电站锅炉汽包热应力的产生及预控措施标准版本.docx
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电站锅炉汽包热应力的产生及预控措施标准版本
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RHD-QB-K9220
电站锅炉汽包热应力的产生及预控措施标准版本
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电站锅炉汽包热应力的产生及预控措施标准版本
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1汽包应力分析
汽包主要有压力引起的机械应力和温度变化引起的热应力。
压力产生的机械应力有切向、轴向和径向应力三种,计算公式如下:
由
(1)、
(2)、(3)式可知,机械应力与其工作压力成正比,因此在设计中通过强度计算来确定汽包的壁厚、直径和选材等,运行中只要控制不超压运行,机械应力的最大值是稳定的。
2汽包热应力的产生
锅炉在启动和停炉过程中,汽包壁内的温度场和传热条件不断变化。
当温度变化时,汽包筒体存在着3种温差:
内外壁温差(沿壁厚方向存在温度梯度)、上下壁温差(圆周方向的温度不均匀)、纵向温差(长度方向的温度不均匀)。
因汽包可自由膨胀,故略去纵向温差的影响。
2.1上下壁温差的产生
升压过程。
在升压过程中,汽包内壁温度表现为上部温度高下部温度低。
原因分析如下:
a)汽包下部为水空间,上部为汽空间。
在锅炉启动过程中,汽侧介质的温度为饱和温度,而水侧介质的温度则低于饱和温度。
而且在升温过程中,汽包壁金属温度低于介质温度,形成介质对汽包壁加热。
汽包下部为汽水混合物对汽包壁对流放热,因为凝结放热系数比对流传热的放热系数要大3~4倍,所以汽包上半部温升比下半部温升快,形成上下壁温差。
b)锅炉启动初期,水循环微弱,汽包内水流缓慢,在炉膛受热较弱的局部甚至出现循环停滞区,使水温明显偏低,而蒸汽在汽包内的蒸汽空间传热相对较均匀,使汽包上下壁温差进一步增大。
c)在升压过程中,汽包上部饱和蒸汽温度与压力是单一关系,压力上升时,温度跟着上升。
蒸汽空间的蒸汽只能过热不会欠焓。
下部水温的上升需要靠介质流动传热,水温上升缓慢。
升压速度越快,汽包上下部介质温差越大。
停炉降压冷却过程。
在停炉降压冷却过程中,也有很多因素使汽包上部壁温高、下部壁温低。
a)在停炉过程中,水侧介质温度接近于饱和温度,而汽侧介质过热而使温度高于饱和温度。
而且汽包壁厚较大,加上表面有良好的保温层,汽包具有较大的蓄热能力。
由于汽包向周围介质散热很少,所以停炉过程中汽包的冷却主要依靠水循环。
当汽包内介质的压力及相应的饱和温度逐渐降低时,汽包金属对工质放热,由于上部金属对蒸汽的放热系数小于下部金属对水的放热系数,从而使上部温度高于下部温度。
降压速度越快,汽包下部温度下降越快,而上部壁温相对下降较慢,造成上下壁温差大。
b)在停炉过程中没控制好汽包水位,频繁地向汽包补入温度较低的水,使上下壁温差进一步增大。
c)在“四管”爆漏的事故处理中,由于降压速度快,同时又不断地大量补水维持汽包水位,造成上下壁温差严重超标。
2.2上下壁温差产生的热应力
汽包热应力计算表明,汽包上下壁温差引起的热应力主要是轴向应力,切向和径向应力与之相比约低一个数量级,故可忽略不计。
汽包上部壁温高,金属膨胀量大;下部壁温低,金属膨胀量相对较小。
这样就造成上部金属膨胀受到限制,上部产生压缩应力,下部产生拉伸应力。
热应力与温差成正比,汽包上下壁温差越大,产生的热应力越大。
