锅炉汽包壁温差分析及控制.docx

锅炉汽包壁温差分析及控制李羡波(广钢股份有限公司热电厂 )摘 要 本文对锅炉启停工况中的汽包温度差所产生的热应力的原因及其不利影响进行分析 ,并提出控制的办法 。关键词 汽包 ; 温度差 ; 热应力中图分类号 : TK223. 1 + 3文献标识码 : A文章编号 : 1671 - 3818 ( 2006 ) 02 - 0037 - 04A NALY S ING A NDD IFFERENC ESCO NTROL ING TEM PERA TUREIN D RUM W ALL O F BO IL ERL i X ianbo( The rm a l Powe r P lan t of G ISE)A b stra c tTh is a rtic le ana lyse s the rea son and unfavou rab le influence of the rm a l stre ss re su lted from the d rum temp e ra tu re d iffe rence du ring sta rting o r shu tting bo ile r, and p ropo se s the coun te r2m ea su re.Key word sd rum; temp e ra tu re d iffe rence; the rm a l stre ss24倍 。峰值应力使汽包壁局部材料屈服 ,引起应力再分配 ,最大应力达到屈服限 b , 在静态时不构 成危害 。但是 ,波动的峰值应力到了一定的波动次数后 ,材料会脆性破坏 。锅炉启 、停过程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理论强度条件 。( 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 ,降低峰值应力值可减少低周疲劳损耗 ,其关键是减小汽包热应力 。热应力是由金属温差产生的 ,减少汽包壁金属温差的基本方法是促进工质流动 ,均 匀炉水温度和限制升温速度 。( 4 ) 汽包材料屈服极限大于 1M Pa,峰值应力循 环次数小于 1 000 次 ,可不考虑汽包低周疲劳损耗 。汽包峰值应力超过材料屈服限时 ,材料局部发生塑性 变形 ,使断面的应力重新分配 ,最大值不大于屈服限 。如果是周期性的峰值应力 ,则在周期性塑性应变下将 使材料断裂破坏 ,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 。3 汽包机械应力1 前言锅炉汽水系统由于设备体积庞大 ,结构复杂 ,所处条件不同等特点 ,无论启动或停止 ,火焰及工质对 它们的加热或冷却速度都不同 ,因而各部件之间或 部件本身将产生明显的温度差 。温度差将导致金属设备膨胀或收缩的不均 ,并产生热应力 。锅炉承压 部件随温度差的变化将产生金属疲劳 ,当热应力超过允许的极限值 时 , 会使 部 件产 生裂 纹 乃至 损坏 。 这些热应力主要 表 现在 锅炉 的 汽包 、水 冷壁 、省 煤 器 、过热器等设备上 ,本文只讨论锅炉汽包的温度差与热应力 。2 汽包启动应力汽包启动应力是指锅炉启动 、停运与变负荷过程汽包壁的应力 。它主要由工质压力引起的机械应力 ,汽包壁温度不均匀引起的热应力 ,以及汽包与内 部介质重量等引起的附加应力所组成 。汽包壁应力可分为主体膜应力 m 和峰值应力 f 两种 。汽包强度要符合最大剪应力理论强度条件 :m , m ax - m , m in 式中 m , m ax 主体膜应力最大值 , M Pa;m , m in 主体膜应力最小值 , M Pa; 材料许用应力 , M Pa。 峰值应力是汽包壁的局部应力 ,是由汽包壁不均匀温度及结构等因素产生的 。