电站锅炉启动中水冷壁系统特性

1、超临界参数的基本特性

随着压力的提高，水的饱和温度相应随之提高，汽化潜热减小，水和汽的密度差也随之减小。当压力提高到22MPa时，汽化潜热为零，汽和水的密度差也等于零，该压力称之为临界压力，水在该压力下加热到374.15C时，即全部汽化成蒸汽，该温度称之为临界温度(即相变点)。超临界压力与临界压力时情况相同，当水被加热到相应压力下的相变点温度时，即全部汽化。因此，超临界压力下水变成蒸汽不再存在汽水两相区。由此可知，超临界压力直流锅炉中，由水变成过热蒸汽经历了两个阶段，即加热和过热，而工质状态由未饱和的水变为干饱和蒸汽，后变为过热蒸汽。

2、直流锅炉蒸发受热面的流体脉动

脉动是直流锅炉蒸发受热面中另一种型式的不稳定流动现象，它有三种类型，即整体脉动(全炉脉动)、屏间(屏带或管屏间)脉动和管间脉动。常发生的是管间脉动，其特点是在蒸发管组进出口集箱内，压力基本不变的情况下，并联管中某些管子的流量减少，与此同时，另一些管子中的流量增加；然后，本来流量小的管子又增大流量，而其余的管子却又减小流量，如此反复波动而形成管子间的流量脉动。一旦发生这种管间脉动时，管壁水膜周期性地被撕破，相变点附近的金属壁温波动很大，严重时甚至达到150℃，因而使管子产生疲劳破坏。另外在脉动时，并联各管会出现很大的热偏差，当超过容许的热偏差时，也将使管子超温过热而损坏。

在蒸发管圈加热段加装节流圈和节流阀是消除脉动的有效措施。此外，还需保证管圈有足够大的质量流速。脉动现象是汽水两相流动所致，压力升高会有利于防止脉动。根据实践经验，当锅炉压力大于14MPa，就不会发生脉动现象，所以亚临界和超临界压力直流锅炉在正常运行工况下是不可能产生脉动的。但在低负荷、尤其是启动工况下，由于压力低仍有可能产生脉动现象。因此运行时，注意保持燃烧工况的稳定性及炉内温度尽可能均匀，在启动时保持足够的启动流量和压力等。

3、直流锅炉蒸发受热面的热偏差

锅炉水冷壁中，因蒸汽含量高，在亚临界压力(或超临界压力)以及高热负荷的条件下，就容易发生膜态沸腾(或类膜态沸腾)，因此必须要限制热偏差。

因并联管中各根管子吸热不同而引起的流量偏差，称为热效流动偏差。受热强的偏差管子中工质比容大，故其摩擦阻力及重位压头都与平均管不同。

在低于临界压力下，流量随吸热量增加而降低。对于壁温，当热负荷较低时，若不发生膜态沸腾，则壁温在达到过热温度前不突变。但若热负荷较高而引起膜态沸腾，壁温有突变。由此看出对于低于临界压力的蒸发管组偏差管超温不外乎流量降到使工质过热或传热恶化。对于超临界压力管组，流量也随吸热量的增加而下降，壁温有突升特性，实质上也是由于偏差管流量过低，发生类膜态沸腾而使工质温度突升。

利用节流圈(阀)来减小热偏差是很有效的。在一次上升垂直管屏的直流炉中，为减小各水冷壁管的热偏差，不但在水冷壁进口装置节流圈(阀)，而且采取把管屏宽度减小，增加中间混合联箱等方法。而对螺旋管圈，由于各管工质在炉膛内的吸热量相差较小，其热偏差小，因此其水冷壁进口不需装置节流圈(阀)和中间混合联箱，使锅炉更适宜于变压运行。

4、超临界压力下的传热特性

超临界压力与临界压力时相同，当水的温度加热到相变点时，即全部变为蒸汽，因此超临界工质不再存在两相流区。但是超临界工质在相变点附近，其工质特性仍有明显的变化，使其传热特性有许多特点。

超临界压力水的比热随着温度升高而升高，而蒸汽的比热却随着温度的增加而下降。在相变区工质的比热最大，因此就以最大比热点定义为相变点。在相变点附近存在一最大比热区，一般以比热大于8.37kJ／(kg·℃)的区域称为最大比热区。

由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化，因此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。由于这种传热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，因而就称之类膜态沸腾。其壁温飞升值，决定于热负荷和管内质量流速的大小。随着压力提高，起始点焓值略有增加，这是因为压力提高时，相变区焓值增加所致。

