电站锅炉安全经济运行分析

1摘要：北京京能热电股份有限公司共有4台哈尔滨锅炉厂生产的HG-670/140-13型的超高压、中间再热、单汽包、自然循环固态排渣煤粉炉，单炉膛，负压燃烧，燃烧器四角布置，配中速磨煤机，直吹式制粉系统的锅炉。锅炉的安全优化运行是提高机组利用率、安全性、经济性和环保性的重要保障，因此，本文通过三章对锅炉启动及正常运行所遇到的问题进行了阐述。关键词：锅炉安全经济运行分析2第一章锅炉的启动与安全监护第一节.启动曲线的优化一、我公司一般均采用滑参数启动，滑参数启动不但可以缩短从锅炉点火到发电机并入电网的时间，节省这一过程中的能量消耗；还可以使整个机组的加热过程从低参数开始，从而使热膨胀均匀；还可使锅炉水循环工况和过热器冷却条件改善，使低压蒸汽较好地充满汽轮机，从而使汽轮机各部分温升均匀，热应力大大减少。1.在机组大小修后，一般都采用锅炉无火启动，所谓锅炉无火启动，即用外来蒸汽加热锅炉，在不点火的情况下，使锅炉工质升温升压。通常都采用下联箱加热的方式对锅水进行加热。锅炉点火前投入下联箱加热装置，汽包温升速度控制在0.5～1℃/min，无火启动的最初阶段力求缓慢，防止汽水冲击引起水冷壁振动，随着工质温度的升高，逐渐开大加热管的进汽门，经过3～4小时，锅炉汽压可升到0.5～0.7Mpa,此时，锅炉已产生大量蒸汽，可进行暖管。采用无火启动的优点是：（1）启动过程中锅炉受热元件受热均匀，热应力小.（2）由于用蒸汽推动锅炉循环，点火后很快建立水循环.（3）由于点火前已产生大量蒸汽，可有效防止过热器和再热器超温.（4）可防止省煤器管超温。（5）因点火时炉膛已有较高的温度，对点火初期的稳定燃烧十分有利.（6）由于缩短了点火启动时间，可节省厂用电和点火用油（7）锅炉可长时间内处于热备用状态，汽压低于0.5Mpa即可投入加热装置，进行热保养.。第二节锅炉汽包的安全监护一、汽包的安全监护（由于汽包是锅炉中壁最厚直径最大的设备，本文重点论述）汽包是锅炉的重要组件，在使用中如果操作或管理不当会使其上下壁、内外壁产生过大的温差和热应力。其机械应力和热应力的综合应力在局部区域的峰值可能接近或超过汽包材料的屈服强度，汽包壁容易形成裂纹，扩展到一定程度时汽包将被破坏。汽包承受的应力主要有压力引起的机械应力和温度变化引起的热应力，其中机械应力与其工作压力成正比，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。1汽包热应力分析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3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。（1）上下壁温差产生的热应力汽包热应力计算文献［1］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）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。应力计算文献［1］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）热应力的计算汽包温度场变化有3种情况：稳定温度场、匀速变化的准稳定温度场和温度快速变化的非稳态温度场。在稳态工况下，汽包外壁的保温层使汽包金属外壁近乎处于绝热条件下，此项热应力可不计。负荷变动时，开始时汽包内外壁面金属温度的变化速度不同，经几分时间的过渡期，温度变化速度恒定，内外壁温差大体不变化，形成一种准稳态工况。过渡期内任意一瞬态，内外壁温差均小于准稳态时的温差。对于非稳态温度场，则可取一段时间的平均变化速度按准稳态温度场作简化计算。①内外壁热应力计算公式在锅炉启停过程中，按准稳态温度场求解，汽包内外壁温差热应力可由下面式子求得：公式1-1公式1-1式中R1，R2———汽包筒体内外半径；r———研究点的半径，R1＜r≤R2；t———温度；τ———时间参数；αl———线胀系数；μ———泊松比；4E———汽包壁金属材料的弹性模量；tm(τ)———某一时刻的体积平均温度；σit，σia，σir———径向温差引起的汽包内壁切向、轴向和径向热应力；σet，σea，σer———径向温差引起的汽包外壁切向、轴向和径向热应力。②上下壁热应力对上下壁温差热应力，可由下面式子求得：公式1-2公式1-2式中Yp，Yf———汽包的实际热弯曲和自然热弯曲，且0θ———研究点的极角；t(θ)———周向温度分布；Δt———汽包的上下壁温差；σa，σt，σr———轴向、切向和径向热应力。2汽包应力分析与低周疲劳寿命（1）.应力分析图1为汽包底部轴向总应力的合成情况，图中ABCD为汽包内部工作压力引起的机械应力，CDEF为汽包上下壁温差引起的热应力。一般情况，汽包上下壁温度很接近，故外壁拉伸应力较小，内壁压缩应力较大。机械应力与热应力的合成应力为AEFB，它可能已超过材料的屈服强度σs（如图1所示）。但汽包使用的钢材的塑性较好，合成应力增加到屈服强度后就不再增加，由塑性变形吸收，其实际应力为AGHIB。可见汽包壁不会因实际应力达到材料的抗拉强度而立即破坏，但是会使汽包的工作寿命缩短。图1（2）应力对汽包寿命的影响①材料在接近塑性变形或局部塑性变形下长期工作，材质变坏，抗腐蚀能力下降,还可能引起应力腐蚀。5②在锅炉启动、停运及变负荷过程中，汽包应力发生周期性变化，这将引起疲劳损坏。在长期的交变应力的作用下，汽包壁形成裂纹，扩展到一定程度时汽包破坏。③汽包应力峰值超过屈服强度的数值越大，塑性变形区越大（图2），达到低周疲劳破坏的循环周数越少，即应力每循环一次的寿命损耗增大。