它比主体膜应力大 38 冶 金 丛 刊总第 162期汽包下部内壁的合成应力为 nx=sx+nw , 汽包上按汽包的内外直径比 ,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它变形 ,故 汽包的纵横断面上只有正应力无剪应力 ,汽包壁任一点有三个方向的应力 ,沿圆筒切线方向的切向应力为 m , 1 ,沿圆筒轴线方向的轴向应力为 m , 2 ,沿圆筒直径方向的径向应力为 m , 3 ,其计算式为 :下壁 、内外壁温差的存在 , 使温度高的一侧受热 , 力图膨胀 , 温度低的一侧阻止膨胀 , 因此使汽包产生内 侧和下壁受压应力 , 外侧和上壁受拉应力 。温差越 大 , 所产生的应力也越大 , 即产生的热应力与温差成正比关系 , 而温差的大小又取决于金属受热或冷却的速度和金属壁的厚度 。所以给汽包上水时 , 若使 内外 、上下壁温差加大而产生较大的温度应力 , 不仅会影响汽包本身的安全 , 还会使管子与汽包间的接 口也产生热应力 。因此 , 在锅炉点火前 , 为了减小热应力 nx , 汽包进水应限制汽包上下 、内外壁温差及 减小 t1 - 0 , 其方法是限制进水温度和进水速度 , 后者可缩小 t1 - 0 。一般规 定 冷 态 启 动 时 , 其 上 水 温 度 不 得 高 于90, 进水的持续时间通常不少于 2h。在实际运行 中多用 100左右的除氧水作为进水 , 当水经省煤器 和连接管道进入汽包时 , 温度约为 70左右 。另外 ,为安全起见 ,要求锅炉上常温水时 , 上水温度必须高于汽包材料性能所规定的脆性转变温度 33以上 。 热态上水时 , 给水温度与汽包壁的温度差不能大于40。锅炉上水速度是用开始上水到所规定的水位 时间来控制的 ,对高压以上锅炉 , 夏季上水 2 3h, 冬 季约 45h。当然也与所处的地理条件有关 , 若上水 温度与汽包壁温差很小 , 则可适当提高上水速度 。4. 3 升压过程中汽包的温度差与热应力锅炉升压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 , 汽包顶部机械应 力 和热 应力 方 向相 反 , 相互 减弱 , 汽包底部方向一致 , 相互叠加 , 汽包局部较大峰 值应力常发生在大直径下降管孔内侧边缘处 。汽包 峰值应力可表示为f = f ( p、tsx 、t1 - 0 )而 tsx 、t1 - 0是汽包升 压 速度 dp / d和 工质 质 量流速 ()的函数m , 1m , 2m , 3= pdN / 2S= pdN / 4S= - p式中p内压力 , M Pa;dN 汽包内径 , mm;S 汽包壁厚 , mm。汽包由焊接制成 ,并在壁开很多小孔 ,使壁应力增大 。m , 1m , 2m , 3=m , 1 /=m , 2 /=m , 3 /式中 汽包强度减弱系数 。4 汽包热应力金属体积随着温度升高和下降而膨胀和收缩 。如果金属体积能随温度变化而自由变化时 ,金属体 内不产生应力 ,但是当金属体积变化受到限制时会产生很大的应力 ,称为热应力 。4. 1 启动过程汽包热应力锅炉启动过程工质温度逐渐升高 ,汽包被加热 ,其壁内温度发生变化 。此外 ,汽包上半部饱和蒸汽 对内壁进行凝结放热 ,下半部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 ,故汽包上半部温升高于下半部 。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 ,其各部位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 ,汽包上半部受到 压缩 ,下半部受到拉 伸 , 汽包 压 缩部 位产 生 压缩 应力 ,拉伸部位产生拉伸热应力 。汽包进水时无内压 力 ,热水加热内壁 ,引起汽包内外 、上下壁温差 ,管孔与管头之间的温差 ,这些温差都会引起热应力 。因 此 ,进水时汽包应力主要是热应力 。4. 2 锅炉上水时汽包的温度差与热应力锅炉汽包上水之前 ,汽包温度接近于环境气温 ,汽包进水是欠热水 。