Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Пуск барабанных котельных агрегатов на неблочной ТЭС

На неблочных ТЭС число котельных агрегатов, как правило, не равно числу турбин, поэтому их пуск осуществляется независимо (индивидуально).

Процесс пуска делится на три этапа: заполнение котла водой, растопку котла, обеспечивающую устойчивый режим горения в топочной камере, и, наконец, постепенное повышение параметров пара (температура и давление) до номинальных, сопровождающееся аккумулированием теплоты в котельном агрегате. Процедура пуска барабанных котлов отличается от пуска прямоточных котлов и поэтому должна быть рассмотрена отдельно.

Как указывалось, при заполнении барабанного котла водой следует предохранять его барабан от температурных напряжений, так как они при многократных повторных пусках вызывают малоцикловую усталость металла и трещины в стенках барабана.

Растопка газомазутных котлов и создание в них устойчивого факела сразу же после розжига легко осуществляется на основном топливе с высокой реакционной способностью. В котлах, работающих на твердом топливе, надежное воспламенение угольной пыли без предварительного подогрева топочной камеры затруднено, а иногда невозможно. Этот подогрев производится растопочным топливом (мазут, газ) с переходом на пылеугольное топливо лишь после создания в топке температуры, достаточной для его воспламенения. Длительность и уровень предварительного подогрева топочной камеры пылеугольных котлов определяются реакционной способностью топлива, его влажностью и зольностью. Чем меньше реакционная способность топлива, тем, естественно, дольше продолжается предварительный подогрев топочной камеры. Например, для котлов, предназначенных для сжигания пыли антрацитового штыба и тощего угля, требуется не только предварительный подогрев топочной камеры на растопочном топливе, но и довольно длительная работа на этом топливе после включения котла в магистральный паропровод. На основное топливо переходят только после достижения не менее 30 % -ной нагрузки.

Как и при заполнении котельного агрегата водой, при постепенном повышении параметров пара в нем в процессе растопки следует избегать появления в барабане котла высоких температурных напряжений. Эти напряжения в металле барабана возникают, во-первых, вследствие перепада температур по толщине стенки барабана из-за медленного распространения теплоты в металле, определяемого температуропроводностью стали, и зависят от толщины стенки и от скорости повышения температуры насыщения среды, которая, в свою очередь, определяется скоростью повышения давления в барабане котла.

Во-вторых, дополнительные напряжения в барабане котла появляются из-за перепада температур между верхом и низом барабана. Этот перепад в период пуска котла объясняется различными условиями теплообмена между стенкой барабана и греющей средой в паровом и водяном объемах. Повышение температуры верхней части барабана происходит быстро, так как оно идет в условиях конденсации пара, а следовательно, при высоких значениях коэффициента теплообмена. Повышение температуры нижней части барабана идет значительно медленнее, так как определяется конвективным теплообменом за счет естественной циркуляции в котле и зависит от интенсивности этой циркуляции, весьма слабой в начале растопки.

В результате барабан изгибается, причем верхняя, более нагретая его часть оказывается сжатой, а нижняя, более холодная — растянутой. Эти аксиальные температурные напряжения сжатия и растяжения, накладываясь на радиальные температурные напряжения и на механические напряжения растяжения от внутреннего давления среды, усиливают общее напряженное состояние металла барабана там, где имеют одинаковый знак с ними, и ослабляют при противоположном знаке. Таким образом, максимальную напряженность испытывают наружные слои нижней части барабана (растянуты), поскольку все три вида напряжений, действующих в них, имеют одинаковый знак.

Еще одной причиной возникновения дополнительных напряжений в теле барабана может явиться неисправность его подвижных опор (защемление), препятствующая его свободным перемещениям при тепловых расширениях.

Как показал опыт эксплуатации барабанных котлов, специальные испытания и расчеты, надежный температурный режим барабана при пусках котельного агрегата обеспечивается при соблюдении следующих условий:

  1. Скорость повышения температуры насыщения среды в барабане при растопке должна быть равной 1,5—2,0 или 2,0—2,5 °С/минута при давлении в барабане, меньшем или большем 2 МПа.
  2. Скорость понижения температуры насыщения при остановке должна быть равной 1,0—1,5 или 1,5—2,0 °С/минута при давлении в барабане, большем или меньшем 10 МПа.
  3. Перепад температур между верхом и низом барабана не должен быть выше 40—60 °С при растопке и остановке.
  4. Разность температур воды и металла барабана при заполнении котла водой не должна быть выше 40 °С.

