燃气轮机频繁启停对余热锅炉的影响及处理

引言

随着我国电力行业的变革和能源结构的优化，燃气轮机因其具有的快速启停的特点，已逐渐成为电网的重要调峰设备[1]。但其频繁启停使得其所匹配的余热锅炉在长时间内经受着剧烈的工况波动，引起了热应力疲劳和水循环失调等问题，严重影响了整个系统的安全性。目前的研究大多集中于单一影响，缺少系统的研究和应用对策。因此，探究频繁启停对余热锅炉的影响机理，提出针对性处理方法很有必要。

1 燃气轮机频繁启停对余热锅炉的影响

1.1 热应力影响

1.1.1 频繁启停导致的热应力变化原理

在燃气轮机启动过程中，大量的高温烟气被快速引入余热锅炉，导致余热锅炉表面的温度快速升高。在加热面上，因其在受热面上的各个部分的温差变化速度差异，在其内部形成了很大的温差，并由此引起了热应力。然而，当燃气轮机停止运行时，由于烟气的温度急剧下降，受热表面的温度也会下降，因此也会因为不均衡的温度变化而产生热应力。燃气轮机的频繁启动和停止，会造成受热面热应力的多次叠加，造成热应力疲劳问题。

1.1.2 热应力对余热锅炉部件的损害表现

余热锅炉在长时间的热应力疲劳作用下，其受热面管、联箱和汽包等易产生开裂。其中，过热器、再热器因其与高温烟气的直接接触而发生极为显著的温差，因此极易发生热应力裂纹。在余热锅炉中，这些裂纹会使部件的强度不断下降，从而使其承载性能不断下降，还可能造成部件的渗漏，从而影响整个余热锅炉的安全运行。此外，热应力也会引起受热面的弯曲、联箱的扭曲，从而降低装备的整体性能和热交换效率。

1.2 水循环影响

1.2.1 启停过程中水循环变化分析

在燃气轮机启动阶段，余热锅炉内的工质温度和压力逐渐升高，水循环开始建立并逐渐加快。然而，由于启动过程中烟气温度和流量的波动较大，可能导致工质的受热不均匀，进而影响水循环的稳定性。在停机过程中，随着烟气温度降低，工质温度和压力也随之下降，水循环速度逐渐减慢。频繁启停使得工质的温度和压力频繁波动，对水循环系统的正常运行造成干扰。

1.2.2 水循环异常引发的问题

水循环的不正常会引起受热面管中汽水混合物的分布不均匀，有些管道甚至会因水量不够而产生“干烧”。这会引起管壁表面温度的大幅上升，甚至超出了材料本身所能承受的极限温度，造成爆管事故。另外，水循环的不平稳也会引起汽包水位的大幅起伏，从而影响蒸汽的质量。在高水位条件下，由于水蒸气的存在，会引起汽轮机叶片的结垢和腐蚀；如果水位过低，会导致受热面无法得到有效的降温，从而引起安全事故。

1.3 部件磨损影响

1.3.1 烟气冲刷对受热面磨损

燃气轮机排出的烟气中通常含有一定量的灰尘、颗粒等杂质，在频繁启停过程中，烟气的流速和流向会发生较大变化。当烟气高速冲刷余热锅炉的受热面时，这些杂质会对受热面表面产生磨损作用。尤其是在弯头、管束进出口等部位，由于烟气的流动状态复杂，磨损情况更为严重。长期的磨损会使受热面管壁变薄，降低其强度和使用寿命。

1.3.2 机械应力导致的部件磨损

频繁启停过程中，余热锅炉的部件会因温度变化产生热胀冷缩，这种热胀冷缩运动会在部件之间产生机械应力。例如，管道与管板的连接处、膨胀节等部位，在机械应力的反复作用下，容易出现磨损、松动等问题。此外，燃气轮机启动和停机时的振动也会传递到余热锅炉上，加剧部件的磨损程度。部件的磨损不仅会影响设备的正常运行，还可能导致泄漏等安全隐患。

