燃煤电站锅炉汽包及水冷壁启动过程分析与保护毕业设计(编辑修改稿)

燃煤电站锅炉汽包及水冷壁启动过程分析与保护毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

至使部件损坏。 一般来说，部件越厚，在单侧受热时的内、外壁温差越大，热应力也越大。 汽包、过热器联箱、蒸汽管道和阀门等的壁厚均较大，所以在受热过程中必须妥善控制，尤其是汽包。 锅炉启动初期受热面内部工质的流动尚不正常，工质对受热面金属的冲刷和冷却作用是很差的，有的受热面内甚至在短时间内根本没有工质流过。 如果这时受热过强，金属壁温就有可能超过许用温度。 锅炉的水冷壁、过热器、再热器及省煤器均有可能超温。 因此，启动初期的燃烧过程应谨慎进行 [8]。 炉膛爆燃也是启动过程中容易发生的 事故，锅炉启动之初，燃料量少、炉温低、燃烧不完全且不易控制，极有可能燃烧不稳定导致灭火，一旦发生爆燃，将使设备受到严重损坏。 启动过程中所用燃料，除用于加热工质和部件外，还有一部分耗于排汽和放水，造成热损失和工质损失。 在低负荷燃烧阶段，过量空气和燃烧损失也较大，锅炉的运行效率要比正常运行时低得多。 总之，在锅炉启动过程中，既有安全问题也有经济问题，二者经常是矛盾的。 为保证受热面的安全，减小热应力，启动过程应尽可能较慢的升温升压，燃料量的增加也只能缓慢进行。 但势必延长启动时间，使锅炉在启动过程中消耗更多的燃料 ，降低了经济性。 锅炉启动的原则是在保证设备安全的前提下，尽可能缩短启动时间，减少启动燃料的消耗量，并使机组尽早带负荷 [9]。 华北电力大学成人教育学院 2020 届毕业设计 3 汽包概述 汽包是锅炉中体积最大、壁最厚的承压元件，以东方 300MW 机组锅炉为例，汽包承受工作压力 ，对应饱和温度 362℃，汽包的结构尺寸为外径 2090 ㎜，厚度为 145 ㎜。 汽包的主要作用有四个： 1）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。 2）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。 3）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。 4）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 [10]。 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 [11]。 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 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。 汽包壁任一点有三个方向的应力，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。 华北电力大学成人教育学院 2020 届毕业设计 4 汽包热应力 热应力的概念 金属部件的体积随着温度的升高而膨胀扩大，随着温度的下降而收缩减小。 如果金属部件的体积能随温度变化而自由变化，金属部件内就不会产生应力；但是当金属部件的体积变化受到约束时就会产生很大的应力。 通常，我们把由于金属 部件之间存在着一定的温差所引起的应力称为热应力。 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 [12]。 汽包上、下壁温差引起的热应力 在锅炉进水和锅炉升压过程中都将会出现汽包上、下壁温差。 锅炉进水时，水总是先与汽包下壁接触，然后逐渐升高与上壁接触。 这样壁温就是上低下高。 汽包下壁受压而上壁受拉。 汽包起压后，上、下壁温差转为上高下低。 这是因为汽包上部空间为汽、下部空间为水，都对汽包壁进行单向传热。 但蒸汽对汽包上壁的放热为凝结放热，而水对汽 包下壁的放热为微弱的对流放热，放热系数差别很大，前者比后者要大 2～ 3 倍。 所以汽包上壁的受热要比下壁剧烈得多，使汽包上壁温度上升很快，因而造成汽包上、下壁产生温差。 升压速度越快，汽包上、下壁温差就越大。 汽包下壁的应力状态由受压转为受拉经历一次应力循环。 由于启停一次应力变化的幅值与最初的压应力有关，而应力循环幅值大小会影响汽包的低周疲劳寿命，所以启动前的进水应该限制进水的温度和时间，尽可能减小汽包上、下壁温差。 当汽包上部壁温高于下部壁温时，汽包有产生弯曲变形的倾向。 这时由于上壁温度高，膨胀量大，并力图拉着下 壁一起膨胀；而下壁温度低，膨胀量小，并力图阻止上壁的膨胀。 因而汽包上壁受压缩应力，下壁则受拉伸应力。 但是，与汽包连接的很多管子将约束汽包的自由变形，这样就产生了很大的附加应力，严重时可能会使联箱、管子弯曲变形和管座焊缝产生裂纹。 