锅炉各部加热冷却过程研究

摘要：为使锅炉各承压部件受到均匀的加热和冷却，需要严格控制锅炉加热和冷却的速率。现主要围绕锅炉部件在正常启动、停止、加减负荷以及停炉后强制快冷过程中的加热、冷却速率进行探讨，所得结果可为相关研究提供参考。

关键词：锅炉;加热过程;冷却过程

1    研究背景

锅炉由“锅”和“炉”两部分组成，“锅”的部分由承压部件组成，与工质、火焰和烟气均直接接触，所以锅炉各承压部件的加热和冷却过程自然与锅炉是否有火以及着火情况，锅炉内是否有工质以及工质的压力、温度等具体情况密切相关。

锅炉点火后，主要通过控制过热蒸汽和再热蒸汽的升温率和降温率来控制过热器和再热器的加热速率和冷却速率。对于水冷壁来说，是通过控制主汽升压率或降压率来控制水冷壁金属温度的变化率;对于不与烟气接触的锅炉各承压部件，如汽包、炉水泵入口联箱、水冷壁下水包等，其金属温度的变化同样与汽包压力下的饱和温度的变化相一致;对于过热器和再热器的联箱，其金属温度的变化与过热蒸汽、再热蒸汽温度的变化相一致[1]。

锅炉点火后，为了使锅炉各承压部件的温度變化较为均衡，厂家给出了升温升压或降温减压的速率上限，比如加负荷过程中规定“锅炉起压前，控制炉水升温率≤2 ℃/min” “锅炉起压后，严格控制升压率≤0.12 MPa/min，主再热汽温升温率≤2 ℃/min”等，减负荷停机过程中规定“严格控制主再热汽温降温率≤1.5 ℃/min，降压率≤0.15 MPa/min”等，这些都是通过压力和温度的变化率来控制锅炉各部金属温度的变化率。

2    实例分析

现以机组冷态启机至加负荷320 MW为例，说明锅炉各承压部件的加热速率情况。

（1）锅炉点火至起压。炉水温度由30 ℃加热到100 ℃汽包起压，控制炉水温度升温率≤2 ℃/min，该过程中水冷壁下降管及相关联箱的升温率接近2 ℃/min。该过程过热器与再热器管中未有工质流过，过热器与再热器只受烟气加热，没有工质冷却，所以温升的变化率较快。由于是启炉初期，烟气温度不算太高，危害不大。

（2）锅炉起压至大机冲转。锅炉起压时汽包压力0.1 MPa、炉水温度100 ℃，对应主蒸汽参数0.05 MPa、100 ℃，大机冲转时要求主蒸汽参数为4.5 MPa、360 ℃。其中，主汽压由0.05 MPa升至4.5 MPa，按照升压速率≤0.12 MPa/min计算，用时37 min;主汽温由100 ℃升至360 ℃，按照主汽升温率不超过2 ℃/min计算，用时130 min，所以该过程至少需要130 min才能同时满足升温升压的速率条件。汽包压力0.1 MPa对应饱和温度100 ℃，主汽压4.5 MPa时汽包压力5 MPa，对应饱和温度264 ℃，从100 ℃升至264 ℃，温度上升164 ℃，用时130 min，升温率为1.26 ℃/min。因此，在这个过程中，对于过热器和再热器及其联箱来说，升温率最大为2 ℃/min;对于水冷壁、下降管、炉水泵入口联箱、水冷壁下水包和汽包来说，升温率最大为1.26 ℃/min。

（3）大机并网至额定负荷。假设一直到并网前主汽参数不变，并网后加负荷至320 MW，对应主蒸汽参数16.9 MPa、540 ℃，即主蒸汽参数由4.5 MPa、360 ℃升至16.9 MPa、540 ℃。其中，主汽压由4.5 MPa升至16.9 MPa，按照升压速率不超过0.12 MPa/min计算，至少需要103 min;主汽温由360 ℃升至540 ℃，按照升温率不超过2 ℃/min计算，至少需要90 min，所以该过程至少需要103 min才能同时满足升温升压的速率要求。主汽压4.5 MPa时汽包压力5 MPa，对应饱和温度264 ℃;主汽压16.9 MPa时汽包压力18.5 MPa，对应饱和温度360 ℃，从264 ℃升至360 ℃，温度上升96 ℃，用时103 min，升温率为0.93 ℃/min;如果将主汽温由360 ℃升至540 ℃，用时103 min，升温率为1.75 ℃/min。因此，在这个过程中，对于过热器和再热器及其联箱来说，升温率最大为1.75 ℃/min;对于水冷壁、下降管、炉水泵入口联箱、水冷壁下水包和汽包来说，升温率最大为0.93 ℃/min。

以上速率的计算是在锅炉均匀加负荷情况下的平均值，实际上在增投气枪、增启制粉系统的过程中，锅炉加负荷过程非常快，锅炉受热面温度上升也非常快。

3    机组滑参数停机过程中锅炉各承压部件的冷却过程

检修滑参数停机，一般要求主汽温滑至300 ℃左右、主汽压4 MPa，假设开始停机时主汽压16.9 MPa、主汽温540 ℃，主汽压由16.9 MPa降至4 MPa，按照主汽压降压速率最快0.15 MPa/min计算，需要86 min;主汽温由540 ℃降至300 ℃，按照主汽温降温率不超过1.5 ℃/min计算，需要160 min，所以该过程至少需要160 min才能同时满足降温降压的速率要求。主汽压16.9 MPa时汽包压力18.5 MPa，对应饱和温度360 ℃;主汽压4 MPa时汽包压力4.2 MPa，对应饱和温度255 ℃，从360 ℃降至255 ℃，温度降低105 ℃，用时160 min，降温率为0.66 ℃/min。因此，在这个过程中，对于过热器和再热器及其联箱来说，降温率最大为1.5 ℃/min;对于水冷壁、下降管、炉水泵入口联箱、水冷壁下水包和汽包来说，降温率最大为0.66 ℃/min。