1.4 保温与密封影响

1.4.1 频繁温度变化对保温材料的影响

余热锅炉在运行过程中，内部温度较高，需要依靠保温材料来减少热量散失。然而，燃气轮机的频繁启停使得余热锅炉的温度频繁升降，保温材料反复承受热胀冷缩的作用。这会导致保温材料的结构逐渐破坏，如纤维断裂、松散，保温性能下降。保温性能的降低不仅会增加能源消耗，还可能使设备表面温度过高，对操作人员的安全构成威胁。

1.4.2 热胀冷缩对密封性能的影响

余热锅炉的密封结构对于防止烟气泄漏、保证设备正常运行至关重要。在频繁启停过程中，由于设备各部件的热胀冷缩程度不同，密封部位容易出现缝隙增大、密封材料老化等问题，从而导致密封性能下降。烟气泄漏不仅会降低余热锅炉的热效率，还可能对周围环境造成污染，同时泄漏的高温烟气还可能对设备和人员造成伤害。

2 针对频繁启停影响的处理方法

2.1 优化启动与停机程序

2.1.1 制定合理的升温、降温速率

针对余热锅炉的设计参数及材料特点，有必要对启动时的升温速率和停机时的降温速率进行科学合理地制定。在启动时，要对燃气轮机的负荷增加速度进行严格的调控，以保证余热锅炉受热面温度缓慢均匀上升，防止因温度突变而引起过大的热应力。类似地，当停机时，按照规定的降温速率逐渐降低燃气轮机的负荷，使余热锅炉平稳降温。

2.1.2 增加暖机环节与时间

在燃气轮机启动后，增加适当的暖机环节，延长暖机时间。暖机过程中，保持燃气轮机在较低负荷下运行，使余热锅炉的受热面能够充分预热，各部件温度逐渐趋于均匀，水循环系统也能稳定建立。通过充分暖机，可以有效减少启动过程中的热冲击和热应力，提高设备的启动可靠性。

2.2 改进余热锅炉设计

2.2.1 增强受热面抗热应力能力

在受热面的设计上，要选择耐高温、抗蠕变等优良热疲劳性的合金钢。在此基础上，通过对受热面的结构设计进行优化，并增加相应的膨胀补偿装置，减小因受热胀冷缩而引起的热应力。例如，通过在锅炉过热器、再热器间加装膨胀节，或使用诸如螺旋形管等特殊构件，增强受热面对热应力的适应性。

2.3 加强设备维护与监测

2.3.1 定期检查受热面磨损与裂纹情况

建立定期检查制度，对余热锅炉的受热面进行全面检查，及时发现磨损和裂纹等缺陷。采用无损检测技术，如超声波检测、射线检测等，对受热面管进行探伤，检测内部是否存在裂纹。对于磨损严重的部位，及时进行修复或更换。

2.3.2 实时监测设备运行参数

安装先进的监测系统，实时监测余热锅炉的运行参数，如温度、压力、水位、烟气成分等。通过对这些参数的实时分析，及时发现设备运行中的异常情况，如热应力异常升高、水循环不畅、部件磨损加剧等，并采取相应的措施进行处理。例如，当监测到受热面管壁温度异常升高时，及时调整燃气轮机的运行负荷，降低烟气温度，防止管子超温损坏。

3 结语

燃气轮机频繁启停对余热锅炉的影响是多维度且相互关联的，通过有效的措施可有效缓解热应力损伤、减少部件磨损、提升设备稳定性。未来需进一步结合智能化技术，构建动态监测与预警体系，推动余热锅炉设计与运维技术创新，为燃气轮机的高效安全运行奠定基础，助力电力行业绿色低碳转型。

参考文献

[1] 陆亮亮 . 频繁启停调峰 9FA 燃气机组对外集中供热探讨 [J].电工技术 ,2024,(17):152-154.