有安全问题也有经济问题，二者经常是矛盾的。为保证受热面的安全，减小热应力，启动过程应尽可能较慢的升温升压，燃料量的增加也只能缓慢进行。但势必延长启动时间，使锅炉在启动过程中消耗更多的燃料，降低了经济性。锅炉启动的原则是在保证设备安全的前提下，尽可能缩短启动时间，减少启动燃料的消耗量，并使机组尽早带负荷9。2.汽包启动过程分析及保护2.1 汽包概述汽包是锅炉中体积最大、壁最厚的承压元件，以东方300MW机组锅炉为
12、例，汽包承受工作压力18.5Mpa，对应饱和温度362，汽包的结构尺寸为外径2090，厚度为145。汽包的主要作用有四个：1）连接。 汽包将水冷壁、下降管、过热器及省煤器等各种直径不同、根数不同、用途不同的管子有机的连接在一起，起到了一个大联箱的作用。2）汽水分离。将由水冷壁蒸发受热面来的汽水混合物，经汽包内的汽水分离装置分离出来，进入过热器。3）储水。汽包是一较大的汽水分离容器，它的下半部贮存了一定容量的水，在锅炉运行中可以对给水流量变化起到缓冲作用，所以允许给水流量短时间内的少量波动，增加了锅炉运行的稳定性。同时汽包中贮存的水还起到了缓冲压力波动的作用，当压力升高时，因对应饱和温度升高，汽
13、包中的水贮存了一部分热量，从而使压力升高较缓慢；当压力降低时，对应饱和温度降低，汽包中的水释放了一部分热量，使压力降低较缓慢。4）汽包中的连续排污装置、清洗装置能保持蒸汽品质，加药装置能进行汽包内处理，防止蒸发受热面结垢。汽包内具有大量高压的饱和水和饱和蒸汽，其破裂而引起爆炸将是一种灾难性的事故。同时，汽包在自然循环锅炉中地位重要，更换困难，若发生损坏，将会严重影响锅炉的安全经济运行。因此，本章将会对在锅炉启动过程中汽包所出现的问题进行分析解决10。2.2 汽包启动应力分析汽包启动应力是指锅炉启动过程中汽包壁的应力。它主要由工质压力引起的机械应力、汽包壁温度不均引起的热应力以及汽包与内部介质重
14、力等引起的附加应力组成。汽包壁应力可分为主体膜应力和峰值应力两种。峰值应力是汽包壁的局部应力，由汽包壁温度不均匀及结构等原因引起，它比主体膜应力大24倍。峰值应力使汽包壁局部材料屈服，引起应力再分配，最大应力达到屈服极限，在静态时不构成破坏。但是，对波动的峰值应力，到了一定的波动次数后，材料就会脆性破坏11。2.2.1 汽包机械应力汽包的机械应力是指由汽包内的工质压力引起的金属应力，这个应力在任意点的三个方向均为拉应力，且均与汽包内压力成正比。随着汽压的升高，汽包机械应力将会越来越大。汽包的内、外直径之比都在0.85左右，属薄壁容器。薄壁容器在内压力的作用下只是向外扩张而无其他变形。故汽包的纵
15、横断面上只有正应力而无剪应力。汽包壁任一点有三个方向的应力，即沿圆筒切线方向的切向应力、沿圆筒轴线方向的轴向应力和沿圆筒直径方向的径向应力。同时，汽包由焊接而制成，并在壁上开有很多小孔，从而使汽包壁的应力增大了许多。2.2.2 汽包热应力2.2.2.1 热应力的概念金属部件的体积随着温度的升高而膨胀扩大，随着温度的下降而收缩减小。如果金属部件的体积能随温度变化而自由变化，金属部件内就不会产生应力；但是当金属部件的体积变化受到约束时就会产生很大的应力。通常，我们把由于金属部件之间存在着一定的温差所引起的应力称为热应力。2.2.2.2 锅炉启动过程中汽包的热应力锅炉启动过程中工质温度逐渐升高，汽包
