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摘 要： 本文针对三菱M701F4型燃机“一拖一”分轴式联合循环热电联产机组于冷态启动过程中余热锅炉高压汽包上下壁温差大问题，在原因剖析的基础上，提出解决的方案和防范的措施，以供大家一同探讨。
关键词： 联合循环；壁温差；解决；防范
某电厂建设的三菱M701F4型燃机“一拖一”分轴式联合循环热电联产机组，即一台燃气轮机发电机组排气给一台余热锅炉，产生的蒸汽带动一台汽轮发电机组。余热锅炉采用东方日立锅炉有限公司生产，型号为BHDB-M701F4-Q1的三压、再热、无补燃、自然循环、卧式炉型余热锅炉。自投产以来，在冷态启动过程中，余热锅炉高压汽包上下壁温差达80℃，严重影响了余热锅炉的安全运行和使用寿命。对此类大型燃机“一拖一”多轴联合循环机组启动过程中余热锅炉高压汽包上下壁温差大的问题进行梳理及分析，对今后的同类型机组的运行具有一定的借鉴意义。
纯凝工况下，高压蒸汽压力11.17MPa，高压蒸汽温度568℃，高压蒸汽流量308.4t/h；供热工况下，高压蒸汽压力11.10MPa，高压蒸汽温度567.7℃，高压蒸汽流量309.1t/h。余热锅炉所有受热面均为螺旋开齿带折角鳍片管，垂直布置于换热室内，受热面管上、 下两端分别设有上集箱与下集箱，每个集箱上有两个吊点将该管束的荷载传递到炉顶钢架上。
1冷态启动时余热锅炉高压汽包上下壁温差大原因
机组冷态启动时，燃机启动点火后，燃机排出的高温烟气进入余热锅炉，随着余热锅炉汽包压力升高，炉水和蒸汽的温度也随之升高。汽包的下半部被炉水加热，而上半部被蒸汽加热。虽然炉水和蒸汽的温度在升压过程中基本相同，但是由于蒸汽和炉水对汽包上下壁的放热系数不同，使得汽包上下壁温度升高的快慢不一样。饱和蒸汽遇到温度较低的汽包上壁，凝结成水，放出潜热，这种放热属于凝结放热，其放热系统约为7000w/（m2.℃）。炉水对汽包下半部的传热，在升压初期水循环还没有完全建立时，属于自然对流，其放热系统只有凝结放热的1/4-1/3。在升压中，汽包上半部的壁温高于下半部的壁温，这样汽包上下壁形成了温差。
另外，汽包升压速度越快，饱和温度升高也越快，产生的壁温差就越大。而在汽包升压初期，由于水蒸汽的飽和温度在压力较低时对压力的变化率较大，压力小幅度升高，但蒸汽的饱和温度大幅度升高。
燃机排出的高温烟气流程如下：
燃气轮机排气→进口过渡烟道→余热锅炉入口烟道→二级再热器→高压二级过热器→一级再热器→高压一级過热器→高压蒸发器→预留脱硝模块空间→高压三级省煤器→中压过热器→中压蒸发器→中压二级省煤器→低压过热器→高压二级省煤器→中压一级省煤器→高压一级省煤器→低压蒸发器→低压省煤器→出口烟道→烟囱→排向大气。
由烟气流程可知，燃机高温烟气首先流经高压蒸发器管道。由于在燃机升速过程中，升速速率由程序设定，天然气流量不断增加，排气温度也逐渐升高310℃。在燃机达到额定转速3000rpm后，为了机组运行的经济性，一般会立即进行燃机发电机并网。燃机并网带初始负荷15MW，排气温度达到345℃，高压汽包上壁温度升高较快，从而导致高压汽包容易出现上下壁温差大的情况。
2. 汽包上下壁温差大的危害
