大型电站锅炉启动和停炉优化运行

第一章大型电站锅炉启动和停炉优化运行新疆大学孟永彪第一节概述锅炉由静止状态变成运行状态的过程称为锅炉启动过程。停炉是启动的反过程，即锅炉由运行状态转变为静止状态的过程。锅炉的启动方式热态启动----锅炉还保持有一定表压，温度高于环境值情况下的启动，冷态启动----锅炉在没有表压，其温度和环境温度相近情况下的启动。电站自然循环锅炉的冷态启动过程点火准备工作完成之后，开始点火;随后蒸发受热面内的介质被加热到沸腾过程，而过热器和再热器暂时仍处于干烧状态沸腾一开始，蒸发受热面内产生蒸汽，导致系统内的压力上升，但关闭着的高压旁路和汽轮机的主汽门阻止了蒸汽的输出，过热器和再热器仍未被冷却，积存在冷的区域内的蒸汽要发生冷凝。当锅炉出口达到规定的压力界限时，高压旁路阀开启，过热器开始得到冷却，然后蒸汽再流向再热器。在蒸汽再流入再热器之前，分出一部分蒸汽送到高压加热器或除氧器去，只有达到低压旁路压力界限之后，才可调节再热器的蒸汽流量。继续提高燃烧器的功率，蒸汽的流量和蒸汽温度逐步上升，直至可以冲转汽轮机并带满负荷。启动过程各受热面内部的工质流动尚不正常，易引起局部超温，如水循环尚未正常时的水冷壁，未通汽或汽量很少时的再热器，断续进水的省煤器等，都存在管壁超温破坏的可能性。启动初期，炉膛温度较低，燃料投入量少，燃烧不容易控制，容易出现燃烧不完全，不稳定，炉膛热负荷不均匀等较突出的矛盾。锅炉利用热量一部分被工质吸收和加热各部件，另一部分则由排汽、放水带走。如何最大限度地利用热量，减少热损失，也是启动过程中的重要问题。第二节锅炉启停时可能出现的应力问题启停时部件内存在温度分布的不均匀性，从而受到很大的热应力作用这些部件的工作条件恶劣，处于高温高压的环境下。一、锅炉元件承受的应力1、弹性应力分析圆筒受内压作用时，径向应力为压缩应力，且在压力的内表面上达最大值。切向应力为拉应力，也在内表面上达最大值随内压的不断增加，其三个主应力成正比地增加。当内压达到某一数值时，内壁金属首先开始屈服，产生塑性变形。2、弹塑性应力分析内壁金属开始屈服时的压力称为弹性极限压力，用pe表示ppe，则在圆筒体内壁附近会形成一个环形塑性区随着内压的增加，这个塑性区会不断地向外层扩展而增大。圆筒壁分为两部分：内层的塑性区和外层的弹性区。塑性极限状态圆筒的全部壁厚进入塑性状态，这时称为塑性极限状态，对应于这种状态下的载荷（内压）称为极限载荷（极限压力）。在极限状态以前，圆筒体尚能正常工作极限状态以后就不再是正常的工作阶段内压稍有增加，就能导致圆筒体塑性变形过大而破坏。3、热应力定义：由于温度分布不均或膨胀和收缩受约束而引起的内应力称为热应力4、应力集中在机械零件和锅炉受压部件的几何形状突然变化的地方，会发生局部应力增大，即应力集中现象应力集中处的最大应力与无应力集中现象时的名义应力之比称为应力集中系数二、锅炉受压元件钢材的失效形式1、锅炉钢材的短时机械特性2、塑性破坏3、脆性破坏4、疲劳破坏5、蠕变破裂6、长期在高温下钢材组织结构的变化7、锅炉钢材的高温氧化8、应力松驰1、锅炉钢材的短时机械特性锅炉钢材必须具有足够高的综合机械性能。由室温拉伸实验得到的强度极限、屈服极限、伸长率和截面收缩率，由室温冲击试验得到的冲击韧性值是锅炉钢材的重要机械性能指标。钢材的屈服极限和强度极限决定着锅炉元件所能承受的应力极其承载断面尺寸。伸长率和断面收缩率决定着钢材工艺性能的好坏。冲击韧性值表示钢材的韧脆性以及承受冲击载荷的能力。高温下与常温下金属的机械性能区别1.高温下材料表现出机械性能指标对承载时间的敏感性，高温短时实验数据与高温长时实验数据是不同的。2.高温下材料的强度性能指标有所下降。3.低碳钢在200～300℃之间，低合金钢如钼钢和铬钼钢在400～500℃间出现强度增加，塑性降低的现象，称为钢材的兰脆性。塑性破坏部件承受载荷超过其最高许用应力值，致使部件塑性变形过大而发生的破坏。锅炉元件的塑性破坏主要有两种：1.因超压而引起的塑性破坏，一般发生在安全阀和燃烧自动控制设备同时失灵等情况下。