16、被加热，在汽包的上半部分饱和蒸汽对内壁进行凝结放热，在下半部分锅水对内壁进行对流放热，凝结放热系数比对流放热系数大23倍，故汽包上壁温升高于下壁温升。汽包温度较高的部位金属膨胀量大、温度较低的部位金属膨胀量小。但汽包是一个整体，其各部分之间无相对位移的自由，因而汽包内壁受到压缩、外壁受到拉伸，汽包上壁受到压缩、下壁受到拉伸。汽包被压缩的部分产生压缩热应力、被拉伸的部分产生拉伸热应力。热应力又称温差应力，是由于不同部位金属在不同温度下其体积变化受到限制而产生的应力。汽包启动热应力主要是由汽包的上、下壁温差和内、外壁温差引起的12。2.2.2.3 汽包上、下壁温差引起的热应力在锅炉进水和锅炉升压过
17、程中都将会出现汽包上、下壁温差。锅炉进水时，水总是先与汽包下壁接触，然后逐渐升高与上壁接触。这样壁温就是上低下高。汽包下壁受压而上壁受拉。汽包起压后，上、下壁温差转为上高下低。这是因为汽包上部空间为汽、下部空间为水，都对汽包壁进行单向传热。但蒸汽对汽包上壁的放热为凝结放热，而水对汽包下壁的放热为微弱的对流放热，放热系数差别很大，前者比后者要大23倍。所以汽包上壁的受热要比下壁剧烈得多，使汽包上壁温度上升很快，因而造成汽包上、下壁产生温差。升压速度越快，汽包上、下壁温差就越大。汽包下壁的应力状态由受压转为受拉经历一次应力循环。由于启停一次应力变化的幅值与最初的压应力有关，而应力循环幅值大小会影响
18、汽包的低周疲劳寿命，所以启动前的进水应该限制进水的温度和时间，尽可能减小汽包上、下壁温差。当汽包上部壁温高于下部壁温时，汽包有产生弯曲变形的倾向。这时由于上壁温度高，膨胀量大，并力图拉着下壁一起膨胀；而下壁温度低，膨胀量小，并力图阻止上壁的膨胀。因而汽包上壁受压缩应力，下壁则受拉伸应力。但是，与汽包连接的很多管子将约束汽包的自由变形，这样就产生了很大的附加应力，严重时可能会使联箱、管子弯曲变形和管座焊缝产生裂纹。为降低汽包上、下壁温差，国外有些锅炉在汽包结构上有所改进。例如美国的CE公司、德国的BABCOCK公司在其设计生产的300MW、600MW级锅炉汽包内安装了与汽包同样长度的弧形衬板。上
19、升管汇集来的汽水混合物由汽包的中上部进入，经环形夹层向下流动，所以汽包上壁也有相当部分的面积与水接触，汽包上壁的冷凝放热影响相对减弱。但是由于冲刷汽包上壁的水速较高，上、下壁温差还存在，但允许的饱和水温升率要大的多13。2.2.2.4 汽包内、外壁温差引起的热应力汽包内、外壁温差出现于锅炉进水和锅炉升压的过程中。进水时，热水只与汽包内壁接触，外壁接受内壁热流，故其温度低于内壁，从而产生汽包的内、外壁温差。点火后随着汽压的上升，饱和温度也升高，同水和蒸汽接触的汽包内壁温度接近于饱和温度，但外壁温度的升高则受到金属导热及壁厚的限制，因而造成汽包内、外壁之间的温差。锅炉在稳定运行时，由于汽包的导热系
20、数很大，所以汽包壁内的温差很小，热应力也较小，可以忽略不计。然而，锅炉在启停或变负荷过程中，由于汽包内的介质温度不断上升，故产生了较大的热应力。汽包内壁温度高，膨胀受阻而承受压应力；外壁温度低，相对内壁力图收缩而承受拉应力。并且，热应力的最大值出现在内、外壁表面处。升压速度越快，汽包内、外壁温差及热应力就越大，且基本呈线性关系。这是因为在很快的介质温升速度下，内壁热量未来的及传给外壁，饱和温度就又升高了，所以将引起更大的内、外壁温差。由于汽包内的饱和温升始终伴随着升压过程，所以在整个升压过程中，汽包内外壁温差始终存在15。汽包壁温差的最大值通常出现在启动之初。其原因一是由于启动之初，水循环较弱
21、，水的扰动较小，汽包下半部与几乎不动的水接触传热，从而使汽包下部金属温升慢；二是由于低压阶段压力不大的变化就会引起饱和温度很大的变化，即引起锅水和汽温产生较大的变化，使水、汽对汽包壁的放热量也相应发生较大的变化，加大了汽包的上下壁温差。2.2.2.5 汽包附加应力汽包的附加应力是指汽包与内部介质重力引起的应力，其数值上与以上两种应力比较要小得多。2.2.2.6 峰值应力锅炉升压过程中汽包应力有机械应力和热应力两种。汽包内压力产生机械应力，汽包壁温不均产生热应力，还有附加应力，它们叠加后产生总应力，最大局部总应力点成为峰值应力。汽包顶部机械应力和上下壁温差热应力方向相反，相互减弱；汽包下部机械应