余热锅炉冷态启动是指当高、中、低压汽包饱和温度小于 100℃时启动。冷态启动时，在升压过程，高压汽包汽包上下壁温差较大。上部壁温高，有膨胀的趋势，但是由于下半部壁温低，阻止了上半部膨胀，上半部汽包壁承受压应力，而下半部在上半部膨胀的影响下被拉伸，而承受拉伸应力，汽包将会产生向上拱起的变形，这种变形称为香蕉变形，形成较大的热应力。上下温差越大，则应力也越大。其机械和热力的综合应力在局部的峰值很大，可能接近甚至超过汽包材料极限值，使汽包产生疲劳损伤、使用寿命缩短。
目前我国各电厂运行规程中都明确规定锅炉运行过程中汽包上下壁温差不能超过50℃。
3.冷态启动时锅炉汽包上下壁温差措施
3.1提高低压汽包水温
本机组余热锅炉高压给水来自于低压汽包。低压汽包设置了加热器。在机组冷态启动时，锅炉完成上水后，提前两小时投入低压汽包底部加热，利用辅汽将低压汽包炉水加热到90℃左右。从而在高压汽包升温初期，需要补水时，能够提供温度较高的给水，避免由于补给常温水导致高压汽包下半部壁温降低，上下壁温差进一步增大。
3.2投入高压蒸发器底部加热
锅炉上水完毕后，先利用辅助蒸汽加热对高压汽包炉水进行加热至100℃左右。再启动机组，可以有效减小高压汽包上下壁温差，降低启动时的热应力，延长汽包寿命。为保证高压汽包上下壁温差比较小，高压汽包应上水至高水位。
3.3控制燃机负荷
在燃机并网后，保持燃机带初始负荷15MW，避免燃机负荷上升导致排气温度快速升高。待高压汽包上下壁温差下降至50℃以下，再提高燃机负荷。
3.4保持高压汽包水位在较高位置
通过适当提高高压汽包水位，可以减缓上下壁温差增大的趋势。一般高压汽包水位可以控制在100mm。这时需密切关注水位变化，避免由于高压汽包水位高而导致跳闸。
3.5加强高压蒸发器定排
通过加强高压蒸发器定排，既可以促进水循环，同时使受热面受热均匀，减少上下壁温差。
3.6降低高压汽包升压速率
降低高压汽包压力升压速率，即降低了汽包上半部蒸汽饱和温度上升速率，从而控制汽包上半部壁温上升速率，控制汽包上下壁温差增大趋势。根据厂家说明书，饱和温度的上升速率限制高压汽包低于 5℃ /分钟。通过试验，总结出如下措施：
（1）燃机转速为2500rpm左右，高压汽包开始起压，立即打开高压过热器排空阀，不但可以将汽包内空气排出，以免打开过热蒸汽电动阀时对汽机真空造成影响，而且降低高压汽包升压速率。待高压汽包上下壁温差稳定后再关闭排空阀。
（2）当高压汽包压力升至0.3MPa时，打开高压过热蒸汽电动阀、高压旁路阀，利用高压旁路蒸汽，对再热器进行暖管。待再热器压力达到0.1MPa，再打开再热器出口排空阀。待冷再管道压力上升至0.3MPa时，关闭再热器出口排空阀后再打开中压旁路阀。中压旁路阀、高压旁路阀配合，手动慢慢打开，将高压汽包蒸汽通过高压旁路、再热器，由中压旁路排入凝汽器，控制高压汽包升压速率。根据经验，高压旁路阀基本要开至80%左右，中压旁路阀基本要开至60%左右。需注意的是，凝汽器由于较大量的蒸汽进入，可能本体疏水扩容器温度会升高，及时投入减温水，并启动开式循环水机力通风冷却塔，维持凝汽器真空。
通过这种逐级排空的方式，排尽空气避免影响真空的同时，也尽可能大的降低高压汽包升压速度，降低上下壁温差。
4 结束语
控制冷态启动高压汽包上下壁温差需要多措并举。运行人员要严格按照规程、操作票进行操作，不断进行总结，提高操作水平。在高压汽包起压时就要及时采取措施，否则到汽包上下壁温差达到报警值再采取措施，效果就比较差。同时，加强管理，加大运行人员技术培训，尤其是通过仿真机训练机组冷态启动操作，认真贯彻行之有效的措施，就能控制好冷态启动时高压汽包上下壁温差。■
参考文献
[1]许荣臻.自然循环锅炉汽包壁温差的形成及控制[J].甘肃电力技术，2005，（2）.