5、防止传热恶化、降低管壁温度的措施 1）采用内螺纹管或交叉来复线管

一般在可能发生传热恶化的区段采用内螺纹管，由于内螺纹管增加了管内工质的扰动，使传热恶化大大推迟发生。采用内螺纹管后降低了管壁温度，且几乎消除了壁温峰值。

2）提高工质质量流速

在汽泡状、柱状、雾状流动时，提高质量流速可以提高临界热负荷，防止膜态沸腾的发生。而在发生膜态沸腾后，提高可以显著提高膜态沸腾放热系数，把金属壁温限制在允许范围内。因此不论是亚临界压力还是超临界压力，提高是改善传热工况，降低管壁温度的有效方法。

一. 锅炉的启动应力

启动应力是指锅炉启动、停运与变负荷过程中厚壁部件的应力。它主要由工质压力引起的机械应力，厚壁部件壁温度不均匀引起的热应力以及厚壁部件与内部介质重量等引起的附加应力组成。峰值应力是厚壁部件壁的局部应力，由厚壁部件壁不均匀温度及结构等因素产生的，它比主体膜应力大2～4倍。

1．厚壁部件机械应力

厚壁部件的内外直径比都在1.2范围内，属薄壁容器。薄壁容器在内压力的作用下只是向外扩张而无其他变形。故厚壁部件的纵横断面上只有正应力无剪应力。

2．厚壁部件热应力 （1）热应力概念

金属体积随着温度升高而膨胀，温度下降而收缩。如果金属体积能随温度变化而自由变化时，金属体内不产生应力；但是当金属体积变化受到限制时会产生很大的应力称热应力。

（2）启动过程厚壁部件热应力

锅炉启动过程工质温度逐渐升高，厚壁部件被加热，其壁内温度变化。厚壁部件温度较高的部位金属膨胀量大、温度较低的部位金属膨胀量小。但厚壁部件是一个整体，其各部位间无相对位移的自由，因而厚壁部件内壁受到压缩、外壁受到拉伸。厚壁部件压缩部位产生压缩热应力、拉伸部位产生拉伸热应力。

（3）停炉降压过程厚壁部件热应力

停炉降压过程工质温度逐渐下降，厚壁部件金属温度也随之下降。对于卸负荷后的降压过程，厚壁部件内部蒸汽温度下降后于压力下降，厚壁部件金属温度下降后于工质温度的下降。如果是带负荷卸压，即滑压停运过程，降压过程厚壁部件外壁温度高于内壁温度(假定厚壁部件保温很好，对环境散热近似为零)，因此，降压过程厚壁部件外部产生压缩热应力、内部产生拉伸热应力，外壁产生压缩热应力、内壁产生拉伸热应力。

3．厚壁部件进水应力及进水方法

厚壁部件进水时无内压力，热水加热内壁，引起厚壁部件内外、管孔与管头之间的温差。这些温差都会引起热应力。因此，进水时厚壁部件应力主要是热应力。

为了减小热应力。其方法是限制进水温度和进水速度，锅炉进水

温度不大于100℃（除氧器水温控制105℃不低于30℃），进水时间中压锅炉夏季不小于1h，冬季不小于2h。

有的电厂用低温水(25℃)进水，进水速度不受限制，可大大缩短进水时间。低温进水必需用化学纯水联胺除氧，并用氨水(NH3H20)控制pH值。采用低温进水虽然进水时间缩短，但用于加热锅内锅水的时间增长了。

4．锅炉升压厚壁部件应力分析

锅炉升压厚壁部件应力有机械应力和热应力两种。厚壁部件内压力产生机械应力，厚壁部件壁温不均产生热应力。厚壁部件顶部机械应力和热应力方向相反，相互减弱；厚壁部件底部方向一致，相互叠加。

5．升温升压曲线的选择－热应力控制

在机组启停及加减负荷过程中，机组中所有受热部件都将发生变化。这种温度的变化如果是不均匀的，或者是急剧的，将会使金属的受热与非受热的部分温差过大而产生热应力，

尤其是一些厚壁部件，影响更大。过大的热应力会使部件产生变形、裂纹，以致损坏。所以对大机组来说，热应力的控制是非常重要的。

对600MW机组的直流锅炉来说，在启停和变负荷过程中，最应重视的是汽水分离器及末级过热器出口联箱。后者是处于高温高压下并且温度变化十分敏感的厚壁部件，前者虽然所受的温度并不是最高，但在锅炉受热受压部件中，其金属壁最厚。为此，在汽水分离器及末

级过热器出口联箱金属壁上安装了内外壁温度测点，外壁温度直接取自于金属表面，内壁温度则在金属壁上打一深至壁厚2/3处的孔，将此温度代表金属内壁温度。测量出金属内外壁的温差，并以此代表其热应力。

6．低周疲劳破坏

厚壁部件峰值应力超过材料屈服极限时，材料局部发生塑性变形，使断面上的应力重新分配，最大值不大于屈服极限。如果是周期性的峰值应力，则在周期性塑性应变下将使材料断裂破坏。这种现象称为低周疲劳破坏。达到低周疲劳破坏的应力循环总次数称为寿命，运行中应力循环次数占寿命的百分数称为寿命损耗。