22、力和上下壁温差应力方向相同，相互增强。再叠加内外壁温差引起的热应力及应力集中的作用，峰值应力常出现在大直径下降管孔附近。启动过程汽包峰值应力的大小决定于汽包内压力、压力变动率及循环流速。某1000t/h亚临界压力自然循环锅炉进行启停应力峰值试验表明，在控制汽包壁温差的情况下，汽包峰值应力在-325+380Mpa之间变化。其最大负应力出现在冷态启动的初期，最大正应力则出现在汽包压力的最高值区域。汽包峰值应力是局部应力，当它超过材料的屈服极限时，将引起应力再分配，最大只能达到屈服极限，这在稳定压力下对强度是无害的，但在交变应力作用下，可能产生疲劳裂纹，并最终导致元件泄漏10。2.3 汽包低周疲劳破
23、坏分析汽包峰值应力超过材料屈服极限时，材料局部发生塑性变形，使断面上的应力重新分配，最大值不大于屈服极限。汽包金属在远低于其抗拉强度的循环应力作用下，经过一定的循环次数后会产生疲劳裂痕以至破裂，这种现象称为低周疲劳破坏。达到低周疲劳破坏的应力循环总次数称为寿命，运行中应力循环次数占寿命的百分数称为寿命损耗。是否要对汽包进行低周疲劳分析，美国机械工程师协会（ASME）给出了一个临界值。对于材料屈服极限小于552Mpa的汽包，应力循环次数超过1000次，都应对汽包进行低周疲劳分析。关于应力循环次数有以下定义：1）锅炉启动停运一个循环为一次。2）压力波动范围在数值上超过设计压力值20算一次。3）汽包
24、上任何相邻两点，因温度变化产生温差，不同温差值折算成次数，如下：a.2955，应力循环1次； b.5683，应力循环2次； c.84139，应力循环4次； d.140194，应力循环8次；e.195250，应力循环12次； f.250，应力循环20次；2.4 启停过程中汽包壁的温差监视为了保护汽包，在整个锅炉启动过程中必须不断监视汽包上下壁温差以及内外壁温差。为此，在大型锅炉的汽包壁上，安装有若干组温度测点，以集中下降管外壁温度代替汽包下部的内壁温度。在监护和控制温差时，按以下方法计算壁温差：以最大的引出管外壁温度减去汽包上部外壁最小温度，差值就是汽包上部内外壁的最大温差；若减去汽包下集中下降
25、管外壁最小温度，差值就是汽包上下内壁最大差值；同理，也可计算得到汽包下部内外壁温差。有的锅炉还引入汽包的压力等数据对上述计算进行修正。以前，国内机组对汽包上下壁温差和内外壁温差启动中的最大允许值，均控制在50以内，这个限制主要是鉴于对启动过程中汽包金属的温度分布规律还不能充分掌握，所以理论上对它的热应力尚不能精确的计算，同时，也考虑到损伤汽包的严重性。实践证明，温差只要在此范围内，产生的附加热应力不会造成汽包损坏，是偏于安全的。近年来引进的机组对汽包壁温差的控制普遍较宽，例如东方锅炉的1025t/h自然循环锅炉，冷态启动限制上下壁温差小于40；日本三菱公司的1175t/h控制循环锅炉，规定进水
26、升温速度不大于3.6/min，以此来限制汽包壁温差6。2.5锅炉启动过程中的汽包应力控制在锅炉的启动过程中，机械应力随气压上升而增大，逐渐成为汽包应力的主要部分，汽包热应力则随气压上升而逐渐减小，并且它只与汽包壁温差有关。在汽包内壁，内壁温差引起压应力与机械应力相抵消，汽包外壁引起拉应力与机械应力正向叠加。如果没有孔边应力集中，则外壁拉应力将成为最大的峰值应力。但若汽包温差过大，则最大峰值应力亦可能在外壁某一点达到。从低周疲劳角度分析，启动初期，饱和温升率是影响循环过程中谷值应力的主要因素，降低谷值应力水平则可有效减小启动过程中的交变应力幅值，从而减小启动过程中的疲劳寿命损耗率。随着压力的升高
