高压汽包壁温差产生的原因分析及控制措施

张钊武 段赫

摘 要：主要介绍了余热锅炉高压汽包的基本组成和作用，详细分析了机組冷态启动时高压汽包壁温差产生的原因以及控制措施;着重介绍了如何控制高压汽包升压速率并提出优化措施;通过采取这些控制和优化措施将高压汽包上下壁温差控制在50℃范围以内，减少了高压汽包启动过程中的热应力，延长使用寿命，保证机组安全运行。

关键词：高压汽包;冷态启动;汽包壁温差;控制措施;优化

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

0 引言

某发电厂采用一拖一分轴布置F级燃气-蒸汽联合循环机组，一台燃机发电机组，一台余热锅炉，一台汽轮机发电机组，燃机为安萨尔多AE94.3A重型机组，余热锅炉为东方凌日的MHDB-AE94.3A-Q1，此余热锅炉高压汽包的设计压力是16.4MPa，设计温度是355℃，采用材质是13MnNiMoR，汽包壁厚度是105mm。汽轮机为上海电气的135机组型号LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547。该发电厂在冷态启动过程中高压汽包上下壁温差最高达到80℃，严重威胁机组的安全运行，本文以该发电厂AE94.3A燃气-蒸汽联合循环机组为例，分析余热锅炉高压汽包在冷态启动过程中上下壁温差大的原因并提出控制措施。

1 高压汽包组成

高压汽包由封头和简体组焊而成，整体主要是由管道、测量装置和分离装置组成的。管道主要有给水管道、下降管道、上升管道、加药管道、排污管道、饱和蒸汽管道等;测量装置主要有汽包壁温热电偶、汽包双色水位计、差压水位计、电接点水位计，压力表，压力变送器，安全阀等;分离装置主要有旋风分离器，波形板分离器，波形板干燥器，均流孔板等。

2 高压汽包作用

高压汽包是高压炉水加热、蒸发、过热三个过程的枢纽，是建立高压系统水循环的中转站;汽包内部布置有旋风分离器、波形板箱以及排污等装置，是高压蒸汽合格品质的保证;高压汽包水容积44m?，具有一定的储水量和蓄热能力，在异常工况下能缓解蒸汽压力的快速变化。

3 高压汽包壁温差大危害

高压汽包热应力的产生来源于汽包上下壁温差和内外壁温差，壁温差越大，热应力越大，长期在过应力工况下运行会增加汽包寿命损耗[1]，严重时使汽包发生弯曲变形甚至产生裂纹，危害机组的安全运行。因此，余热锅炉在启动或者停运过程中，必须控制汽包壁温差不超限（50℃），尤其是控制高压汽包上下壁温差。

4 高压汽包壁温差大原因分析

4.1 高压汽包上下壁与工质换热系数不同

燃机点火后初带一定负荷，余热锅炉在冷态下升温升压，由于汽包上下壁温度低，汽包上部饱和蒸汽和下部炉水分别对汽包上下壁进行加热，汽包下部炉水对汽包下壁进行对流换热，上部饱和蒸汽对汽包上壁进行凝结换热，后者的换热系数是3～4倍[2]，因此在相同条件下汽包上壁温度上升快。

4.2 汽包升压速率过快

随着高压汽包压力的上升，对应的饱和温度升高，尤其在压力小于1.5MPa时，随着压力的上升，饱和蒸汽温度上升较快，汽包上壁温度跟随着快速上升，而在启动初期水循环尚未建立导致汽包下部炉水温度上升较缓，下壁温度上升慢，如果此时控制不当，汽包上下壁温差就会超限。

4.3 高压汽包壁厚大

余热锅炉启动过程，高压汽包内壁直接与水和饱和蒸汽接触，温度跟随快速上升，汽包外壁温度的升高受到金属导热的限制，汽包内外壁温差与汽包壁厚和导热系数成正比，故外壁温度上升缓慢，此外汽包外壁温度通过保温层与大气进行换热，由此造成汽包内壁温度上升快，外壁温度上升慢，从而产生内外壁温差[3]。

5 高压汽包壁温差大控制措施

5.1 提高高压汽包给水温度

高压给水来自于低压汽包，低压汽包和除氧头一体设置，除氧头设置了辅助蒸汽加热。在冷态启动过程中，投运辅助蒸汽至除氧头加热，一方面有助于低压汽包给水的除氧，另一方面加热低压汽包炉水，提升高压汽包给水温度，防止高压汽包产生蒸汽后为维持水位补入低温的给水，进一步拉大高压汽包上下壁温差。

5.2 投运高压蒸发器底部加热

冷态启动前将高压汽包水位上到可见水位（-500mm），投入高压蒸发器底部加热，将高压汽包炉水加热到90℃，此时高压汽包水位约为-250mm，加热高压汽包底部炉水，减缓高压汽包升压初期上下壁温差过快拉大[4]。高压汽包升压初期保证高压汽包水位处于低水位状态，让高压汽包产生的饱和蒸汽尽量充满汽包内部，加速高压汽包整体温度上升，缩小上下壁温差。