2.因超温而引起的塑性破坏，发生在受热面冷却条件遭受破坏的情况下。3、脆性破坏①冷脆：钢材在低温条件下呈现的脆性称为冷脆。锅炉受压元件的工作温度较高，在运行条件下具有较好的塑性，但在进行水压试验时，若水温较低，钢材就可能脆化，导致脆性破坏。②热脆：当钢材长时间停留在400～500℃然后冷却到室温时，其冲击韧性值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。蒸汽管道在启动和停炉的低温阶段，由于水冲击和振动等原因很容易造成热脆破坏。③氢脆：钢材中的氢会使机械性能脆化，称之为氢脆。在冶炼和焊接过程中如不采取严格的措施，将使钢材中的氢含量增加。启动过程中，由于温度交变使保护层产生裂纹，基本金属暴露出来，当金属温度高于400℃时，发生的反应，氢气就析出了。这种所谓的蒸汽腐蚀会使所产生的氢渗入钢材中。氢脆断裂一般发生在较低温度范围内（－100℃～150℃)，温度较高时氢将从钢中逸出。④苛性脆化：苛性脆化是由于容器水介质内含有浓度很高的苛性钠使得钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象。产生苛性脆化条件为，(a)存在很高的局部应力；(b)在此部位下与高浓度苛性钠溶液相接触；(c)在一定的工作温度下。⑤应力腐蚀：由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断称为应力腐蚀，它在断裂前往往没有先兆，而是突然产生脆断。4、疲劳破坏钢材在远低于其抗拉强度的交变（循环）应力的作用下，经过一定的循环次数之后，材料会发生断裂，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的类型1.高周疲劳：是指低应力（低于钢材的屈服极限，甚至低于弹性极限）、高寿命（应力循环周数在105以上）的疲劳。2.低周疲劳：锅炉每发生一次启停，其承压元件都要经受一次交变应力及应变循环。在交变塑性应变作用下造成的破坏称为低周疲劳破坏。3.热疲劳：指在温度变化所产生的热应力反复作用下所造成的疲劳破坏。热疲劳与低周疲劳具有相似的应变—寿命规律，因而，其破坏特征相同。4.腐蚀疲劳：指部件在交变载荷和腐蚀介质的共同作用疲劳破坏下所产生的疲劳破坏。5、蠕变破裂在高温条件下，承受载荷的钢材不断发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。减速蠕变阶段；稳定阶段AB；破坏阶段BC；至C点发生断裂。6、长期在高温下钢材组织结构的变化在室温条件下，钢材的金相结构及性能一般较稳定，但是在高温条件下，金属原子的扩散能力增大，在长期工作过程中，钢材的组织结构将不断发生变化，并使其性能变坏，严重时会导致破裂事故。①珠光体球化：常用的各种锅炉碳素钢和低合金钢大都是珠光体钢，其正常组织是由珠光体和铁素体晶粒组成，珠光体晶粒内的铁素体和渗碳体均呈片状，称为片状珠光体。片状珠光体是一种不稳定组织，由于在相同体积下，片的表面积大于球，因而在高温下，片状珠光体中的渗碳体有逐渐转变为球状，并聚集成大球团的趋势，这种现象称为珠光体球化。珠光体球化使钢的强度极限，蠕变极限，持久强度等机械性能均下降。②石墨化：石墨化是钢中渗碳体在长期高温作用下自行分解的一种现象，(石墨），使钢材的室温和高温机械性能（强度和塑性）均下降，特别使冲击韧性显著降低，使钢材明显变脆，导致脆断。③合金金属的重新分配：在长期高温下，合金元素从固溶体转移到结构较稳定的碳化物中去，导致钢材强度降低。7、锅炉钢材的高温氧化锅炉的某些高温元件在高温烟气和高温蒸汽作用下，与烟气或蒸汽中的氧发生氧化反应，生成氧化膜，如果氧化膜不能紧密地包覆在钢材表面而发生脱落，则氧化现象不断发展，导致破坏。8、应力松驰钢材在高温和应力作用下，如果保持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象称为应力松驰。