27、，当机械应力占据主导地位后，则可适当采用较高的温升速率。在汽轮机冲转以后，锅炉的启动速度还要受到汽轮机运行方式的限制，升压过程主要是控制过热汽温的升温速率，而启动热应力所允许的壁温差通常是自然满足的19。2.5.1 控制汽包应力的安全原则锅炉启动过程中的汽包应力安全原则有以下几项：1）汽包机械应力要符合最大剪应力强度理论条件；2）汽包峰值应力超过屈服极限时发生局部塑性变形，吸收超过屈服极限部分的应力，但是不会造成汽包的静态破坏；3）汽包峰值应力会产生低周疲劳与寿命损耗。降低峰值应力可以减少低周疲劳及寿命损耗，其关键是减小汽包热应力。汽包热应力是由汽包上下壁、内外壁之间的温差引起的，减小汽包壁各
28、部分之间温差的基本方法是促使工质流动，均匀锅水温度和限制升温速度等；4）汽包材料屈服极限大于552Mpa，峰值应力循环次数小于1000次，可以不考虑汽包低周疲劳损耗17。2.5.2 控制汽包启动应力的措施汽包启动应力控制的重要标志是汽包的上下壁温差和内外壁温差。在实际操作中，是以控制压力的变化率作为控制壁温差的基本手段的。在锅炉启动过程中防止汽包壁温差过大的措施有：1）启动中严格控制升压速度，尤其是低压阶段的升压速度应该力求缓慢。这是防止汽包壁温差过大的根本措施。为此，升压过程应严格按给定的锅炉曲线进行，若发现汽包壁温差过大，应减慢升压速度或暂停升压。控制升压速度的主要手段是控制燃烧率，此外，
29、还可以加大向空排汽量或改变旁路系统的通汽量进行升压过程的控制。2）尽快的建立正常的水循环。水循环越强，上升管出口的汽水混合就会物以更大的流速进入并扰动水空间，使水对汽包下壁的放热系数提高，从而减小上下壁温差。因此，能否尽早建立起正常的水循环，不仅影响水冷壁工作的安全性，而且也直接影响到汽包上下壁温差的大小。3）初投燃料量不能太少，炉内燃烧、传热应均匀。初投燃料量太少，水冷壁产汽量少，水流动慢，流量偏差大，且炉内火焰不易充满炉膛，有可能使部分水冷壁处于无循环或弱循环状态，与这部分水冷壁相对应的汽包长度区间内的上下壁温差增大。因此保持均匀火焰是启动燃烧调整的重要任务。初投燃料量与控制升压速度的矛盾
30、，可以通过开大旁路系统调门的方法解决19。4）进水时应严格控制进水参数。一般控制进水温度与汽包温度之差不大于90，进水时间冬季不少于4小时，夏季不少于2小时（进水速度也影响壁温差）。启动时适当将汽包水位维持在较高水平，对控制汽包壁温差也有一定的作用。进水参数控制主要用于降低循环的谷值应力。2.6 汽包启动水位分析2.6.1 概述三河电厂二期#3、4炉均为东方锅炉厂生产的DG102517.4-6型亚临界一次中间再热自然循环汽包炉。锅炉配有两台容量为50的汽动给水泵和一台容量为30的电动给水泵。电泵作为启动泵或低负荷及汽泵故障时备用。在汽包给水管路上设有给水主路电动门(容量为100)和30容量的给
31、水旁路调节门。汽包水位采用单冲量与串级三冲量相结合的控制方式。在主蒸汽流量达380t/h之前，汽包水位由给水旁路调节阀调节，即单冲量控制，旁路调节阀前后压差由调节阀差压调节回路通过改变电动给水泵转速来实现。当主蒸汽流量达380t/h后，汽包水位控制切至给水主路通过改变给水泵转速来实现，为三冲量调节。在#3、4机组的调试及试生产阶段曾多次出现在并网后，特别是因故停炉后的极热态启动恢复过程中，汽包水位控制由给水旁路切为主路时，汽包水位投自动的情况下，汽包水位大幅度波动的现象。2.6.2 水位波动过大的原因分析2.6.2.1 给水由旁路切为主路过程中控制不当控制系统设计的给水旁路切主路(即由单冲量控
