侯阳

（新疆众和股份有限公司 乌鲁木齐 830013）

1 汽包启动过程分析及控制措施

1.1 汽包概述

汽包是锅炉中体积最大、壁最厚的承压元件，以新疆众和股份有限公司热电公司150MW机组锅炉为例，汽包在最大连续负荷下工作压力为15.2MPa(g)，最高设计压力为15.89MPa(g)。汽包内径为1600 mm、壁厚95mm、筒身直段长度17400mm，汽包全长19210mm。汽包的主要作用有4个：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

1.2 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2～4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。

1.3 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。故汽包的纵横断面上只有正应力而无剪应力。汽包壁任一点有3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。

1.4 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2～3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。

1.5 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。

1.6 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，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。

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：

⑴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，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。

⑵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。

⑶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，可以通过开大旁路系统调门的方法解决。

⑷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4h，夏季不少于2h（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 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：

⑴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。

⑵实际操作中要严格控制升压速度和进水参数，尽快建立正常的水循环，并且炉内燃烧传热应均匀。

[1]国电发[2000]589号，防止电力生产重大事故的二十五项重点要求[S].

[2]DL/T2009.火力发电厂金属技术监督规程[S].

[3]《火力发电厂金属材料手册》编委会.火力发电厂金属材料手册[M].北京：中国电力出版社，2000.

[4]侯阳,等.新疆众和股份有限公司热电公司锅炉运行规程.2012.

[5]蔡栋源,等.新疆众和股份有限公司热电公司锅炉检修规程.2012.