[2]叶江明.电厂锅炉原理及设备[M].北京：中国电力出版社，2004.
关键词： 联合循环；壁温差；解决；防范
某电厂建设的三菱M701F4型燃机“一拖一”分轴式联合循环热电联产机组，即一台燃气轮机发电机组排气给一台余热锅炉，产生的蒸汽带动一台汽轮发电机组。余热锅炉采用东方日立锅炉有限公司生产，型号为BHDB-M701F4-Q1的三压、再热、无补燃、自然循环、卧式炉型余热锅炉。自投产以来，在冷态启动过程中，余热锅炉高压汽包上下壁温差达80℃，严重影响了余热锅炉的安全运行和使用寿命。对此类大型燃机“一拖一”多轴联合循环机组启动过程中余热锅炉高压汽包上下壁温差大的问题进行梳理及分析，对今后的同类型机组的运行具有一定的借鉴意义。
纯凝工况下，高压蒸汽压力11.17MPa，高压蒸汽温度568℃，高压蒸汽流量308.4t/h；供热工况下，高压蒸汽压力11.10MPa，高压蒸汽温度567.7℃，高压蒸汽流量309.1t/h。余热锅炉所有受热面均为螺旋开齿带折角鳍片管，垂直布置于换热室内，受热面管上、 下两端分别设有上集箱与下集箱，每个集箱上有两个吊点将该管束的荷载传递到炉顶钢架上。
1冷态启动时余热锅炉高压汽包上下壁温差大原因
机组冷态启动时，燃机启动点火后，燃机排出的高温烟气进入余热锅炉，随着余热锅炉汽包压力升高，炉水和蒸汽的温度也随之升高。汽包的下半部被炉水加热，而上半部被蒸汽加热。虽然炉水和蒸汽的温度在升压过程中基本相同，但是由于蒸汽和炉水对汽包上下壁的放热系数不同，使得汽包上下壁温度升高的快慢不一样。饱和蒸汽遇到温度较低的汽包上壁，凝结成水，放出潜热，这种放热属于凝结放热，其放热系统约为7000w/（m2.℃）。炉水对汽包下半部的传热，在升压初期水循环还没有完全建立时，属于自然对流，其放热系统只有凝结放热的1/4-1/3。在升压中，汽包上半部的壁温高于下半部的壁温，这样汽包上下壁形成了温差。
另外，汽包升压速度越快，饱和温度升高也越快，产生的壁温差就越大。而在汽包升压初期，由于水蒸汽的飽和温度在压力较低时对压力的变化率较大，压力小幅度升高，但蒸汽的饱和温度大幅度升高。
燃机排出的高温烟气流程如下：
燃气轮机排气→进口过渡烟道→余热锅炉入口烟道→二级再热器→高压二级过热器→一级再热器→高压一级過热器→高压蒸发器→预留脱硝模块空间→高压三级省煤器→中压过热器→中压蒸发器→中压二级省煤器→低压过热器→高压二级省煤器→中压一级省煤器→高压一级省煤器→低压蒸发器→低压省煤器→出口烟道→烟囱→排向大气。
由烟气流程可知，燃机高温烟气首先流经高压蒸发器管道。由于在燃机升速过程中，升速速率由程序设定，天然气流量不断增加，排气温度也逐渐升高310℃。在燃机达到额定转速3000rpm后，为了机组运行的经济性，一般会立即进行燃机发电机并网。燃机并网带初始负荷15MW，排气温度达到345℃，高压汽包上壁温度升高较快，从而导致高压汽包容易出现上下壁温差大的情况。
2. 汽包上下壁温差大的危害
余热锅炉冷态启动是指当高、中、低压汽包饱和温度小于 100℃时启动。冷态启动时，在升压过程，高压汽包汽包上下壁温差较大。上部壁温高，有膨胀的趋势，但是由于下半部壁温低，阻止了上半部膨胀，上半部汽包壁承受压应力，而下半部在上半部膨胀的影响下被拉伸，而承受拉伸应力，汽包将会产生向上拱起的变形，这种变形称为香蕉变形，形成较大的热应力。上下温差越大，则应力也越大。其机械和热力的综合应力在局部的峰值很大，可能接近甚至超过汽包材料极限值，使汽包产生疲劳损伤、使用寿命缩短。