32、制切为三冲量控制)的负荷点为蒸汽流量380t/h。在此之前，单冲量汽包水位调节为用给水旁路调节阀控制。为了克服汽包压力及给水管路系统阻力，保证给水旁路调节门的线性，通常可保持旁路调节门前后有一定的压差，在控制系统中是通过旁路调门前后压差控制回路调节电动给水泵转速来实现的。当蒸汽流量大于380t/h以后，通过内部逻辑，给水旁路调节门切为手动，自动切除给水单冲量调节和给水旁路调节阀差压调节回路，同时打开锅炉给水主路电动门，自动投入汽包水位由单冲量向三冲量调节回路，实现了汽包水位由单冲量向三冲量的切换。但若切换时，给水旁路调节阀前后压差设置过大，即电泵输出压力高于汽包压力很多时，此时锅炉给水主路和旁
33、路同时向汽包上水，通流面积增加很多就会造成给水量的大量增加。再加上若此时加负荷速率控制不当，而引起汽包压力下降较快时，就会造成一方面给水流量大大超过蒸汽流量，另一方面因汽包压力下降较快而使汽包产生较为严重的虚假水位。这两方面的因素同向叠加，以及现代锅炉汽包容积设计均较以往汽包锅炉偏小等因素，就会造成汽包水位快速升高。虽然此时水位控制为三冲量控制，但由于整个调节系统的惯性迟延较大，从而造成自动调节跟不上水位变化的情况，使锅炉因汽包水位高引起MFT动作停炉。2.6.2.2 燃料量的增加与加负荷率不同步由于在机组并网后的低负荷阶段，炉膛内油枪投入较多和等离点火的磨煤机出力较大。使机组负荷的增加和燃料
34、量的增加基本都是在手动方式下进行的，尤其是锅炉停炉后的极热态点火恢复过程中，因汽包压力很高，一般在13MPa以上，机组加负荷速率过快，而燃料量未跟上时就会造成汽包压力的快速下降，从而造成汽包内产生十分严重的虚假水位，使汽包水位波动超出保护范围导致MFT动作。2.6.3 水位波动过大的防范措施2.6.3.1 严格控制主汽压力的升压速度在并网后的加负荷过程中，要做到负荷的增加与燃料量的增加同步，严格控制主汽压力的上升速度在0.050.1MPa/min之内。保持主汽压力和汽包压力的稳定,300MW机组在磨煤机投运2台以上时尽量投入主汽压力自动，避免汽包压力大幅波动而引起汽包内虚假水位。2.6.3.2
35、 给水由旁路切为主路时前后过程的控制方法在给水由旁路切为主路之前，严格控制给水旁路调节门前后的压差和电泵出口的压力,在给水流量和蒸汽流量基本平衡和汽包水位稳定的情况下，保持给水旁路调节门在7085 范围内稳定运行。然后逐渐增加燃料量和机组负荷，并保持主汽压力相对稳定，以便造成一个给水由旁路切为主路的良好条件，并对切换过程中汽包水位、给水流量、主蒸汽流量、电泵出口压力与汽包压力、主汽压力严加监控，保证单冲量控制与三冲量控制的平稳进行。3.水冷壁的启动分析及保护3.1 水冷壁启动温度工况分析在锅炉升压过程中对水冷壁的保护是十分重要的。对于汽包锅炉，因为在升压的初期水冷壁受热不多，管内工质的含汽量少
36、，所以水循环不正常；又因为这时投入燃烧器的只数很少，所以，水冷壁受热的不均匀性较大，各管内的介质流速差别较大。如果同一联箱上各根水冷壁管金属温度存在差别，就会产生一定的热应力，严重时会使下联箱变形或水冷壁管损坏。大型锅炉的水冷壁都是膜式水冷壁，管子之间为刚性连接，不允许有相对位移，所以邻管之间的温差会产生很大的热应力。因此，限制相邻管子间的壁温差不得超过50。对于平行工作的水冷壁管，加热不均（如火焰偏斜）就会造成同回路不同管子间的壁温偏差。假如有两根水冷壁管，所受壁面热负荷分别为q1、q2，那么，1、2两管的壁温偏差tb按下式计算 （31） 内壁对工质的放热系数，W/（）由式（31）可知，壁面
