【文章內(nèi)容簡介】 至使部件損壞。一般來說，部件越厚，在單側(cè)受熱時的內(nèi)、外壁溫差越大，熱應力也越大。汽包、過熱器聯(lián)箱、蒸汽管道和閥門等的壁厚均較大，所以在受熱過程中必須妥善控制，尤其是汽包。 鍋爐啟動初期受熱面內(nèi)部工質(zhì)的流動尚不正常，工質(zhì)對受熱面金屬的沖刷和冷卻作用是很差的，有的受熱面內(nèi)甚至在短時間內(nèi)根本沒有工質(zhì)流過。如果這時受熱過強，金屬壁溫就有可能超過許用溫度。鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器及省煤器均有可能超溫。因此，啟動初期的燃燒過程應謹慎進行 [8]。 爐膛爆燃也是啟動過程中容易發(fā)生的 事故，鍋爐啟動之初，燃料量少、爐溫低、燃燒不完全且不易控制，極有可能燃燒不穩(wěn)定導致滅火，一旦發(fā)生爆燃，將使設備受到嚴重損壞。 啟動過程中所用燃料，除用于加熱工質(zhì)和部件外，還有一部分耗于排汽和放水，造成熱損失和工質(zhì)損失。在低負荷燃燒階段，過量空氣和燃燒損失也較大，鍋爐的運行效率要比正常運行時低得多。 總之，在鍋爐啟動過程中，既有安全問題也有經(jīng)濟問題，二者經(jīng)常是矛盾的。為保證受熱面的安全，減小熱應力，啟動過程應盡可能較慢的升溫升壓，燃料量的增加也只能緩慢進行。但勢必延長啟動時間，使鍋爐在啟動過程中消耗更多的燃料 ，降低了經(jīng)濟性。鍋爐啟動的原則是在保證設備安全的前提下，盡可能縮短啟動時間，減少啟動燃料的消耗量，并使機組盡早帶負荷 [9]。 華北電力大學成人教育學院 2020 屆畢業(yè)設計 3 汽包概述 汽包是鍋爐中體積最大、壁最厚的承壓元件，以東方 300MW 機組鍋爐為例，汽包承受工作壓力 ，對應飽和溫度 362℃，汽包的結(jié)構尺寸為外徑 2090 ㎜，厚度為 145 ㎜。汽包的主要作用有四個： 1）連接。 汽包將水冷壁、下降管、過熱器及省煤器等各種直徑不同、根數(shù)不同、用途不同的管子有機的連接在一起，起到了一個大聯(lián)箱的作用。 2）汽水分 離。將由水冷壁蒸發(fā)受熱面來的汽水混合物，經(jīng)汽包內(nèi)的汽水分離裝置分離出來，進入過熱器。 3）儲水。汽包是一較大的汽水分離容器，它的下半部貯存了一定容量的水，在鍋爐運行中可以對給水流量變化起到緩沖作用，所以允許給水流量短時間內(nèi)的少量波動，增加了鍋爐運行的穩(wěn)定性。同時汽包中貯存的水還起到了緩沖壓力波動的作用，當壓力升高時，因?qū)柡蜏囟壬?，汽包中的水貯存了一部分熱量，從而使壓力升高較緩慢；當壓力降低時，對應飽和溫度降低，汽包中的水釋放了一部分熱量，使壓力降低較緩慢。 4）汽包中的連續(xù)排污裝置、清洗裝置能保持蒸汽 品質(zhì)，加藥裝置能進行汽包內(nèi)處理，防止蒸發(fā)受熱面結(jié)垢。 汽包內(nèi)具有大量高壓的飽和水和飽和蒸汽，其破裂而引起爆炸將是一種災難性的事故。同時，汽包在自然循環(huán)鍋爐中地位重要，更換困難，若發(fā)生損壞，將會嚴重影響鍋爐的安全經(jīng)濟運行。因此，本章將會對在鍋爐啟動過程中汽包所出現(xiàn)的問題進行分析解決 [10]。 汽包啟動應力分析 汽包啟動應力是指鍋爐啟動過程中汽包壁的應力。它主要由工質(zhì)壓力引起的機械應力、汽包壁溫度不均引起的熱應力以及汽包與內(nèi)部介質(zhì)重力等引起的附加應力組成。汽包壁應力可分為主體膜應力和峰值應力兩種。 