在锅炉上水过程中 ,汽包的受 热不均匀 ,一定温度的给水进入汽包 ,汽包上部无凝结放热 ,下部为水对内壁的对流放热 ,故汽包下部产 生压缩热应力 sx ,在汽包水位以下部分受热 ,壁温上升 ,故汽包下半部壁温高于上半部 。另外 ,由于汽 包壁较厚 (一般为 100mm 左右 ) , 其 内壁 温 度升 高 较快而外表面温度上升较慢 ,内外壁之间存在一定 的温差 ,汽包内外壁温差使内壁产生压缩应力 nw ,故式中 时间 ;f = f ( p、dp / d、)工质密度 ;工质流速 。 式子表明启动过程汽包峰值应力决定于汽包内压力 、升压速度和工质质量流速 。在升压过程中 ,汽包温度差和热应力 ,可分以下 三阶段加以分析 。( 1 ) 升压初期及锅炉点火后 ,投入燃料量很少 ,火焰在炉内充满程度差 。水冷壁受热不均匀 ,工质 吸收热量少 ,且在启动初期压力低时 ,工质的汽化潜 热大 。这时产生的蒸汽量少 ,工质温度随压力变化大 ,水循环不良 ,汽包下半部与几乎不流动的水接触第 2期李羡波 : 锅炉汽包壁温差分析及控制 39 ( 3 ) 在升压的第三阶段 ,为压力升到接近额定值的最后阶段 ,汽包金属的机械应力亦接近于设计 预定值 。这时若再有较大的热应力是危险的 , 故升 温升压速度仍受限制 ,一般规定汽包上下壁温差仍 不得超过 60 ,为此在高参数大容量的锅炉汽包上 均装设上下壁温测点若干对 ,以便在启动时监视 ,若 发现温差过大 ,就应降低升压速度 。在锅炉升压过程中 ,对锅炉根据试验或经验事 先制定的升压曲 线 进行 升压 , 作 为 启动 时的 依 据 。先依据 120 / h升温率绘制升压曲线 ,汽包内工质温度的平均 升高 速度 不 应超 过 30 /15m in。再 由 锅炉 、汽轮机操作与工况等要求对其进行修正 。在充分掌握锅炉性能和具有丰富操作经验的条件下 ,才允许适当加快 。4. 4 停炉降压过程中汽包的温度差与热应力滑参数停机采用带负荷降压方法 ,即降压同时 降负荷 。在停炉降压过程中 ,工质温度逐渐下降 ,汽 包金属温度也随之下降 ,对于卸负荷后的降压过程 , 汽包上部蒸汽温度下降滞后于压力下降 ,汽包金属 温度下降滞后于工质温度的下降 ,工质与汽包金属 之间形成的温差使金属蓄热释放 ,下部壁面水层发 生核态沸腾 ,上部壁面汽层变成微过热 。可见 ,汽包 下部水温低于上部气温 ,下部壁面放热系数大于上部壁面放热系数 ,其结果使上部壁温高于下部壁温 。如果是带负荷卸压 ,即滑压停运过程 ,由于汽水工质 流动 ,汽包上部蒸汽温度与饱和温度基本一致 ,微过热蒸汽层厚度大为减小 ,汽包上下壁温差比卸负荷 降压时为小 。此外 ,降压过程汽包外壁温度高于内壁温度 (假 定 汽 包 保 温 很 好 , 对 环 境 散 热 近 似 为 零 ) 。因此 ,降压过程汽包上部产生压缩热应力 ,下部产生拉伸热应力 ,外壁产生压缩热应力 ,内壁产生 拉伸热应力 。此外 , 滑参数停机的最低负荷 ,除稳定燃烧要求外 ,还受汽包壁温差限制 ,锅炉负荷下降的同时燃 料量减少 ,水冷壁热 负 荷不 均匀 性 加剧 , 水 循环 恶化 ,发生循环停滞回路对应的汽包空间工质流动减 弱甚至停止 ,使汽包壁温差增大 。带负荷降压过程可能引起水循环恶化 ,这是由 于压力降低使下降管中工质和管壁金属蓄热释放 , 水汽化 ,循环动力减小 ,结果水循环恶化使汽包壁温 度分布更不均匀 ,热应力增大 。降压降负荷分阶段 进行 , 控制工质温度下降速度 ,工质温度下降速度 不大于 11. 5 /m in,降压至 2M Pa 以下应放慢降 压速度 ,因为低压时温度随压力的下降率大 。4. 5 锅炉停运后汽包的温度差与热应力锅炉停止燃烧后 ,即进入降压和冷却阶段 。锅 炉停止和启动过程一样 ,汽包内饱和蒸汽压力和温传热 ,放热系数小 ,汽包下半部金属温度升高缓慢 ,汽包上半部与饱和蒸汽接触 ,蒸汽与汽包壁为凝结 放热 ,故其放热系数比下半部缓慢对流传热大几倍 ,故上半部壁温升高较快 。