为降低汽包上、下壁温差，国外有些锅炉在汽包结构上有所改进。 例如美国的 CE公司、德国的 BABCOCK 公司在其设计生产的 300MW、 600MW 级锅炉汽包内安装了与汽包同样长度的弧形衬板。 上升管汇集来的汽水混合物由汽包的中上部进入，经环形夹层向下流动，所以汽包上壁也有相当部分的面积与水接 触，汽包上壁的冷凝放热影响相对减弱。 但是由于冲刷汽包上壁的水速较高，上、下壁温差还存在，但允许的饱和水温升率要大的多 [13]。 华北电力大学成人教育学院 2020 届毕业设计 5 汽包内、外壁温差引起的热应力 汽包内、外壁温差出现于锅炉进水和锅炉升压的过程中。 进水时，热水只与汽包内壁接触，外壁接受内壁热流，故其温度低于内壁，从而产生汽包的内、外壁温差。 点火后随着汽压的上升，饱和温度也升高，同水和蒸汽接触的汽包内壁温度接近于饱和温度，但外壁温度的升高则受到金属导热及壁厚的限制，因而造成汽包内、外壁之间的温差。 锅炉在稳定运行时，由于汽包的导热系 数很大，所以汽包壁内的温差很小，热应力也较小，可以忽略不计。 然而，锅炉在启停或变负荷过程中，由于汽包内的介质温度不断上升，故产生了较大的热应力。 汽包内壁温度高，膨胀受阻而承受压应力；外壁温度低，相对内壁力图收缩而承受拉应力。 并且，热应力的最大值出现在内、外壁表面处。 升压速度越快，汽包内、外壁温差及热应力就越大，且基本呈线性关系。 这是因为在很快的介质温升速度下，内壁热量未来的及传给外壁，饱和温度就又升高了，所以将引起更大的内、外壁温差。 由于汽包内的饱和温升始终伴随着升压过程，所以在整个升压过程中，汽包内外壁温 差始终存在 [15]。 汽包壁温差的最大值通常出现在启动之初。 其原因一是由于启动之初，水循环较弱，水的扰动较小，汽包下半部与几乎不动的水接触传热，从而使汽包下部金属温升慢；二是由于低压阶段压力不大的变化就会引起饱和温度很大的变化，即引起锅水和汽温产生较大的变化，使水、汽对汽包壁的放热量也相应发生较大的变化，加大了汽包的上下壁温差。 汽包附加应力 汽包的附加应力是指汽包与内部介质重力引起的应力，其数值上与以上两种应力比较要小得多。 峰值应力 锅炉升压过程中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，还有附加应力，它们叠加后产生总应力，最大局部总应力点成为峰值应力。 汽包顶部机械应力和上下壁温差热应力方向相反，相互减弱；汽包下部机械应力和上下壁温差应力方向相同，相互增强。 再叠加内外壁温差引起的热应力及应力集中的作用，峰值应力常出现在大直径下降管孔附近。 启动过程汽包峰值应力的大小决定于汽包内压力、压力变动率及循环流速。 某 1000t/h亚临界压力自然循环锅炉进行启停应力峰值试验表明，在控制汽包壁温差的情况下，汽包峰值应力在 325～ +380Mpa 之间变化。 其最大负应力出现在冷态启动的初期，最大正应力则出现在汽包压力的最高值区域。 汽包峰值应力是局部应力，当它超过材料的屈服极限时，将引起应力再分配，最大只能达到屈服极限，这在稳定压力下对强度是无害的，但在交变应力作用下，可能产生疲劳裂纹，并最终导致元件泄漏 [10]。 汽包低周疲劳破坏分析 汽包峰值应力超过材料屈服极限时，材料局部发生塑性变形，使断面上的应力重新分配，最大值不大于屈服极限。 汽包金属在远低于其抗拉强度的循环应力作用下，经过一定的循环次数后会产生疲劳裂 痕以至破裂，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。 华北电力大学成人教育学院 2020 届毕业设计 6 是否要对汽包进行低周疲劳分析，美国机械工程师协会（ ASME）给出了一个临界值。 对于材料屈服极限小于 552Mpa 的汽包，应力循环次数超过 1000 次，都应对汽包进行低周疲劳分析。 关于应力循环次数有以下定义： 1）锅炉启动停运一个循环为一次。 2）压力波动范围在数值上超过设计压力值 20％算一次。 3）汽包上任何相邻两点，因温度变化产生温差，不同温差值折算成次数，如下： ～ 55℃， 应力循环 1次； ～ 83℃，应力循环 2 次； ～ 139℃，应力循环 4 次； ～ 194℃，应力循环 8次； ～ 250℃，应力循环 12次； f.＞ 250℃，应力循环 20 次； 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。 近年来 引进的机组对汽包壁温差的控制普遍较宽，例如东方锅炉的 1025t/h 自然循环锅炉，冷态启动限制上下壁温差小于 40℃；日本三菱公司的 1175t/h控制循环锅炉，规定进水升温速度不大于 ℃ /min，以此来限制汽包壁温差 [6]。 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。