自然循环锅炉启停过程汽包壁温差大的原因分析及控制

时间：2024-07-28

陈震山

（国能（泉州）热电有限公司，泉州 362804）

某电厂的两台330 MW 发电机组锅炉为哈尔滨锅炉厂自主设计和制造的亚临界自然循环汽包锅炉（HG-1025/17.4-YM28），汽包壁厚为140 ～160 mm，汽包壁温差规定值控制在42 ℃以内。2006 年投产以来，在机组启停过程中，两台330 MW 发电机组锅炉经常出现汽包壁温差超过规定值的情况，最大时甚至达到100 ℃，严重威胁汽包的安全运行。文章结合多年的运行经验，分析汽包壁温差产生的原因，并在机组启停过程中采取有效的控制措施来降低汽包壁温差，达到保障汽包安全运行的目的。

1 汽包壁温差大产生的机理、原因与危害

1.1 汽包壁温差产生的机理

汽包是锅炉的重要组成部件，是工质加热、蒸发、过热3 个过程的连接容器，内部存在饱和蒸汽和水的汽水混合物。汽包上部为饱和蒸汽，下部为饱和水。汽包内水和蒸汽的饱和温度随着压强升高而升高。由于蒸汽和水的比热容不一致，压强变化时，饱和蒸汽接触的汽包上下壁换热不一致，造成大的温差[1]。另外，由于汽包壁很厚，汽包内壁换热靠工质换热，而汽包外壁靠汽包壁自身金属导热换热。若汽包内部工质温度变化过快，容易造成汽包内外壁温差过大。

1.2 启动过程汽包壁温差大的原因

1.2.1 锅炉启动进水时产生汽包壁温差

锅炉停运期间一般会放尽汽水系统内部的残水，在锅炉启动前，需要控制一定流量的给水经过给水系统进入锅炉最终到汽包。此时锅炉处于未点火状态，经过省煤器时无法被加热，因此给水进入汽包时先接触汽包的下壁，汽包的下壁被有一定温度的给水加热逐步升温，而汽包的上壁未接触给水无法加热，逐步形成汽包上下壁温差[2]。另外，汽包是一个壁厚为140 ～160 mm 的容器，汽包内壁升温时，汽包的外壁与外界接触，因此只能通过汽包壁的金属导热才逐步升温。由于汽包壁的金属导热比较慢，形成了汽包内外壁温差。

1.2.2 在锅炉升温升压初期产生汽包壁温差

在冷态启动初期，为控制锅炉金属的升温速率，控制燃料投入率较低，锅炉炉内燃烧不稳定，加之锅炉燃烧初期火焰在炉膛内部无法均匀分布，因此在不同部位的水冷壁受到的燃烧辐射热量不均匀。接受燃烧辐射热量较少的水冷壁无法蒸发成蒸汽建立自然循环，导致汽包内部的水流速率减慢，甚至出现停滞倒流的现象。此时，汽包下壁接受的水温保持不变，而汽包上壁接受蒸汽对其放热，温升较快。随着锅炉的燃烧，蒸汽量逐步增加，蒸汽温度逐步上升，汽包上壁温度上涨速率逐步增快，导致汽包上壁温度高于下壁温度形成温差[2]。

1.2.3 锅炉在滑参数停炉过程中产生的汽包壁温差

锅炉停炉降温降压过程中，逐步减少进入炉膛的燃料量以减弱燃烧。汽包内部金属温度主要通过汽包内部的汽水混合物进行降温冷却。汽包内工质为饱和状态的汽水混合物。当锅炉蒸汽压强降低时，炉水温度对应的饱和温度逐渐下降，此时汽包下壁对接触的炉水进行放热，汽包下壁温度下降。汽包上壁接触的是蒸汽，蒸汽的放热系数较小，因此上壁的温度下降较少，出现汽包上壁温度高于汽包下壁温度的现象[2]。若锅炉燃烧调整速率控制不当导致压强骤降时，汽包上下壁温差会更大。

