На неблочных ТЭС число , как правило, не равно числу , 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 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:
- 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.
- 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.
- Перепад температур между верхом и низом барабана не должен быть выше 40—60 °С при растопке и остановке.
- 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 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.