Циклическая нагрузка и металлы в котлах: как спасти вашу электростанцию

Поскольку многие угольные электростанции, предназначенные для работы в базовой нагрузке, вынуждены работать в циклическом режиме, в частях котла, работающих под давлением, возникли непредвиденные нагрузки. Понимание последствий и реализация стратегий смягчения последствий могут предотвратить преждевременный выход из строя компонентов и обеспечить надежную работу объектов.

3 августа 2015 года Агентство по охране окружающей среды США завершило разработку Плана чистой энергии, который призывает сократить выбросы углекислого газа от существующих электростанций. Это правило, в сочетании с низкими ценами на природный газ, может привести к тому, что объекты, работающие на природном газе, будут чаще использоваться для базовой нагрузки, а угольные электростанции будут работать чаще, чем когда-либо прежде, для удовлетворения потребностей сети.

Большинство угольных энергоблоков были спроектированы и построены как агрегаты с базовой нагрузкой, без каких-либо ожиданий значительных изменений нагрузки. Но турбины внутреннего сгорания и парогенераторы-утилизаторы обеспечивают более высокий тепловой КПД (около 60%), чем угольные котлы (лучшие паровые установки могут работать с максимальным КПД около 40%), что также способствует изменению тенденций диспетчеризации.

Хотя угольные электростанции по-прежнему пользуются большим спросом, альтернативные источники энергии очень привлекательны с экологической точки зрения. Увеличение объемов переменных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, оказывает дополнительное давление на угольные электростанции в связи с последующей нагрузкой. Однако цикличность нагрузки на угольных электростанциях оказывает негативное долгосрочное и краткосрочное воздействие на надежность и доступность оборудования.

Циклическая нагрузка может включать условия низкой нагрузки, горячий запуск, теплый запуск и/или холодный запуск. Как следует из этого термина, состояние низкой нагрузки возникает, когда мощность снижается и агрегат работает с минимальной нагрузкой без выключения. Когда устройство ежедневно включается и выключается, оно обычно подвергается горячему запуску. Теплый пуск обычно происходит на агрегатах, которые непрерывно работают в течение четырех-пяти дней, а затем отключаются в выходные дни, тогда как холодный пуск следует за длительным остановом на техническое обслуживание (обычно на заводе реализуется процедура простоя на эти длительные периоды технического обслуживания).

Ниже приведены наиболее распространенные нежелательные последствия такого рода циклических операций.

Ползущая усталость. Коммунальные котлы изготавливаются из различных материалов и разной толщины. Эти материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью. Помимо ползучести, высокотемпературные компоненты, такие как перегреватели и пароперегреватели, испытывают термическую и механическую усталость. Кумулятивный эффект известен как усталость от ползучести.

Полученные повреждения гораздо более серьезные, чем отдельные повреждения от ползучести или усталости. При циклической нагрузке в сварных швах трубы с коллектором возникает растрескивание из-за сочетания усталостных напряжений и окружных напряжений. Усталостные напряжения могут возникнуть в результате относительного движения между компонентами, особенно во время прогрева или охлаждения, или когда изменения нагрузки происходят из-за переходных напряжений. Усталостные напряжения также могут возникать в результате недостаточной гибкости ветвей трубы, дефектных опор/креплений или жестких креплений на напорных частях.

Трещина связок. Отдельные трубы высокотемпературного перегрева (SH) и повторного нагрева (RH) могут работать при разных температурах из-за различий в распределении тепла, шлакования, загрязнения и несоосности. Поэтому пар поступает в коллектор с разной температурой.

Циклическое изменение нагрузки усугубляет разницу температур между отдельными трубками, поскольку скорость горения регулируется во время изменения нагрузки для поддержания давления и температуры. Во время увеличения нагрузки котел временно перегревается, и при уменьшении нагрузки ситуация меняется на противоположную. Это вызывает кратковременные термические удары в коллекторе, что приводит к растрескиванию связок.

Высокотемпературный контур. Термическая усталость. Помимо этих термических напряжений, внешние напряжения, связанные с расширением и сжатием коллектора, могут привести к повреждению велосипедных узлов, что приведет к усталостным трещинам на навесном оборудовании. Дополнительный компонент усталости может существовать везде, где компоненты соединяются посредством сварки, поскольку разные детали расширяются и сжимаются с разной скоростью. Хотя усталостный компонент находится в пределах предела выносливости, он влияет на свойства ползучести компонентов.