影響鍋爐汽包壁溫差的因素及控制措施

影響鍋爐汽包壁溫差的因素及控制措施摘要：本文就鍋爐汽包壁溫變化引起的熱應(yīng)力和壁溫差進(jìn)行討論，詳細(xì)分析了汽包上下壁、內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的原因、溫差引起的熱應(yīng)力的產(chǎn)生過程和熱應(yīng)力對汽包壽命的影響因素，提出了控制汽包壁溫差的措施，以保證鍋爐汽包的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：汽包壁溫差控制措施

汽包是鍋爐加熱、蒸發(fā)、過熱的三個階段的連接樞紐或大致的分界點(diǎn)，它是是鍋爐的重要組件，在運(yùn)行中如果操作或管理不當(dāng)會使其上下壁、內(nèi)外壁產(chǎn)生過大的溫差和熱應(yīng)力。其機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合應(yīng)力在局部區(qū)域的峰值可能接近或超過汽包材料的屈服強(qiáng)度，使汽包壁形成裂紋，擴(kuò)展到一定程度時汽包將被破壞。

汽包承受的應(yīng)力主要有壓力引起的機(jī)械應(yīng)力和溫度變化引起的熱應(yīng)力，其中機(jī)械應(yīng)力與其工作壓力成正比，在設(shè)計中通過強(qiáng)度計算來確定汽包的壁厚、直徑和選材等，運(yùn)行中只要控制不超壓運(yùn)行，機(jī)械應(yīng)力的最大值是穩(wěn)定的。并且在啟動過程中，必須嚴(yán)格控制升溫升壓速度，停爐過程中也是如此，當(dāng)然停爐后的冷卻對汽包的保護(hù)將顯得尤為重要，本文僅就自己從事鍋爐運(yùn)行以來，對汽包應(yīng)力引起壁溫差的一些認(rèn)識，進(jìn)行討論、分析汽包壁溫差大的原因，并提出相應(yīng)的控制措施和方法。

一、汽包熱應(yīng)力分析

鍋爐在啟動和停爐過程中，汽包壁內(nèi)的溫度場和傳熱條件不斷變化。當(dāng)溫度變化時,汽包筒體存在著三種溫差：內(nèi)外壁溫差、上下壁溫差、縱向溫差。因汽包沿長度方向可自由膨脹，故略去縱向溫差的影響。

（一）上下壁溫差的產(chǎn)生的機(jī)理：

1.點(diǎn)火升壓過程中的汽包壁溫差

在升壓過程中，汽包內(nèi)壁溫度表現(xiàn)為上部溫度高下部溫度低。原因分析如下：

1.1汽包下部為水空間，上部為汽空間。在鍋爐啟動過程中，汽側(cè)介質(zhì)的溫度為飽和溫度，而水側(cè)介質(zhì)的溫度則低于飽和溫度。而且在升溫過程中，汽包壁金屬溫度低于介質(zhì)溫度，形成介質(zhì)對汽包壁加熱。汽包下部為汽水混合物對汽包壁對流放熱，因?yàn)槟Y(jié)放熱系數(shù)比對流傳熱的放熱系數(shù)要大3～4倍，所以汽包上半部溫升比下半部溫升快，形成上下壁溫差。

1.2鍋爐啟動初期，水循環(huán)微弱，汽包內(nèi)水流緩慢，在爐膛受熱較弱的局部甚至出現(xiàn)循環(huán)停滯區(qū)，使水溫明顯偏低，而蒸汽在汽包內(nèi)的蒸汽空間傳熱相對較均勻，使汽包上下壁溫差進(jìn)一步增大。

1.3在升壓過程中，汽包上部飽和蒸汽溫度與壓力是單一關(guān)系，壓力上升時，溫度跟著上升。蒸汽空間的蒸汽只能過熱不會欠焓。下部水溫的上升需要靠介質(zhì)流動傳熱，水溫上升緩慢。升壓速度越快，汽包上下部介質(zhì)溫差越大。

由于汽包上、下壁溫差的存在，使汽包上部受到熱壓縮應(yīng)力，下部受到熱拉伸力，同時使汽包產(chǎn)生拱背變形。汽包上下部壁溫差越大，其熱應(yīng)力就越大，因此規(guī)定，啟停爐期間汽包上下壁溫差不超過40℃,最高不超過50℃。

2.停爐降壓冷卻過程中的汽包壁溫差

在停爐降壓冷卻過程中，也有很多因素使汽包上部壁溫高、下部壁溫低。

2.1在停爐過程中，水側(cè)介質(zhì)溫度接近于飽和溫度，而汽側(cè)介質(zhì)過熱而使溫度高于飽和溫度。而且汽包壁厚較大，加上表面有良好的保溫層，汽包具有較大的蓄熱能力。由于汽包向周圍介質(zhì)散熱很少，所以停爐過程中汽包的冷卻主要依靠水循環(huán)。當(dāng)汽包內(nèi)介質(zhì)的壓力及對應(yīng)飽和溫度逐漸降低時，汽包金屬對工質(zhì)放熱，由于上部金屬對蒸汽的放熱系數(shù)小于下部金屬對水的放熱系數(shù)，從而使上部溫度高于下部溫度。降壓速度越快，汽包下部溫度下降越快，而上部壁溫相對下降較慢，造成上下壁溫差大。