37、热负荷之差q=q2-q1越大（加热越不均匀越厉害），壁温差 tb越大；管内放热系数越小，壁温差tb也越大。在锅炉起压之前，水冷壁内均为未饱和水，且流动微弱，很小，约为0.2W/（），这时，q即使仅1.0 （额定负荷的1/15），tb即使已达到50。可见，起压之前或水循环弱时，尤其应该注意火焰分布均匀的问题18。锅炉的流动工况正常时，有一定的水量进入水冷壁管口，且边流动边产汽，内壁周围有水膜，这是最好的冷却工况。但受热不均时，个别受热弱管（或管组）水流动很慢，甚至停止，入口基本无水量流入。此时，汽泡易在水冷壁转弯处、焊缝或水平段积聚，形成汽环，使该处管壁局部过热产生鼓包、胀粗或爆管。这也要求启动
38、之初均匀加热，否则个别受热很弱的管子也很容易出问题。3.2 水冷壁的水力偏差分析在锅炉启动过程中，投入燃料较少，火焰偏斜或直接冲刷水冷壁，水冷壁并联管会产生较严重的流量偏差，个别管子的流量偏差将加重传热恶化和壁温飞升。将偏差管内的工质流量GP与平均管内工质流量GO之比称为流量不均系数G ，G可按下式计算G = m n （32） （33） （34） （35） （36） （37）式中 RO平均管的阻力常数；RP偏差管的阻力常数；系数；O 、P平均管、偏差管密度，/；h水冷壁管屏高度，m；式（34）中，当P O且 O/P-O 时，前取“- ”号，根据水冷壁的压差平衡关系（Ogh+0.5 ROO=Pg
39、h+0.5 RPP）可知，这是受热弱的倒流工况。 值的意义是平均重位压差与平均流动阻力之比。其大小规定了吸热不均对流动影响的具体特性。对于螺旋管圈直流锅炉，值甚小，n1,密度差项（P O ）/O几乎不起作用，Gm 。当偏差管的水冷壁负荷qp（kW/）增加时，PO，由式（32）可知，G1、GP减小。这样一种管内受热越强流动反而越弱的特点，就是强制流动的重要特性；对于自然循环锅炉，含汽率小，循环速率低，所以值很大，密度差值（P O ）/O通过n对G起决定作用。因此，当偏差管的吸热量大于平均管时，尽管m1，但G1，且吸热不均越大，G的增长越厉害。自然循环的这种特性又称为水动力自补偿特性。对于值较适中
40、的情况，如控制循环锅炉以及一次上升型直流锅炉在低负荷运行时，可能出现强制流动特性也可能是自补偿特性，取决于参数（压力、质量流速）和负荷的高低11。根据以上分析可得出以下结论：1）锅炉的吸热不均可引起水力不均，从而影响水冷壁的工作安全，因此要十分重视启动过程中水冷壁屏间、管间热负荷的均匀性；2）直流锅炉的水冷壁，热负荷大的偏差管流量小，管子的出口部分可能为过热度较大的蒸汽，壁温升高；3）自然循环锅炉及强制循环锅炉显示自然循环特性时，其水冷壁在热负荷低的偏差管循环流量小，出口含汽率高，发生“蒸干”传热恶化的可能性增加。此外，受热弱的管子也容易产生停滞或倒流现象13。3.3 水冷壁的局部传热恶化分析
41、水在水冷壁管内流动到某一位置时，当干度达到一定值时内壁失去水膜的现象称为“蒸干”。“蒸干”发生时管子内壁突然与汽接触，放热系数变小，产生一个壁温飞升值。对于自然循环锅炉，正常运行时由于出口含汽率小于界限含汽率（约0.30.5），故一般不会发生水膜失去的情况，但在启动过程吸热不均十分严重时，也存在发生“蒸干”的可能性；对于直流锅炉，水冷壁必然经过一个干度从0到1.0的过程，即必然在某一段时间产生“蒸干”现象。设计和运行的任务只是控制壁温飞升值的大小（避开炉内高温区域），不使壁温的飞升值超过材料的允许温度而已16。温度飞升值的大小与工作压力、热流密度和工质流量有关。温度飞升值会着工作压力的升高而降