2.3内外壁温差产生的热应力
汽包内外壁温差的形成主要是在升温过程,介质不断地对汽包内壁加热,内壁温升快,外壁温升慢,造成内外壁存在温差,使内壁产生压缩应力,外壁产生拉伸应力。
应力计算指出,内外壁温差产生的热应力主要是轴向和切向热应力,而且轴向与切向热应力大小相当,控制汽包内外壁热应力的关键是控制升温速度。
3汽包热应力的控制措施
汽包热应力的控制实质上就是对汽包上下壁、内壁温差进行控制。
在启、停炉过程中,严格控制升温或降温速度,一般规定升温(降温)速度ω值不得超过(1.5-2.0)℃/min,或100℃/h。
由于水和蒸汽在饱和状态下温度和压力之间存在一定的对应关系,所以锅炉启动的升压过程也就是升温过程,通常锅炉在启动时以升压速度来控制其温升速度的大小。
但在锅炉启动初期应采用更小的升压速度,因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大(见表1),此期间更容易产生较大的壁温差。
图1所示为某台HG-220/100-YM10型锅炉在母管制系统中的冷态启动曲线。
从曲线上可以看出:
在升压的初始阶段,升压速度很低,在100min内汽压升高仅为0.25MPa。
随后锅炉的升压速度逐步有所提高。
从图上还可以看出,该锅炉从点火开始直至并汽,总共需要约4.25h。
在升压或降压过程中,若发现汽包上下壁温差超过规定值(50℃),应减慢升(降)压速度。
控制升压速度的主要手段是控制燃料耗量,此外还可以加大旁路阀门的开度进行升压速度控制。
启炉时,加强水冷壁下联箱的放水,通过适当放水,用热水替换受热较少的水冷壁及不受热的联箱等部件内的冷水,促使各部位温升均匀,有利于建立正常的水循环,减小汽包壁温差。
维持炉膛燃烧稳定,热负荷均匀,并且有一定水平。
采用对称投油枪定期切换,或采用多油枪少油量等方法使炉膛热负荷均匀,确保水循环正常。
尽量维持较高的给水温度。
因为温度低的给水进入汽包,会使下壁温度低,造成上下壁温差大。
向汽包补给水时须严密关闭省煤器再循环门,否则,水短路进入汽包造成上下壁温差增大。
在有条件的情况下,尽量采用蒸汽加热水冷壁下联箱方法,能加快建立正常水循环。
HG-220/100-YM10型锅炉水冷壁下联箱装有加热蒸汽引入管,借助临机抽汽加热锅水,将锅水加热到100℃左右再进行锅炉点火。
这样,在锅炉点火以后,水冷壁可以立即开始产汽,大大加快了水循环的建立和稳定。
停炉后要避免大量排汽造成降压速度太快,应使汽包缓慢均匀冷却,同时尽量保持汽包高水位。
降压后期及停炉后要特别注意控制好汽包水位,尽量避免大量放水、补水使汽包下壁急剧冷却,汽包上下壁温差增大。
在处理“四管”爆漏事故中,尽可能稳定地控制补水量。
水冷壁、省煤器爆漏,水位难维持时宜尽快停炉,停炉后可不再向汽包进水。
同时停炉后要避免长时间开启烟道挡板造成炉内急剧冷却。
提高设备的检修质量,确保阀门严密。
给水门不严密,启、停炉过程中不补水时,给水可能直接经省煤器进入汽包;省煤器再循环门不严密,给水会直接漏入汽包,使汽包壁局部温度下降;定期排污门不严密,会破坏水循环,同时停炉中漏流,需要补充更多的给水,造成上下壁温差增大;对空排汽门、事故放水门的严密性差也会造成不良影响。
结束语。
汽包在长期运行中受交变应力的作用是必然的,在运行中应力对汽包的损害也是长期存在的。
因此,除做好预控措施外,还应结合机组的大、小修及临检等工作认真做好检查维护工作,及时发现缺陷、隐患并加以消除。
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