1.3 停炉熄火后产生的汽包壁温差

锅炉熄火后，按要求吹扫锅炉5 ～10 min，再进行闷炉保养。此时，炉内处于降温过程，处于微负压状态。由于大多数锅炉存在风烟系统、炉底水封不严密问题，容易造成锅炉闷炉过程中炉蹚内的温度下降较快，导致各受热面的温度下降随之加快。受热面内部蒸汽加剧冷凝，会造成汽包压强下降加快。当汽包压强很低时，饱和温度会随着饱和压强的下降速率加快，形成下壁温度低于上壁温度的情况[2]。若停炉熄火操作不当造成吹扫时间过长或者闷炉时间不足进行强制冷却，也会造成汽包壁温差较大的情况。

1.4 汽包壁温差的危害

汽包是锅炉的重要组成部分。各部位温差大，将造成汽包各部位的热应力增加。汽包壁温差若不能控制在正常范围内，将造成金属疲劳，可能造成汽包变形甚至拉裂，严重威胁汽包的安全运行。

2 机组启停过程汽包壁温差的控制措施

2.1 锅炉启动过程汽包壁温差的控制措施

2.1.1 锅炉冷态启动汽包壁温差的控制措施

在锅炉上水前应冲洗凝结水和给水系统直至水质合格，控制进入锅炉的给水温度为30 ～70 ℃。当给水温度与汽包壁温差超过28 ℃时，应控制给水流量为30 ～60 t·h-1，并关注汽包壁温差是否有扩大趋势，必要时需放慢上水速率，甚至暂停锅炉上水观察。控制进水时间夏季不小于2 h，冬季不小于4 h。锅炉点火后，特别是点火初期，严格按规程控制升压升温速率。控制汽包内饱和温度上升速率为1.0 ～1.5 ℃·min-1。点火后开启5%疏水旁路、顶棚疏水阀门以及汽包、过热再热系统排空气阀门。给水未建立连续流量时，开启省煤器再循环。若在升压过程中发现汽包壁温差扩大至28 ℃，应降低升压升温速度。若汽包壁温差超过42 ℃，应暂停升压升温。此时，一是检查汽包排空门是否全开，并及时投入高低压旁路；二是适当降低燃烧速率，尽可能保持热负荷均匀；三是安排轮流开启4 个角的定排排污门，促进均匀的水循环；四是开大除氧器加热调门，提高给水温度；五是维持汽包水位在较高水平[3]。

汽包上水前后和锅炉点火后，要按规定抄录汽包膨胀指示器，发现各部位不均匀膨胀时要及时分析原因并采取措施治理观察，不可盲目操作。

2.1.2 锅炉热态启动汽包壁温差的控制措施

锅炉热态启动过程应尽量缩短锅炉风机启动时间，要求炉膛吹扫不得大于10 min。吹扫后尽快点火，防止锅炉急剧冷却，同时尽量提高上水温度，要求上水温度不得低于100 ℃。要控制上水流量不大于5%BMCR，同时控制汽包壁温差在40 ℃以内。在上水过程中，要就地增加巡回检查频次，发现异常振动声响时，需要降低上水流量或者停止锅炉上水。上水温度与汽包壁温差越大，上水速度越慢。锅炉点火后，严格执行不同阶段的升温升压控制速率要求。升温初期要慢些，每升高50 ℃要停留一段时间使锅炉均匀膨胀。锅炉压强达到0.2 MPa 后及时关闭汽包排空气门，并适当提高锅炉升压升温速率，使得汽包压强较快达到汽包壁温对应的饱和压强，然后按正常启动程序控制升压升温速率。