当压力升高时 ,上半部壁温很快达到对应压力下的饱和温度 ,这样上半部壁 温由低于下半部而变为高于上半部 ,形成上高下低的温差 ,产生热应力 ,随着压力的升高 ,温差加大 ,则 热应力也随之加大 ,严重时将使汽包发生背弓状变形 ,直至损坏汽包 。上下壁温差与升压速度有关 ,升压越快 ,上下壁 温差就越大 ,大容量锅炉汽包升压越快 ,其汽包内外 壁温差也越大 。另外需要加以说明的是 ,汽包在开始升压阶段 ,虽然汽包压力很低 ,但上下温差较大 ,其主要原因是在低压时 ,压力每升高 0. 1M Pa,相应 的饱和温度上升较快 。在此阶段内 ,应适当降低升压速度 ,水循环稳定后 ,压力大于 0. 9 1M Pa,可适当提高升压速度 。可采取各种措施促进水冷壁的正 常循环 ,以加强汽包 内 水的 流动 , 从 而减 小 汽包 温差 ,一般采用汽包内设置邻炉蒸汽加热装置和加强 下联箱放水 ,以尽早建立水循环和控制汽包热应力 。底部蒸汽加热装置的结构是沿着下联箱长度在 下联箱内放有钢管 ,在钢管上开有的小孔 ,并与引入外来的蒸汽管子 连 接 , 当投 用时 , 由 阀门 控 制进 汽 量 ,用 0. 8 1. 3M Pa的蒸汽加热水循环系统 。优点是促使水循环提前建立 ,减小汽包上下壁的温差 ,缩 短启动过程 ,降低启动过程的燃料消耗量 。由于水冷壁受热面的加热 ,提高了炉膛温度 ,有利于点火初 期油的燃烧 ,较容易满足锅炉在水压试验时对汽包壁温度的要求 。注意在投用底部蒸汽加热前 ,应先 将汽源管道内疏水放尽 ,然后投用 ,投用初期应先稍 开进汽门 ,以防止产生过大的振动 ,再根据加热情况 逐渐开大并开足 ,投用过程中应注意汽源压力与被加热炉的汽包压力的差值 ,特别是锅炉点火升压后 更应注意其差值不得低于 0. 5M Pa,若达此值时要及时解列 ,防止锅水倒入备用汽源母管 。( 2 ) 随着锅炉燃料量投入不断增加 ,锅炉受热 加强 ,为升压第二阶段 ,水循环渐趋正常 。为了不使汽包内外壁 、上下壁温度差过大 ,仍应限制升温升压速度 。压力愈低升高单位压力时的相应饱和温度的 上升率愈大 (见表 1 ) 。表 1 不同压力时饱和温度对压力的变化率饱和温度平均变化率 / M Pa - 1绝对压力 /M Pa0. 1 0. 20. 2 0. 50. 5 1. 01 44 1010 142051055523106 40 冶 金 丛 刊总第 162期度有较大幅度的变动 ,而且由于汽和水的热导率不同以及汽包结构的影响 ,汽包壁不同部位将存在温 度差异 ,产生热应力 ,这种热应力与工作引起的机械应力 ,自重和不圆度引起的弯曲应力以及焊接残余应力等叠加 ,使汽包处在十分复杂的应力状态 。 在降压过程中 ,汽包壁靠内部工质进行冷却 ,如果冷却不均就会出现温差 ,由于汽包内炉水压力及 对应的饱和温度下降 ,下汽包壁与炉水接触 ,在降压过程中放热系数较低 ,金属冷却缓慢 ,所以仍会出现 上壁温度大于下壁温度 ,造成温差 ,降压速度越快 ,则温差越大 。特别应注意 ,当压力降到低值时 ,将出 现较大的温差 ,因此在低压时 ,更应注意严格控制降压速度 。一般在最 初 4 8 h 内 应关 闭锅 炉 各处 挡 板 , 避免冷空气大量进入 。此后如有必要可逐渐打开烟道挡板及炉膛各门孔进行自然通风冷却 ,同时 进行一次放水 ,促进内部水的流动 ,使各部分冷却均匀 。在 810 h后 ,如有必要加强冷却 , 可开启引风机通风 ,并可适当增加进水放水次数 。特别是在高参数正常停运 ,机组在高参数下卸 负荷熄火 ,熄火后锅炉降压 ,降压过程可能会发生更大的汽包上下壁温差 ,故要严格控制降压速度 ,其方法是关闭送引风机 ,关闭炉门 ,看火孔 ,防止炉内急 剧冷却 ,并连续监视汽包壁温差 ,停炉 4 6 h后才可进行自然通风冷却 ,停炉 18 h 后可启动引风机进行 冷却 ,降压时间决定于停炉时的参数水平 ,参数越高降压时间越长 ,一般不超过 18 20 h。5 结束语实践证明 ,一些对汽包最危险 、最不利的工况往 往出现在启停过程中 ,有些在启停过程中所产生的 问题虽不立即引起明显的汽包损坏 ,却会给汽包安 全