应力松驰过程，实际上是在总变形量不变的情况下，材料中的弹性变形随着时间延长不断转变为塑性变形的过程。当用螺栓压紧两个工件时，应力松驰会造成压紧力减弱，导致密封失效，使容器内部工质泄漏造成破坏。三、锅炉管材常用钢材性能锅炉的过热器、再热器、省煤器和水冷壁管是锅炉本体的主要承压部件，工作条件比较恶劣，通常称它们为锅炉“四管”，锅炉四管爆漏是影响锅炉安全经济运行的重要问题。锅炉设计时，既要考虑承压部件的强度要求，同时也要考虑到采用不同性能钢材的经济性，因此往往在锅炉四管的不同部位采用不同的合适钢材。电厂常用受热面钢管的最高允许温度锅炉管钢号有关国家钢号最高使用温度（℃）20GSt35.8，St45.8（德）A106A(美〕50015CrMo15Mo3,16Mo3（德）,T1（美）53012Cr2Mo10CrMo910（德）,T32（美）580～59012Cr1MoV12X1M（俄）58012Cr2MoWVB（钢102）60012Cr3MoVSiTiB（11）600X20CrMoV121（德）630～650T91，T9（美）6501Cr18Ni9TP304，TP304H（美）700TP321（美）700（800*〕第三节启停时蒸汽管道的应力分析及计算一、圆管的温度场计算1、不稳定导热方程及单值性条件2、管道温度场的解析解3、管道温度场的简化解二、直管的应力分析1、内压载荷引起的应力2、外部载荷引起的应力3、热载荷引起的应力三、弯管的应力分析1、内压载荷引起的应力2、外部载荷引起的应力3、热载荷引起的应力四、启停时管道应注意的问题一、圆管的温度场计算不稳定导热方程及单值性条件在启停过程中，蒸汽管道金属壁内温度的变化和分布是一个不稳定的导热过程。考虑蒸汽管道的轴向长度很长，相对管道内径而言，可以认为轴向不存在温度梯度，同时管道又是轴对称部件，因此计算蒸汽管道金属壁内温度分布时，一般采取简化处理方法，即将该不稳定导热问题视为每一时间温度只沿径向变化的一维导热问题。方程设蒸汽管道的内半径为R1，外半径为R2，按一维导热的简化，管道壁内任一点的温度为t(r,τ)应满足导热方程，即：启动初期，认为时间τ=0时壁内的温度分布是均匀的，各点的温度t0为常数，即：2122,0)1(RrRrtrrtattrt(,)00方程管道内壁的边界条件是内壁表面与蒸汽的对流换热，即第三类边界条件式中，λ为管道金属的导热系数，；α为介质与管道内壁的放热系数，kw/(m.℃)；tj(τ)—介质的温度函数，℃；t(R1,τ)—内壁面温度函数，℃。)],()([1Rttrtj边界条件当管内壁的换热系数很大时，也可以假定内壁温度等于管道内介质的温度，这时边界条件为第一类边界条件：式中，ν为管内介质的温升速度，℃/min。τ为启动温升时间，min。管道外壁的保温层外表面与周围空气之间的换热也是第三类边界条件；保温层内表面与金属外壁间的换热则是属于第四类边界条件。由于保温材料的导热系数很小，大约是金属导热系数的1/500~1/250，因此可以认为管道外壁是绝热的，属于第二类边界条件:TvttRtj0)(),(01002Rrrt管道温度场的解析解1202211200221220)()]()([2)()()(),(21kankkkRRkkkkernVRnJRnJdrrnVrrfRnJnvtrt管道温度场的简化解假如管道壁内每一点的温度变化速度都相同，且为同一常数，此时称为准稳定温度场2122RrRravdrdtdrtdr0),(01vtRt02Rrrt简化解]2[41222120RrLnRRravVtt具有轴对称温度分布的圆筒准稳态过程示意图二、直管的应力分析内压载荷引起的应力切向应力：纵向应力：径向应力：1/1/2122222ddddp1/2122ddpz1/1/2122222ddddpr2、外部载荷引起的应力纵向力引起的应力为：横向力引起的应力为：由于弯矩引起的纵向应力为)(42122ddFzFz)(4;)(4414222414222dddFdddFyF