2.2 锅炉停运冷却过程汽包壁温差的控制措施

2.2.1 锅炉正常停运过程汽包壁温差的控制措施

锅炉在正常滑参数降负荷停运时，要严格按规程控制降负荷降压速率不大于0.098 MPa·min-1，降温速率不大于1 ℃·min-1。停炉过程采用滑参数停机。停炉前，如果汽包壁温差偏大，则在熄火前维持低参数运行一段时间，消除滑参数停炉形成的部分汽包壁温差。锅炉解列前检查所有人孔门，保证看火孔关闭严密。当锅炉解列后，风烟系统按要求吹扫5 ～10 min，待吹扫完成后，及时将送引风机、空预器、一次风机所有风门挡板含风机动静叶导叶关闭，然后闷炉48 h。汽水系统需控制炉水温度下降速率不大于1 ℃·min-1，汽包壁温差不大于42 ℃，同时将汽包水位上至最高可见水位+300 mm，后停运电泵或汽动给水泵。若汽包水位低于0 mm，使用电泵对汽包进行小流量上水至最高可见水位并保持，尽量提高除氧器水温，减少给水温度和汽包壁温度的差值[4]。当锅炉闷炉48 h 后，开启送风机、引风机、空预器所有挡板锅炉二次小风门，启动送引风机，调整动叶和静叶冷却锅炉。冷却通风初期通风量控制由小到大，控制温降速率小于8 ℃·h-1，观察汽包壁温差是否有扩大趋势。若壁温差增大过快或壁温差大于42 ℃，不得进行强制冷却。锅炉快速放水应在汽包压强降为0.6 ～1.6 MPa、汽包壁温低于200 ℃时，进行热炉带压放水。注意压强下降速率，当温差大于42 ℃时应暂停放水，待温差稳定后重新放水。若汽包壁温有扩大趋势，锅炉应重新闷炉。

2.2.2 锅炉故障停运需快速冷却时汽包壁温差的控制措施

故障停炉时，在汽机打闸前投入除氧器，加热尽量提高给水温[5]。当停炉前汽包壁温差大于35 ℃时，停炉熄火后应迅速关闭各放水排污门，关闭各管道疏水、排污、取样手动门，控制汽包降压速度，同时将汽包水位上至+300 mm。故障停炉后，锅炉按规定进行吹扫后闷炉48 h。如需对锅炉快速换水冷却，可以在闷炉后进行强制通风，控制汽包壁温差小于42 ℃。锅炉换水冷却过程需在汽包壁温差不大于42 ℃下进行，启动电泵控制小流量进行汽包换水。换水时维持汽包水位大于+300 mm，否则不得进行汽包换水。当给水温度和汽包壁温超过80 ℃时，应停止补水换水。汽包换水时必须密切监测过热器、再热器管壁温度，防止汽包满水及从过热减温器、再热减温器漏入再热器而进入汽轮机。

2.3 锅炉停运后保养时汽包壁温差的控制措施

在锅炉停炉后选择保养方法时，应尽量避免选用热炉带压放水法对锅炉进行烘干防腐。正常停炉时，在条件允许时，锅炉保养应选用冲氮法；如果机组属于调停备用随时需要启动的机组时，建议考虑间断点火维持汽包压力对锅炉进行保养。国内部分电厂对热风系统进行改造，将临炉烟气的热风引导至停运的锅炉里面后，在锅炉放完水后立刻引入临炉的热风来提高低压放水时锅炉烘干所需的储热量，这样能大大降低汽包壁的温差。

如果选用热炉带压放水法进行烘干保养，在锅炉压力降至2.0 MPa 时，迅速全开空气门、排汽门和放水门放尽锅内存水。放水结束后，采用强制通风将锅内湿气排出，直至锅炉空气相对湿度等于环境相对湿度。使锅炉表面彻底干燥，如炉膛温度降至105 ℃时湿度达不到要求，锅炉应点火，继续烘干。锅炉降压放水过程中，应严格监测汽包上、下壁各点温度变化，避免汽包壁温差超过厂家允许值，当发现汽包壁温差逐步扩大趋势时，应暂停或者降低放水速率。在保证汽包上、下壁温差不超过厂家允许值的前提下尽量提高放水压力和温度。放水结束后，应立即关闭空气门、排汽门和放水门，主、再热蒸汽管道疏水门以及汽包加药和取样门等，将停运的锅炉封闭。