峰值 應力是汽包壁的局部應力，由汽包壁溫度不均勻及結(jié)構等原因引起，它比主體膜應力大 2～ 4倍。峰值應力使汽包壁局部材料屈服，引起應力再分配，最大應力達到屈服極限，在靜態(tài)時不構成破壞。但是，對波動的峰值應力，到了一定的波動次數(shù)后，材料就會脆性破壞 [11]。 汽包機械應力 汽包的機械應力是指由汽包內(nèi)的工質(zhì)壓力引起的金屬應力，這個應力在任意點的三個方向均為拉應力，且均與汽包內(nèi)壓力成正比。隨著汽壓的升高，汽包機械應力將會越來越大。 汽包的內(nèi)、外直徑之比都在 左右，屬薄壁容器。薄壁容器在內(nèi)壓力的作用下只是向外擴張而無其他變形。故汽包的縱橫斷面上只有正應力而無剪應力。汽包壁任一點有三個方向的應力，即沿圓筒切線方向的切向應力、沿圓筒軸線方向的軸向應力和沿圓筒直徑方向的徑向應力。 同時，汽包由焊接而制成，并在壁上開有很多小孔，從而使汽包壁的應力增大了許多。 華北電力大學成人教育學院 2020 屆畢業(yè)設計 4 汽包熱應力 熱應力的概念 金屬部件的體積隨著溫度的升高而膨脹擴大，隨著溫度的下降而收縮減小。如果金屬部件的體積能隨溫度變化而自由變化，金屬部件內(nèi)就不會產(chǎn)生應力；但是當金屬部件的體積變化受到約束時就會產(chǎn)生很大的應力。通常，我們把由于金屬 部件之間存在著一定的溫差所引起的應力稱為熱應力。 鍋爐啟動過程中汽包的熱應力 鍋爐啟動過程中工質(zhì)溫度逐漸升高，汽包被加熱，在汽包的上半部分飽和蒸汽對內(nèi)壁進行凝結(jié)放熱，在下半部分鍋水對內(nèi)壁進行對流放熱，凝結(jié)放熱系數(shù)比對流放熱系數(shù)大 2～ 3 倍，故汽包上壁溫升高于下壁溫升。汽包溫度較高的部位金屬膨脹量大、溫度較低的部位金屬膨脹量小。但汽包是一個整體，其各部分之間無相對位移的自由，因而汽包內(nèi)壁受到壓縮、外壁受到拉伸，汽包上壁受到壓縮、下壁受到拉伸。汽包被壓縮的部分產(chǎn)生壓縮熱應力、被拉伸的部分產(chǎn)生拉伸熱 應力。 熱應力又稱溫差應力，是由于不同部位金屬在不同溫度下其體積變化受到限制而產(chǎn)生的應力。汽包啟動熱應力主要是由汽包的上、下壁溫差和內(nèi)、外壁溫差引起的 [12]。 汽包上、下壁溫差引起的熱應力 在鍋爐進水和鍋爐升壓過程中都將會出現(xiàn)汽包上、下壁溫差。鍋爐進水時，水總是先與汽包下壁接觸，然后逐漸升高與上壁接觸。這樣壁溫就是上低下高。汽包下壁受壓而上壁受拉。汽包起壓后，上、下壁溫差轉(zhuǎn)為上高下低。這是因為汽包上部空間為汽、下部空間為水，都對汽包壁進行單向傳熱。但蒸汽對汽包上壁的放熱為凝結(jié)放熱，而水對汽 包下壁的放熱為微弱的對流放熱，放熱系數(shù)差別很大，前者比后者要大 2～ 3 倍。所以汽包上壁的受熱要比下壁劇烈得多，使汽包上壁溫度上升很快，因而造成汽包上、下壁產(chǎn)生溫差。升壓速度越快，汽包上、下壁溫差就越大。 汽包下壁的應力狀態(tài)由受壓轉(zhuǎn)為受拉經(jīng)歷一次應力循環(huán)。由于啟停一次應力變化的幅值與最初的壓應力有關，而應力循環(huán)幅值大小會影響汽包的低周疲勞壽命，所以啟動前的進水應該限制進水的溫度和時間，盡可能減小汽包上、下壁溫差。 當汽包上部壁溫高于下部壁溫時，汽包有產(chǎn)生彎曲變形的傾向。這時由于上壁溫度高，膨脹量大，并力圖拉著下 壁一起膨脹；而下壁溫度低，膨脹量小，并力圖阻止上壁的膨脹。因而汽包上壁受壓縮應力，下壁則受拉伸應力。