Для уменьшения разности температур между верхом и низом барабана может применяться трубопровод, соединяющий барабан с входными змеевиками экономайзера котла и усиливающий естественную циркуляцию в котле в период растопки. Как известно, питание барабанных котлов при их растопке производится лишь периодически и кратковременно только для восполнения потерь продувочного пара, охлаждающего пароперегреватель. В моменты прекращения питания неподвижная вода в змеевиках экономайзера может нагреться до температуры кипения и в ней могут возникнуть паровые пузыри (паровые пробки), перекрывающие все сечение отдельных труб и препятствующие циркуляции воды. Чтобы избежать этого, при растопке котла включают линию растопочной циркуляции и в ней (когда отсутствует подача питательной воды в барабан) возникает медленное естественное движение воды в экономайзер, а оттуда обычным путем в барабан.

Нарушения правил пуска барабанных котлов приводят к значительным повреждениям барабанов. В работе сообщаются результаты дефектоскопии практически всех барабанов из стали 16ГНМ и 30 барабанов из стали 22К, проработавших в одной из крупных энергосистем нашей страны более 100 тыс. часов. Оказалось, что только 33 % барабанов из стали 22К и 20 % из стали 16ГНМ не имели повреждений за весь период эксплуатации. Типичными повреждениями остальной массы барабанов явились трещины около трубных отверстий и в штуцерах. Установлено, что одной из главных причин повреждаемости были дефекты металла, недостатки технологии изготовления и термообработки барабанов, которые проявились при частых переменных режимах и нарушениях нормальной эксплуатации, заключающихся в систематических отклонениях от рекомендуемой процедуры заполнения барабанов водой, а также в превышениях допустимой скорости увеличения температуры насыщения при последующих пусках котлов. Очевидно, необходимо-повысить требования к качеству металла оборудования, предназначенного для работы в переменных режимах, а также-к выполнению эксплуатационных инструкций по пуску и остановке котлов. Важно, кроме этого, автоматизировать процессы пуска и остановки с применением более совершенных схем и. средств контроля и управления. Большую роль в снижении аварийности теплосилового оборудования может сыграть расширение производственно-исследовательских и наладочных работ на электростанциях и в энергосистемах своими силами.

Другим элементом барабанного котельного агрегата, который требует повышенного внимания при растопке, является его пароперегреватель. Из-за относительно небольшого количества пара, проходящего через пароперегреватель в период растопки его скорости понижены и коэффициент теплоотдачи металла, труб перегревателя уменьшается в 8—10 раз по сравнению с нормальным. Это может привести к резкому повышению температуры стенок труб пароперегревателя и их пережогу. Поэтому для надежного охлаждения труб пароперегревателя, а также его радиационных поверхностей нагрева и ширм осуществляется усиленная продувка труб паром, расход которого должен составлять не менее 5 % номинального в начале растопки, и 20 % при достижении давления в барабане 8 МПа. Продувочный пар в процессе растопки сбрасывается через РОУ в дренажную систему, а потери котловой воды восполняются периодическими подпитками.

Для снижения температурных неравномерностей в барабане котла часто применяются специальные устройства для охлаждения барабана, которые могут быть использованы также при остановке котла для его ускоренного расхолаживания: устройство охлаждения барабана насыщенным паром от соседних работающих котлов; устройство охлаждения собственным паром торцов барабана в сочетании со сбросом пара через специальный трубопровод и заполнением барабана питательной водой.

Растопочный процесс заканчивается после достижения параметрами пара номинальных значений и завершается подключением котельного агрегата к магистральному паропроводу. Это подключение должно производиться при примерном равенстве давлений в барабане котла и в паропроводе. Если давление пара в барабане котла будет значительно выше, чем в паропроводе, то скачок расхода пара в котле может вызвать заброс воды в пароперегреватель из-за «набухания» водяного» объема в барабане, что поведет к резкому понижению температуры пара перед ближайшими к месту подключения турбинами.

При более низком давлении в барабане подключаемого котла возможен резкий бросок перегретого пара из магистрального паропровода в котел и значительное уменьшение расхода пара через пароперегреватель, что приведет к резкому ухудшению охлаждения труб пароперегревателя и может вызвать тепловой удар в стенке барабана.

Перед подключением котла к магистрали паропровод, соединяющий котел с нею, должен быть тщательно дренирован и прогрет. Наиболее правильно начинать прогрев этого соединительного паропровода заблаговременно, в момент начала розжига топки. Тогда к моменту окончания растопочного процесса температура пара за котлом и температура металла в конце соединительного паропровода будут близки друг к другу. При прогреве соединительного паропровода (это замечание относится и к магистральному паропроводу) коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара очень велик, поэтому внутренние слои металла нагреваются быстрее наружных, возникают перепад температур по толщине стенки и температурные напряжения в ней. В толстостенных (45—70 мм) паропроводах высокого давления эти напряжения могут достигать больших значений.

