過熱器運行問題-熱偏差及壁溫計算

1、第二節(jié)過熱器壁溫計算鍋爐過熱器、再熱器爆管是造成火電機(jī)組非正常停機(jī)的重要原因之一，嚴(yán)重影響了火電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運行，而且過熱器、再熱器管的失效在大型電站中具有一定的普遍性。 過熱器的失效類型主要有短期超溫、長期超溫、氧化減薄、高溫腐蝕等，諸多失效形式均 與過熱器壁溫狀況有著直接或間接的關(guān)系。對于工作在高溫狀態(tài)下的過熱器、再熱器而言,控制其管壁超溫是運行中的首要任務(wù)。一、溫度計算公式過熱器和再熱器受熱面管子能長期安全工作的首要條件是管壁溫度不能超過金屬最 高允許溫度。過熱器和再熱器管壁平均溫度的計算公式為：tb 二 tg rtgz Smax 3-_：2 1 ''式中tb 管壁平

2、均溫度，oC;tgz 管內(nèi)工質(zhì)的溫度，0C；= tgz 考慮管間工質(zhì)溫度偏離平均值的偏差，0C ；一熱量均流系數(shù)；3管子外徑與內(nèi)徑之比；qmax熱負(fù)荷最大管排的管外最大熱流密度，kw/m2;a2 管子內(nèi)壁與工質(zhì)間的放熱系數(shù)，kw/m2(C；管壁厚度，m;入一管壁金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，kw/m.oC。二、壁溫影響因素(1) 工質(zhì)溫度：過熱器和再熱器任何部位的管壁超溫都會威脅到整臺機(jī)組的安全，為 了使整臺機(jī)組的過熱器、再熱器壁溫不超溫，運行中整體汽溫的保持是非常重要的。除此 之外，各平列出口的工質(zhì)溫度差別越小對過熱器、再熱器的壁溫安全越有利；(2) 熱偏差：壁溫最高的位置是熱偏差最大的位置。當(dāng)過熱器、再

3、熱器溫度處于正常 水平時，但整個區(qū)域存在諸多不均勻因素，也會造成過熱器、再熱器局部壁溫過高，影響 過熱器、再熱器的安全性；第二節(jié)過熱器熱偏差一、熱偏差概念從上式可，管內(nèi)工質(zhì)溫度和受熱面熱負(fù)荷越高，管壁溫度越高；工質(zhì)放熱系數(shù)越高,管壁溫度越低。由于過熱器和再熱器中工質(zhì)的溫度高，受熱面的熱負(fù)荷高，而蒸汽的放熱 系數(shù)較小，因此過熱器和再熱器是鍋爐受熱面中金屬工作溫度最高、工作條件最差的受熱 面，管壁溫度接近管子鋼材的最高允許溫度，必須避免個別管子由于設(shè)計不良或運行不當(dāng) 而超溫?fù)p壞。過熱器（再熱器）由許多平行的管子組成，由于管子結(jié)構(gòu)尺寸、管子熱負(fù)荷和內(nèi)部阻 力系數(shù)等可能不同，不同管中蒸汽的焓增可能不同

4、，這一現(xiàn)象稱為過熱器（再熱器）的熱 偏差。熱偏差系數(shù)（或簡稱為熱偏差）用 0表示，它的定義為：護(hù)如ipi2 p -丨 1pi2pj -iipj167#式中&p 平行管中偏差管（通常是指平行管中焓增偏大的管子）內(nèi)工質(zhì)的焓增，kJ/kg；ipj 整個平行管組中工質(zhì)的平均焓增，kJ/kg。允許的熱偏差是根據(jù)受熱面工作的具體條件確定的，由于過熱器管子工作在接近材料的最高允許溫度下，允許的熱偏差不應(yīng)超過過熱器總吸熱量的15%。焓值為:工質(zhì)的焓值由管外壁所受熱負(fù)荷、受熱面面積和管內(nèi)工質(zhì)流量決定。偏差管中工質(zhì)的qp ApGp平行管組中工質(zhì)的平均焓增為:pjq pA pjG pj則熱偏差系數(shù)為：0 q

5、 p A p G pjq Aq pj a pj g p式中=亞:吸熱不均勻系數(shù);n -A 結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù);n 色一流量不n q.nA_A.nG _G pjpjpj均勻系數(shù)。由式此可見，過熱器的熱偏差決定于管子的結(jié)構(gòu)特性、熱力特性和水力特性。對流式和壁式過熱器各平行管的直徑和長度基本相同，受熱面面積相同，結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)為1;屏式過熱器U形管圈的內(nèi)外圈長度不同， 結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)可達(dá)1.02,但通過采用一定的措 施，可使結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)約等于1。因此，造成熱偏差的主要原因為吸熱不均勻與流量不均勻。、熱偏差分析1、吸熱不均勻管外壁熱流密度不均勻直接導(dǎo)致過熱器平行管子之間的吸熱不均勻，管外壁熱流密度 由高