但是，與汽包連接的很多管子將約束汽包的自由變形，這樣就產(chǎn)生了很大的附加應力，嚴重時可能會使聯(lián)箱、管子彎曲變形和管座焊縫產(chǎn)生裂紋。 為降低汽包上、下壁溫差，國外有些鍋爐在汽包結(jié)構上有所改進。例如美國的 CE公司、德國的 BABCOCK 公司在其設計生產(chǎn)的 300MW、 600MW 級鍋爐汽包內(nèi)安裝了與汽包同樣長度的弧形襯板。上升管匯集來的汽水混合物由汽包的中上部進入，經(jīng)環(huán)形夾層向下流動，所以汽包上壁也有相當部分的面積與水接 觸，汽包上壁的冷凝放熱影響相對減弱。但是由于沖刷汽包上壁的水速較高，上、下壁溫差還存在，但允許的飽和水溫升率要大的多 [13]。 華北電力大學成人教育學院 2020 屆畢業(yè)設計 5 汽包內(nèi)、外壁溫差引起的熱應力 汽包內(nèi)、外壁溫差出現(xiàn)于鍋爐進水和鍋爐升壓的過程中。進水時，熱水只與汽包內(nèi)壁接觸，外壁接受內(nèi)壁熱流，故其溫度低于內(nèi)壁，從而產(chǎn)生汽包的內(nèi)、外壁溫差。 點火后隨著汽壓的上升，飽和溫度也升高，同水和蒸汽接觸的汽包內(nèi)壁溫度接近于飽和溫度，但外壁溫度的升高則受到金屬導熱及壁厚的限制，因而造成汽包內(nèi)、外壁之間的溫差。鍋爐在穩(wěn)定運行時，由于汽包的導熱系 數(shù)很大，所以汽包壁內(nèi)的溫差很小，熱應力也較小，可以忽略不計。然而，鍋爐在啟?；蜃冐摵蛇^程中，由于汽包內(nèi)的介質(zhì)溫度不斷上升，故產(chǎn)生了較大的熱應力。汽包內(nèi)壁溫度高，膨脹受阻而承受壓應力；外壁溫度低，相對內(nèi)壁力圖收縮而承受拉應力。并且，熱應力的最大值出現(xiàn)在內(nèi)、外壁表面處。升壓速度越快，汽包內(nèi)、外壁溫差及熱應力就越大，且基本呈線性關系。這是因為在很快的介質(zhì)溫升速度下，內(nèi)壁熱量未來的及傳給外壁，飽和溫度就又升高了，所以將引起更大的內(nèi)、外壁溫差。由于汽包內(nèi)的飽和溫升始終伴隨著升壓過程，所以在整個升壓過程中，汽包內(nèi)外壁溫 差始終存在 [15]。 汽包壁溫差的最大值通常出現(xiàn)在啟動之初。其原因一是由于啟動之初，水循環(huán)較弱，水的擾動較小，汽包下半部與幾乎不動的水接觸傳熱，從而使汽包下部金屬溫升慢；二是由于低壓階段壓力不大的變化就會引起飽和溫度很大的變化，即引起鍋水和汽溫產(chǎn)生較大的變化，使水、汽對汽包壁的放熱量也相應發(fā)生較大的變化，加大了汽包的上下壁溫差。 汽包附加應力 汽包的附加應力是指汽包與內(nèi)部介質(zhì)重力引起的應力，其數(shù)值上與以上兩種應力比較要小得多。 峰值應力 鍋爐升壓過程中汽包應力有機械應力和熱應力兩種。汽包內(nèi)壓力產(chǎn)生機械應力，汽包壁溫不均產(chǎn)生熱應力，還有附加應力，它們疊加后產(chǎn)生總應力，最大局部總應力點成為峰值應力。汽包頂部機械應力和上下壁溫差熱應力方向相反，相互減弱；汽包下部機械應力和上下壁溫差應力方向相同，相互增強。再疊加內(nèi)外壁溫差引起的熱應力及應力集中的作用，峰值應力常出現(xiàn)在大直徑下降管孔附近。 啟動過程汽包峰值應力的大小決定于汽包內(nèi)壓力、壓力變動率及循環(huán)流速。某 1000t/h亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐進行啟停應力峰值試驗表明，在控制汽包壁溫差的情況下，汽包峰值應力在 325～ +380Mpa 之間變化。