这是锅炉均匀降温降压情况下的冷却速率。实际上，由于烧空煤仓的需要以及尽可能减少超标排放时间的需要，有时减负荷的速率是很快的，降温降压的速率同样非常快，这对于锅炉受热面的均匀冷却非常不利。

4    锅炉熄火后各部温度的变化情况

下面结合2020年4月24日妈湾#5机组停机后锅炉的冷却过程来进行分析。

（1）闷炉状态下锅炉各受热面温度的变化情况。2020-04-23T23：35，#5机组打闸停炉，汽包压力4.2 MPa，吹扫15 min后停止通风组，关闭风机挡板，进行闷炉，至2020-04-24T09：50，汽包压力0.85 MPa。在热炉带压放水前的闷炉状态下锅炉各部温度变化情况：炉水泵联箱温度的下降速率最快为0.3 ℃/min，汽包壁温的下降速率最快为0.55 ℃/min，过热器壁温下降速率最快为0.8 ℃/min，再热器壁温的下降速率最快为0.4 ℃/min，空预器入口烟温的下降速率最快为0.5 ℃/min。汽包壁最大温差由37 ℃逐渐增大到43 ℃。

（2）放水后风烟系统关闭情况下锅炉各受热面温度的变化。2020-04-24T09：50，汽包壓力0.85 MPa，锅炉进行热炉带压放水后风机挡板和干渣机关断门全关，风机动叶全关状态下锅炉各受热面温度的变化情况：炉水泵联箱温度的下降速率最快为0.25 ℃/min，汽包壁温的下降速率最快为0.2 ℃/min，过热器壁温下降速率最快为0.12 ℃/min，再热器壁温的下降速率最快为0.1 ℃/min，空预器入口烟温的下降速率最快为0.1 ℃/min。汽包壁最大温差由37 ℃逐渐增大到43 ℃，汽包壁温差最大值由41 ℃逐渐增大到52 ℃。

（3）打开干渣机关断门和端部风门，打开各风机进出口挡板，风机动叶未开情况下锅炉各受热面温度的变化。2020-04-24T11：50，#5炉空预器入口烟温，出口一、二次风温均下降至170 ℃以下，通知除灰并打开干渣机关断门和端部风门，打开各风机进出口挡板。风机动叶未开状态下锅炉各受热面温度的变化情况：由于只打开了干渣机关断门和风烟系统的挡板，锅炉的通风换热并不彻底，冷却速率也大幅降低，汽包壁最大温差逐渐增大到65 ℃。

（4）全开风机动叶直至启动一台引风机，动叶分别开到10%和20%，这时锅炉已经自然通风冷却，锅炉各部分的冷却速率稍微有所加快，随着锅炉内部各受热面温度的下降，传热温差大幅降低，下降速率仍然很低。

（5）妈湾#4机组过热器爆管锅炉强冷时各受热面温度的变化情况。2020-05-15T00：50，#4炉紧急停炉，闷炉结束后锅炉自然通风，全开定排换水，开启锅炉5%旁路门，对各参数进行分析后发现，通过对锅炉上水放水的换水冷却，锅炉的冷却过程明显加快，炉水泵联箱温度的下降速率最快为0.2 ℃/min，汽包壁温的下降速率最快为0.28 ℃/min，过热器壁温下降速率最快为0.42 ℃/min，再热器壁温的下降速率最快为0.4 ℃/min，空预器入口烟温的下降速率最快为0.12 ℃/min。

分析上述过程中的汽包壁温差的变化情况：

（1）除非事故情况下，平时启停炉、加减负荷以及停炉后的冷却过程均应缓慢进行，严格按压力和温度变化率进行，以保证锅炉各部的热应力变化不超过设计值规定。

（2）闷炉冷却的效果最慢，锅炉各部分产生的热应力最小，对锅炉的保护也最好，但闷炉冷却所需的时间长，如锅炉受热面尤其是炉膛内有检修工作时必然会增加检修工期。

（3）及时对已经熄火的锅炉进行强制通风冷却，由于其炉膛已经熄火，对于省煤器、过热器、再热器等内部没有工质的部件，其冷却是表面风冷，冷却速率也远远低于正常加减负荷时的冷却速率。

（4）锅炉上水、放水与强制通风相结合的方式冷却效果最好，5%旁路打开，高低旁打开效果更加明显。上水冷却时如没有提高给水温度，下壁与水直接接触的冷却效果明显，上壁只能与少量蒸汽接触甚至接触不到蒸汽，冷却效果差，汽包上下壁温差也大，汽包壁又厚，产生的热应力也大，所以如果通过上水、放水的方式进行冷却，应控制上水温度与汽包壁温差，必要时投除氧器加热。

5    结语

锅炉各部件加热、冷却主要发生在启停炉和加减负荷的过程中，加热、冷却速率受到锅炉负荷变化速率的影响，且与主再热蒸汽的压力、温度的变化速率相一致。运行中一定要注意控制主再热蒸汽参数的变化速率，停炉后单通过启动通风组来给锅炉部件降温的冷却速率远远低于正常启停炉以及加减负荷过程的温度变化速率。通过给锅炉上水、放水的方式强制冷却时锅炉各部件的冷却速率明显增大，这时要注意控制上水温度与汽包壁的温差。

[参考文献]

[1] 张成君.锅炉加热过程故障的预报及处理研究[J].科技风，2019（9）：139.

收稿日期：2021-01-15

作者简介：余升（1977—），男，广东深圳人，工程师，从事电力运行与管理工作。