目前我国各电厂运行规程中都明确规定锅炉运行过程中汽包上下壁温差不能超过50℃。
3.冷态启动时锅炉汽包上下壁温差措施
3.1提高低压汽包水温
本机组余热锅炉高压给水来自于低压汽包。低压汽包设置了加热器。在机组冷态启动时，锅炉完成上水后，提前两小时投入低压汽包底部加热，利用辅汽将低压汽包炉水加热到90℃左右。从而在高压汽包升温初期，需要补水时，能够提供温度较高的给水，避免由于补给常温水导致高压汽包下半部壁温降低，上下壁温差进一步增大。
3.2投入高压蒸发器底部加热
锅炉上水完毕后，先利用辅助蒸汽加热对高压汽包炉水进行加热至100℃左右。再启动机组，可以有效减小高压汽包上下壁温差，降低启动时的热应力，延长汽包寿命。为保证高压汽包上下壁温差比较小，高压汽包应上水至高水位。
3.3控制燃机负荷
在燃机并网后，保持燃机带初始负荷15MW，避免燃机负荷上升导致排气温度快速升高。待高压汽包上下壁温差下降至50℃以下，再提高燃机负荷。
3.4保持高压汽包水位在较高位置
通过适当提高高压汽包水位，可以减缓上下壁温差增大的趋势。一般高压汽包水位可以控制在100mm。这时需密切关注水位变化，避免由于高压汽包水位高而导致跳闸。
3.5加强高压蒸发器定排
通过加强高压蒸发器定排，既可以促进水循环，同时使受热面受热均匀，减少上下壁温差。
3.6降低高压汽包升压速率
降低高压汽包压力升压速率，即降低了汽包上半部蒸汽饱和温度上升速率，从而控制汽包上半部壁温上升速率，控制汽包上下壁温差增大趋势。根据厂家说明书，饱和温度的上升速率限制高压汽包低于 5℃ /分钟。通过试验，总结出如下措施：
（1）燃机转速为2500rpm左右，高压汽包开始起压，立即打开高压过热器排空阀，不但可以将汽包内空气排出，以免打开过热蒸汽电动阀时对汽机真空造成影响，而且降低高压汽包升压速率。待高压汽包上下壁温差稳定后再关闭排空阀。
（2）当高压汽包压力升至0.3MPa时，打开高压过热蒸汽电动阀、高压旁路阀，利用高压旁路蒸汽，对再热器进行暖管。待再热器压力达到0.1MPa，再打开再热器出口排空阀。待冷再管道压力上升至0.3MPa时，关闭再热器出口排空阀后再打开中压旁路阀。中压旁路阀、高压旁路阀配合，手动慢慢打开，将高压汽包蒸汽通过高压旁路、再热器，由中压旁路排入凝汽器，控制高压汽包升压速率。根据经验，高压旁路阀基本要开至80%左右，中压旁路阀基本要开至60%左右。需注意的是，凝汽器由于较大量的蒸汽进入，可能本体疏水扩容器温度会升高，及时投入减温水，并启动开式循环水机力通风冷却塔，维持凝汽器真空。
通过这种逐级排空的方式，排尽空气避免影响真空的同时，也尽可能大的降低高压汽包升压速度，降低上下壁温差。
4 结束语
控制冷态启动高压汽包上下壁温差需要多措并举。运行人员要严格按照规程、操作票进行操作，不断进行总结，提高操作水平。在高压汽包起压时就要及时采取措施，否则到汽包上下壁温差达到报警值再采取措施，效果就比较差。同时，加强管理，加大运行人员技术培训，尤其是通过仿真机训练机组冷态启动操作，认真贯彻行之有效的措施，就能控制好冷态启动时高压汽包上下壁温差。■
参考文献
[1]许荣臻.自然循环锅炉汽包壁温差的形成及控制[J].甘肃电力技术，2005，（2）.
[2]叶江明.电厂锅炉原理及设备[M].北京：中国电力出版社，2004.