5.3 加大底部排污，建立水循环

在启动升压初期，由于高压汽包产生蒸汽量相对较小，高压系统水循环尚未建立，高压蒸发器以及汽包底部炉水基本处于停滞状态，换热系数小，下壁温度上升特别缓慢，而饱和蒸汽不断与汽包上壁进行换热，此时上下壁温差容易超限。通过打开高压蒸发器排污电动门以及高压汽包连续排污，促进高压汽包炉水循环，加强炉水的流动，以提升高压汽包下壁温度，减少高压汽包上下壁温差[5]。

5.4 放尽高压汽包内炉水

冷态启动前，将高压汽包内剩余低温炉水放掉，补充温度较高的给水，缩短高压蒸发器底部加热时间，提前控制高压汽包上下壁温差，为燃机启动后控制温差提供有利条件。

5.5 控制高压汽包压力上升速率

在启动初期燃机初带最低负荷10MW，大气温度25℃时，10MW时燃机排烟温度高达370℃，高压蒸发器入口温度达325℃，在高压汽包起压初期，随着高压汽包压力的上升，饱和温度快速上升，汽包上壁温度跟随快速上升，因此，在升压初期控制高压汽包升压速率是控制上下壁温差的有效措施。冷态启动时，切除高压旁路阀自动模式，手动将高压旁路阀打开80%直到高压汽包上下壁温差回升后慢慢手动关小高压旁路阀;打开高压汽包炉侧、机侧疏水以及高压过热器出口排气电动门，减缓高压汽包压力的上升从而控制高压汽包上外壁的升温速率小于3.5℃/min，当再热压力大于0.1MPa时，打开再热器出口排气电动门直至再热压力大于0.25MPa后关闭，再热器出口排空电动门关闭后缓慢手动打开中压旁路阀，注意凝汽器真空变化以及排气温度的上升，在真空允许的条件下慢慢开大中压旁路阀直至70%，尽可能在高压汽包升压初期控制压力的上升速率。以下表1是采取了上述控制措施后在冷态启动燃机初带10MW，高中压旁路阀开度分别为80%，70%时高压汽包上下壁温差与升温速率、升压速率的关系。（表1中高压汽包升压速率和上外壁升温速率是每隔10min的计算值）

6 高压汽包升压速率优化措施

采取以上控制措施并通过多次联合循环机组冷态启动的数据采集可知，在启动初期，高压汽包的升压速率是影响高压汽包上下壁温差的主要因素，因此针对高压汽包升压速率过快在逻辑方面进行优化，以减少运行人员手动操作，防止操作不当造成高压汽包上下壁温差超限。冷态启动时，自动将高中压旁路阀100%打开直到检测到高压汽包上下壁温差回落大于5℃时自动进入高中压旁路定压控制模式，维持冲转压力等待冲转。由于中压旁路阀的开启对真空影响较大，因此对中压旁路阀全开的条件作以下说明，中压旁路阀全开条件：机组冷态启动且真空小于10Kpa（绝对压力）且再热蒸汽压力大于0.25MPa且再热器出口排空电动门关闭且中压旁路阀没有快关条件。表2是在采取上述控制措施以及升压速率优化后，冷态启动燃机初带10MW，高中压旁路阀开度分别为100%，100%时高压汽包上下壁温差与升温速率、升压速率的关系。

对比表1和表2可知，冷态启动时，燃机初带10MW负荷，在第10～20min内控制好升温升压速率是控制汽包上下壁温差的关键节点，高压汽包升壓速率优化前第10～20min，高压汽包的升压速率达到0.102MPa/min，上壁升温速率达到4.4℃/min，超过预定的升温速率3.5℃/min，此时高压汽包上壁温度上升过快，下壁温度上升慢，导致此时上下壁温差达到54℃，而优化后在第10～20min，升压速率下降至0.095MPa/min，升温速率跟随下降至3.4℃/min，虽然在第20～30min，上壁升温速率超过3.5℃/min，但由于持续时间较短且此时高压汽包下部水循环已建立，下壁温度上升增快，因此上下壁温差仍然在50℃以内，在第30～40min，上下壁温差慢慢缩小，上下壁温差回升5℃后高中压旁路进入旁路定压模式，高中压旁路阀逐渐关小维持冲转压力等待冲转。

7 结论

通过上述控制措施以及高压汽包升压速率优化措施，保证了机组冷态启动时高压汽包上下壁温差不超限，减少了高压汽包在冷态启动过程中的热应力，延长了高压汽包的使用寿命，保证了机组安全稳定运行。

参考文献：

[1]赵玉莲，崔艳华，黄建荣.电站锅炉设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2012：280-281.

[2]康晓光.1025t/h锅炉汽包壁温差产生的原因分析及对策[J].山西焦煤科技，2010（S1）：1-3.

[3]孙广科.锅炉汽包壁温差产生的原因与控制[J].东北电力技术，2007（03）：27-29.

[4]刘兴彦.9F燃机锅炉炉底加热系统浅谈[J].内蒙古科技与经济，2011（11）：82-83+86.

[5]王晓华.热电厂汽包锅炉启动过程中汽包热力的分析与保护[J].黑龙江科学，2014，5（02）：161.

作者简介：张钊武（1991-），男，广东汕头人，本科，助理工程师，运行值班员，研究方向：燃气-蒸汽联合循环电厂运行优化。