其最大負應力出現(xiàn)在冷態(tài)啟動的初期，最大正應力則出現(xiàn)在汽包壓力的最高值區(qū)域。 汽包峰值應力是局部應力，當它超過材料的屈服極限時，將引起應力再分配，最大只能達到屈服極限，這在穩(wěn)定壓力下對強度是無害的，但在交變應力作用下，可能產(chǎn)生疲勞裂紋，并最終導致元件泄漏 [10]。 汽包低周疲勞破壞分析 汽包峰值應力超過材料屈服極限時，材料局部發(fā)生塑性變形，使斷面上的應力重新分配，最大值不大于屈服極限。汽包金屬在遠低于其抗拉強度的循環(huán)應力作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后會產(chǎn)生疲勞裂 痕以至破裂，這種現(xiàn)象稱為低周疲勞破壞。達到低周疲勞破壞的應力循環(huán)總次數(shù)稱為壽命，運行中應力循環(huán)次數(shù)占壽命的百分數(shù)稱為壽命損耗。 華北電力大學成人教育學院 2020 屆畢業(yè)設計 6 是否要對汽包進行低周疲勞分析，美國機械工程師協(xié)會（ ASME）給出了一個臨界值。對于材料屈服極限小于 552Mpa 的汽包，應力循環(huán)次數(shù)超過 1000 次，都應對汽包進行低周疲勞分析。關于應力循環(huán)次數(shù)有以下定義： 1）鍋爐啟動停運一個循環(huán)為一次。 2）壓力波動范圍在數(shù)值上超過設計壓力值 20％算一次。 3）汽包上任何相鄰兩點，因溫度變化產(chǎn)生溫差，不同溫差值折算成次數(shù)，如下： ～ 55℃， 應力循環(huán) 1次； ～ 83℃，應力循環(huán) 2 次； ～ 139℃，應力循環(huán) 4 次； ～ 194℃，應力循環(huán) 8次； ～ 250℃，應力循環(huán) 12次； f.＞ 250℃，應力循環(huán) 20 次； 啟停過程中汽包壁的溫差監(jiān)視 為了保護汽包，在整個鍋爐啟動過程中必須不斷監(jiān)視汽包上下壁溫差以及內(nèi)外壁溫差。為此，在大型鍋爐的汽包壁上，安裝有若干組溫度測點，以集中下降管外壁溫度代替汽包下部的內(nèi)壁溫度。在監(jiān)護和控制溫差時，按以下方法計算壁溫差：以最大的引出管外壁溫度減去汽包 上部外壁最小溫度，差值就是汽包上部內(nèi)外壁的最大溫差；若減去汽包下集中下降管外壁最小溫度，差值就是汽包上下內(nèi)壁最大差值；同理，也可計算得到汽包下部內(nèi)外壁溫差。有的鍋爐還引入汽包的壓力等數(shù)據(jù)對上述計算進行修正。以前，國內(nèi)機組對汽包上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差啟動中的最大允許值，均控制在 50℃以內(nèi)，這個限制主要是鑒于對啟動過程中汽包金屬的溫度分布規(guī)律還不能充分掌握，所以理論上對它的熱應力尚不能精確的計算，同時，也考慮到損傷汽包的嚴重性。實踐證明，溫差只要在此范圍內(nèi)，產(chǎn)生的附加熱應力不會造成汽包損壞，是偏于安全的。近年來 引進的機組對汽包壁溫差的控制普遍較寬，例如東方鍋爐的 1025t/h 自然循環(huán)鍋爐，冷態(tài)啟動限制上下壁溫差小于 40℃；日本三菱公司的 1175t/h控制循環(huán)鍋爐，規(guī)定進水升溫速度不大于 ℃ /min，以此來限制汽包壁溫差 [6]。 在鍋爐的啟動過程中，機械應力隨氣壓上升而增大，逐漸成為汽包應力的主要部分，汽包熱應力則隨氣壓上升而逐漸減小，并且它只與汽包壁溫差有關。在汽包內(nèi)壁，內(nèi)壁溫差引