δ1—应力曲线1塑性变形区；δ2—应力曲线2塑性变形区；δb—汽包壁厚；σm1—应力曲线1的峰值应力；σm2—应力曲线2的峰值应力3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。（1）在升、停炉过程中，严格控制升温或降温速度，一般升(降)温速度不大于1.5℃/min。但在锅炉启动初期应采用更小的升温速度，因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大，此期间更容易产生较大的壁温差。表1在升压或降压过程中，若发现汽包上下壁温差超过规定值(40℃)，应减慢升(降)压速度。（2）开机时，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。（3）维持燃烧稳定和均匀。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。（4）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6度低，造成上下壁温差大。（5）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。（6）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。（7）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。（8）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。（9）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。（10）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再循环门漏入汽包；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。第三节锅炉过热器的安全监护一、水冷壁监护水冷壁的受热情况，可通过装在下联箱上的膨胀指示器加以监视。在生产实际中一般通过均匀对称投燃烧器，各燃烧器定期轮换运行，加强水冷壁下联箱放水，采用无火启动等方式，促使水冷壁均匀受热。在检查中若发现异常情况，应缓慢升压，查明原因进行处理后，方可继续升压。二、过热器和再热器的监护在启动过程中，过热器和再热器的安全十分重要，应满足两个要求：1、过热汽温和再热汽温应符合汽轮机冲转、升速、并网升负荷等要求。2、过热器和再热器管壁温度不超过金属材料的允许温度，其联箱、管子等不产生过大的周期性热应力。（1）过热器的保护。单元机组的锅炉在启动过程中是靠自身蒸汽冷却过热器的。在锅炉点火后未产生蒸汽前，为防止管壁超温，通常控制炉膛出口烟温不大于540℃，因此在点火时一般先投下排油枪，投油不能太多，燃油量的增长不能太快。在点火升压初期，为了防止过热器管壁超温，应尽量保持稳定的燃烧工况，控制炉膛出口烟温差。在冷态启动过程中，应开启过热器疏水门进行充分的疏水，防止管内的积水形成水塞，阻碍蒸汽畅通。在升压过程中，流经过热器的蒸汽流量对过热器的安全有影响。蒸汽流量小时，过热器可能得不到足够的冷却；蒸汽流量大时，锅炉的升压速度减慢，启动时间延长，启动费用增加。所以在启动的过程中在保证安全的情况下，要尽量缩短启动时间，制定最佳的升压曲线。7（2）再热器的保护。启动过程中再热器的保护主要通过控制炉膛出口烟温和高低压旁路来实现的。三、尾部受热面的监护省煤器的保护是通过汽包和省煤器之间的再循环管来保证的。对于空气预热器首先要防止二次燃烧，其次是不正常的热变形，在启动的过程中要严密监视空气预热器出口烟温，当发现排烟温度不正常的升高时，应立即停炉或停止启动。对于回转式空气预热器，应在点火前启动，以防止其变形。四、热膨胀监护机组大修后，必须通过膨胀指示器严格监视各部件的膨胀情况，检查膨胀方式和膨胀数值，如膨胀不正常，必须限制升压速度，查明原因，采取措施。五、蒸汽品质的监护锅炉在启动的过程中，应对锅水的含硅量进行严格的控制，根据含硅量限制锅炉负荷，通过锅炉的连排或定排系统控制锅水的含硅率。表2列出了不同压力下锅水允许的含硅量。蒸汽压力（Mpa）9.811.814.716.7锅水中SiO2含量（μg/L）3.31.280.50.3表2锅炉蒸汽品质的其他参数应符合以下标准：表3（文献5）项目数值项目数值铁（μg/kg）≤20钠（μg/L）≤10铜（μg/kg）≤5电导率（μS/cm）≤0.3表38第二章锅炉的燃烧和调整第一节锅炉的燃烧特性一、经济性方面1.从优化燃烧的经济性考虑，在组织燃烧时应考虑以下几点（1）煤粉的燃尽程度（2）过量空气系数（3）煤粉细度（4）锅炉煤种和负荷适应性2安全性方面（1）炉内结渣和积灰的控制（2）受热面的磨损和腐蚀的控制（3）四管爆破的控制（4）防止燃烧器长期运行的过热和烧坏二运行参数对四角切圆锅炉优化燃烧的影响1燃烧器出口速度改变（负荷改变）的影响当锅炉负荷降低时，送入炉内的燃煤量减少，燃烧所需的总风量也相应的减少，一、二次风的风速普遍降低。炉膛温度下降，炉内燃烧稳定性变差。此时四角煤粉气流火焰配合稍有不当，就有可能引起着火不稳和火焰发生脉动。要保证锅炉在低负荷下稳定燃烧，必须了解和掌握变负荷下的炉内空气动力特性。锅炉变负荷炉内空气动力场的变化，很大程度上可归结为燃烧器出口风速改变。根据有关资料表明，燃烧器出口风速增加时实际切圆直径减小，减小幅度与燃烧器高宽比有关，高宽比越小，减小幅度越大。锅炉低负荷运行时，炉内温度水平较低，此时，降低燃烧器出口的风速，一方面使一次风着火提前；另一方面，使炉内切圆直径增大，这对稳定炉内的燃烧是有利的，但要注意火焰冲墙和结焦腐蚀问题。第二节锅炉低负荷及调峰运行的燃烧和调整随着电网负荷峰谷差的增加以及原子能发电厂的投运，为