2.2在停爐過程中未能有效控制汽包水位，頻繁向汽包補(bǔ)入溫度較低的水，使上下壁溫差進(jìn)一步增大。

2.3在“四管”爆破的事故處理中，由于降壓速度快，同時又不斷地大量補(bǔ)水維持汽包水位，造成上下壁溫差嚴(yán)重超標(biāo)。另外爆管后為使?fàn)t內(nèi)的水蒸氣排出，一般保留一臺引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，使?fàn)t內(nèi)溫度迅速下降，必然會使汽包壁溫差進(jìn)一步加大。

（二）上下壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力

汽包上下壁溫差引起的熱應(yīng)力主要是軸向應(yīng)力，切向和徑向應(yīng)力與之相比很小，故可忽略不計。汽包上部壁溫高，金屬膨脹量大；下部壁溫低，金屬膨脹量相對較小。這樣就造成上部金屬膨脹受到限制，上部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，下部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。熱應(yīng)力與溫差成正比，汽包上下壁溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大。

（三）內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力

汽包內(nèi)外壁溫差的形成主要是在升溫過程，介質(zhì)不斷地對汽包內(nèi)壁加熱，內(nèi)壁溫升快，外壁溫升慢，造成內(nèi)外壁存在溫差，使內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，外壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要是軸向和切向熱應(yīng)力，而且軸向與切向熱應(yīng)力大小相當(dāng)，控制汽包內(nèi)外壁熱應(yīng)力的關(guān)鍵是控制升溫速度。

二、應(yīng)力對汽包壽命的影響

1.材料在接近塑性變形或局部塑性變形下長期工作，材質(zhì)變壞，抗腐蝕能力下降,還可能引起應(yīng)力腐蝕。

2.在鍋爐啟動、停運(yùn)及變負(fù)荷過程中，汽包應(yīng)力發(fā)生周期性變化，這將引起疲勞損壞。在長期的交變應(yīng)力的作用下，汽包壁形成裂紋，擴(kuò)展到一定程度時汽包破壞。

3.汽包應(yīng)力峰值超過屈服強(qiáng)度的數(shù)值越大，塑性變形區(qū)越大，達(dá)到低周疲勞破壞的循環(huán)周數(shù)越少，即應(yīng)力每循環(huán)一次的壽命損耗增大。

三、控制汽包壁溫差的措施

1.嚴(yán)格按要求控制上水溫度和上水速度，熱爐上水應(yīng)及早投入除氧器加熱，啟動給水泵上水，保持上水溫差在20℃左右。

2.嚴(yán)格控制升溫或降溫速度，在啟、停爐過程中，一般升(降)溫速度不大于1.5℃/min。但在鍋爐啟動初期應(yīng)采用更小的升溫速度，因?yàn)樯龎撼跗谄柡蜏囟入S壓力的變化較大，此期間更容易產(chǎn)生較大的壁溫差。若發(fā)現(xiàn)汽包上下壁溫差超過規(guī)定值(40℃)，應(yīng)減慢升(降)壓速度。

3.盡快建立汽包水循環(huán)，點(diǎn)爐時，加強(qiáng)水冷壁下聯(lián)箱的放水，通過適當(dāng)放水，用熱水替換受熱較少的水冷壁及不受熱的聯(lián)箱等部件內(nèi)的冷水，促使各部位溫升均勻，有利于建立正常的水循環(huán)，減小汽包壁溫差。

4.維持燃燒穩(wěn)定和均勻，采用對稱投油槍并定期切換，或采用多油槍少油量等方法使?fàn)t膛熱負(fù)荷均勻，合理配風(fēng)，使燃燒穩(wěn)定均勻，確保水循環(huán)建立正常。

5.事故情況下盡量提高的給水溫度，因?yàn)闇囟鹊偷慕o水進(jìn)入汽包，會使下壁溫度降低，造成上下壁溫差大。

6.點(diǎn)爐向汽包連續(xù)給水時須嚴(yán)密關(guān)閉省煤器再循環(huán)門，正常運(yùn)行中給水嚴(yán)禁開啟再循環(huán)，否則，水短路進(jìn)入汽包造成上下壁溫差增大。

7.鍋爐點(diǎn)火前采用蒸汽加熱水冷壁下聯(lián)箱方法，將爐水溫度加熱到100℃以上，加快建立正常水循環(huán)。

8.停爐后要避免大量排汽造成降壓速度太快，應(yīng)使汽包緩慢均勻冷卻，定期補(bǔ)水，給水泵不可停運(yùn)過早，盡量保持汽包高水位。同時停爐后要避免長時間開啟煙道擋板造成爐內(nèi)急劇冷卻。

9.事故情況下保持正常汽包水位，在處理“四管”爆漏事故中，盡可能穩(wěn)定地控制補(bǔ)水量；水冷壁、省煤器爆漏,水位難維持時宜盡快停爐，停爐后可不再向汽包進(jìn)水。

10.提高設(shè)備的檢修質(zhì)量，確保閥門嚴(yán)密，省煤器再循環(huán)門不嚴(yán)密，給水會直接漏入汽包，使汽包壁局部溫度下降；定期排污門不嚴(yán)密，會破壞水循環(huán)，造成上下壁溫差增大；汽包空氣門、事故放水門的嚴(yán)密性差也會造成不良影響。

四、結(jié)束語

在鍋爐運(yùn)行工況變化時，應(yīng)該嚴(yán)格監(jiān)視汽包壁溫的變化，若發(fā)現(xiàn)溫差過大時，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生的原