Прогрев фланцев, арматуры и соединительных фасонных частей, имеющих еще большую толщину стенок, отстает от прогрева стенок труб паропровода. При большой скорости повышения температуры в этих деталях, а также в местах их приварки к паропроводу могут возникнуть опасные температурные напряжения, которые при многократных пусках котла приведут к усталостным трещинам. Поэтому скорость прогрева паропровода должна выбираться с учетом условий прогрева арматуры, фланцев и других фасонных толстостенных деталей. На основании многочисленных экспериментальных исследований можно считать безопасной скорость повышения температуры паропроводов высокого давления (до 14—17 МПа) 4—5 °С/минута. Несоблюдение этих условий может привести к аварийным повреждениям паропровода и арматуры и потребовать остановки котельного агрегата для устранения этих повреждений.

Так, после остановки котла ТП-87 на одной из электростанций с поперечными связями и осмотра его паропроводов были обнаружены следующие повреждения:

  • кольцевая трещина на наружной поверхности одного из швов приварки корпуса задвижки к паропроводу 273×36 мм из стали 12Х1МФ; сквозные кольцевые трещины в швах приварки седел задвижек к корпусу;
  • трещины на наружной поверхности одной из задвижек в зоне перехода от шарообразной части корпуса к коническому патрубку;
  • кольцевые трещины на наружной поверхности угловых швов приварки штуцеров дренажных трубопроводов к паропроводам.

Вблизи трещин имелось множество межкристаллитных надрывов. Были проведены специальные наблюдения за температурным режимом элементов паропроводов, имевших повреждения, в процессе растопки котла, при работе его под нагрузкой и при отключении его от магистрального паропровода. Было установлено, что основными причинами повреждений явились, чрезмерные температурные напряжения в металле паропроводов и арматуры, возникавшие при переходных режимах прогрева и расхолаживания, протекавших с большой скоростью (20 °С/минута). Эти напряжения значительно увеличивались из-за наличия концентраторов напряжения в сварных швах и фасонных деталях арматуры. Особенно опасной зоной концентрации напряжений являются сварные швы вследствие неоднородности металла в них, неровности поверхности, а также наличия по технологическим причинам остаточных напряжений, которые при совпадении по направлению с температурными увеличивают суммарное напряжение. Еще одним неблагоприятным фактором, способствовавшим еще большему повышению температурных напряжений, явилось увлажнение изоляции паропроводов, вызванное течью и парением арматуры.

В результате сочетание всех неблагоприятных факторов привело к возникновению повреждений после 283 пусков и остановок котла при общей продолжительности действия высоких температурных неравномерностей (скорость прогрева 20 °С/минута) около 48 ч. Общая продолжительность работы котельного агрегата составила к моменту обнаружения повреждений 66,5 тыс. часов.

На другом таком же котле этой же электростанции первые признаки аналогичных повреждений были обнаружены уже-после 225 пусков и остановок и соответственно при общей продолжительности действия высоких температурных неравномерностей около 38 часов.

Определенные расчетом температурные напряжения без-учета концентрации напряжений и влияния увлажнения изоляции оказались равными в момент подключения котла к магистральному паропроводу примерно 1,1 МПа при номинальном допустимом напряжении для стали 12Х1МФ (при температуре 560 °С) 0,67 МПа, т. е. почти вдвое больше. Очевидно, что для увеличения малоцикловой долговечности металла паропроводов нельзя превышать предельную скорость прогрева паропроводов, определяемую местными инструкциями с учетом всех их схемных и конструктивных особенностей. Необходимо строгое соблюдение этого требования.

Опыт длительной эксплуатации во многих энергосистемах показывает, что одним из наиболее слабых мест паропроводов, в том числе магистральных, являются гнутые участки труб, так называемые гибы, которые неизбежны при сложной трассировке паропроводов. Повреждения гибов, иногда сопровождающиеся большим раскрытием труб и приводящие к значительным разрушениям теплосилового оборудования, возникали и возникают значительно чаще, чем повреждения прямых участков паропроводов.

Учитывая низкую повреждаемость (0,01 %) прямых участков паропроводов из сталей 12МХ и 15МХ после 200 тыс. часов эксплуатации, существенно меньшую, чем при переходе ползучести к III стадии (0,1 %), возможно продлить срок эксплуатации прямых труб паропроводов из указанных сталей до 300 тыс. часов. Для длительно работающего металла паропроводов в качестве предельной допустимой рекомендуется принимать повреждаемость 0,2%. Для повышения надежности эксплуатации паропроводов и их гибов рекомендуется осуществлять регулярный контроль гибов неразрушающими методами.

Читайте также:

Updated: 14.10.2014 — 19:14
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.
Adblock detector