42、低；随着热流密度与工质流量比值的增大而升高。因此，无论何种循环方式，防止传热恶化都是启动过程中所要注意解决的问题。3.4 水冷壁的启动保护在锅炉升压过程中水冷壁的保护措施有：1）均匀炉内燃烧沿炉膛四周均匀或对称地投入喷燃器并定时切换运行；在符合升温升压曲线，汽包金属温差不大的情况下，可适量多投一些燃烧器，以使得炉膛热负荷较均匀。2）尽快建立正常的水循环（汽包锅炉）正常的水循环可保证水冷壁内有均匀、较大的循环流量，来冷却受热面。尽快建立正常的水循环可从以下几方面着手：a.水冷壁下部定期放水或连续放水。在水冷壁下联箱定期或连续放水，可以将汽包下部温度较高的水、汽引到水冷壁管底部，用热水代替冷水，增
43、加水冷壁产汽区的长度，促进水循环。实践证明，这个措施的采取对促进水循环的建立，减小汽包壁温差是十分有效的。b.采用邻炉蒸汽加热。现在国内外制造的大型锅炉一般均设计有邻炉蒸汽加热系统。在锅炉点火前，从各水冷壁下联箱均匀地通入适量的蒸汽，加热水冷壁各个循环系统。待水达到饱和温度并有一定的产汽量后，再进行点火。这种点火的过程称为无火启动，锅炉在无火启动过程中汽包温差很小，同时大大缩短了机组启动时间和启动油耗，提高了机组的经济性。c.启动时可适当投入机组高、低压旁路系统，提高燃烧率，在不加快升压速度的情况下，增加产汽量。d.启动初期较慢的升压对尽快建立正常的水循环也是有利的。燃料热量中，一部分用于提升
44、金属壁温和水温，增加蒸发系统的蓄热量，其余才用于产汽。所以升压速度低，用于增加水和金属蓄热的热量少，用于产汽的热量就多；同时低压下饱和温度低，辐射换热量大，产汽多、汽水密度差大循环动力也大10。3) 加强水冷壁膨胀监视各水冷壁管因受热而产生的膨胀差将使下集箱下移的数值不同。因此，水冷壁的受热均匀性可以通过膨胀量进行监督。启动过程中，若发现膨胀受阻等异常现象，则应暂缓升压，待查明原因并处理后，方可继续升压。4) 强制循环锅炉点火时启动循环泵提高安全性强制循环锅炉在点火前启动循环泵，循环流速最大。随着水冷壁内含汽率的增加，流速逐渐减小，但减小不多，与自然循环锅炉启动之初循环流速几乎为零的情况相比，
45、大大提高了水冷壁的工作安全性。4.结论我国是产煤大国，煤炭资源相对较丰富，煤种特性变化范围很大。根据我国的能源政策，火力发电厂多以燃煤为主，为保证国家经济的可持续发展战略要求，提高燃煤的能量转换效率和低的污染物排放率，真正实现节能减排，大型超临界、超超临界燃煤发电机组日益成为我国火力发电厂的主力机组。但机组容量和参数的提高也对锅炉的安全启动提出了新的要求，大型电站锅炉启动的安全性和经济性成为了关键技术。通过对汽包锅炉启动过程出现问题的分析研究，得出了以下结论：1) 通过对汽包启动温差和启动应力的分析，得出控制汽包应力的主要是要控制汽包的上下壁温差和内外壁温差。实际操作中要严格控制升压速度和进水
46、参数，尽快建立正常的水循环，并且炉内燃烧传热应均匀。2) 由水冷壁的启动温度工况和水力偏差以及局部传热恶化的分析，得出水冷壁在启动过程中一定要均匀炉内燃烧加强水冷壁的膨胀监视，尽快建立正常的水循环。因此，要重视锅炉启动过程中汽包及水冷壁的应力控制，做好相应准备工作，采取有效手段保证锅炉运行安全，提高锅炉启动过程的安全经济性。致谢首先要感谢的是韩莉老师，在本文的编写过程中得到了韩莉老师的热心支持和精心指导。 其次，在本文编写过程中，三友电厂资料室为本文的编写提供了大量图书资料及电子资源，在此，向所有支持和帮助我的老师和工作人员表示感谢！最后要感谢我的母校河北能源职业技术学院对我的精心培养！参考文献1 岑可法，周昊，池作和大型电站锅炉安全及优化运行技术第一版北京：中国电力出版社，20032 清华大学锅炉教研室锅炉原理第一版北京：科学出版社19923 郑克，刘志刚，李益民锅炉汽包低周疲劳寿命研究第一版北京: 电力出版社，2OOO4 莫江春，张学纶电站锅炉优化启动第一版北京：中国电力出版社