6、溫?zé)煔馀c管壁間的溫差及傳熱系數(shù)決定，而煙氣溫度直接影響溫差、煙氣流速是影響 傳熱系數(shù)的主要因素，因此，煙道內(nèi)煙氣溫度場與煙氣速度場的不均勻是造成吸熱不均勻 的主要原因。在鍋爐運行中，多種因素會引起煙氣溫度場與速度場的不均勻：（1）鍋爐爐膛中煙氣溫度場與速度場本身的不均勻。由于爐膛四周布滿水冷壁，靠近爐 壁的煙溫比爐膛中部的煙溫低，布置在爐壁的輻射式過熱器沿寬度的吸熱不均勻可達(dá) 30%40%，同時由于壁面阻力大，爐膛中部的煙氣流速較爐壁附近高。進(jìn)入煙道后，煙氣 溫度場與速度場仍保持中部較高、兩側(cè)較低的分布情況。沿寬度的吸熱不均勻系數(shù)可達(dá) 1.21.3。(2)爐膛出口處存在煙氣流的扭轉(zhuǎn)殘余。燃燒器

7、四角布置燃燒鍋爐，整個爐膛內(nèi)是一個 旋轉(zhuǎn)上升的大火炬，在爐膛出口處，煙氣仍有旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)的煙溫與流速存在較大差別，煙 溫差可達(dá)100OC以上，這就是所謂的“扭轉(zhuǎn)殘余”。煙氣流的扭轉(zhuǎn)殘余會導(dǎo)致進(jìn)入煙道內(nèi)的 煙氣溫度和流速的分布不均勻，在爐膛上部布置大節(jié)距分隔屏或?qū)⒆钌蠈尤物L(fēng)以與一、 二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相反的反向切圓布置，可以減少爐膛出口的扭轉(zhuǎn)殘余，從而減少吸熱不均 勻。3) 過熱器管排的橫向節(jié)距不均勻。 在橫向節(jié)距較大處，管排間有較大的煙氣流通截面， 形成煙氣走廊。該處由于煙氣流通阻力小，煙速增加，對流傳熱增強(qiáng)，且由于煙氣走廊具 有較厚的輻射層厚度，使輻射吸熱也增強(qiáng)，而其它部分管子吸熱相對減少，造成

8、吸熱不均。(4 )過熱器局部結(jié)渣或積灰。當(dāng)過熱器局部結(jié)渣或積灰嚴(yán)重時，會造成局部煙道阻塞， 從而導(dǎo)致煙速分布不均。(5) 管圈輻射暴光系數(shù)不均勻。屏式過熱器由于屏內(nèi)個管圈接受爐膛輻射熱時暴光不 均勻，吸熱量有較大的區(qū)別。(6) 運行操作不當(dāng)。當(dāng)鍋爐運行操作不當(dāng)時，會引起爐內(nèi)溫度場和速度場的不均勻。2、流量不均勻影響并聯(lián)管子間流量不均勻的因素很多，例如聯(lián)箱連接的方式不同、并行管圈間重位 壓頭的不同和管徑及長度的差異、吸熱不均等。過熱器連接方式不同會引起并聯(lián)管圈進(jìn)出 口端靜壓的差異。實際應(yīng)用中，多采用從聯(lián)箱兩端引入和引出，以及從聯(lián)箱中間徑向單管或雙管引入和 引出的連接方式，這種連接方式具有管道系統(tǒng)

9、簡單、蒸汽混合均勻和便于安裝噴水減溫器 等優(yōu)點。但是，即使沿聯(lián)箱長度各點的靜壓相同，也會產(chǎn)生流量不均。對于過熱蒸汽，流量不 均勻系數(shù)為：Gp( 6-7)nG言飛尺可式中K管子的折算阻力系數(shù)；u管內(nèi)蒸汽的平均比容。從式(6-7)可見，即使管圈之間的阻力系數(shù)相同( Kp = Kpj )，即各平行管子的長 度、內(nèi)徑、粗糙度相同，由于吸熱不均勻引起的工質(zhì)比容的差別也會導(dǎo)致流量不均。吸熱 量大的管子，管內(nèi)工質(zhì)的比容也大，管內(nèi)工質(zhì)流量就小。因此，過熱器并聯(lián)管子中吸熱量 大的管子，其熱負(fù)荷較高，工質(zhì)流量較小，工質(zhì)焓增增大，管子出口工質(zhì)溫度和壁溫升高， 更加大了管間的熱偏差。假定經(jīng)過混合后，管組各管圈進(jìn)口處工

10、質(zhì)的參數(shù)是均勻的，當(dāng)熱偏差系數(shù)0定時，偏差管出口處的焓與平均值之差(i2p -i2pj)與管組的平均焓增 &功成正比。即當(dāng)熱偏差 系數(shù)一定時，管組的平均焓增越大，各管圈出口處工質(zhì)溫度偏差也越大。3、同屏熱偏差在我國鍋爐過熱器和再熱器試驗中，發(fā)現(xiàn)過熱器和再熱器對流受熱面存在不同程度的同片管屏中個管間的熱偏差，有的熱偏差系數(shù)高達(dá) 1.31.4 而造成局部管子超溫。引起過熱器同屏熱偏差的主要原因有： 管束前后煙氣容積對各管排的輻射熱量不均勻； 同屏各管接受管間輻射熱量不均勻；同屏各管吸收對流熱量不均勻；管間積灰的影響。三、減輕熱偏差的措施由于工質(zhì)吸熱不均和流量不均的影響， 使過熱器管組中各管

11、的焓增不同而造成熱偏差。 從結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行中采取各項措施可有效地減少過熱器管子間的熱偏差，但是要完全消除 熱偏差是不可能的，只能將熱偏差減輕到容許的程度。為有效減少熱偏差，中國電力大別 山發(fā)電公司采用了下列合理的措施：1) 設(shè)計時采用合適的爐膛尺寸， 合理組織爐內(nèi)空氣動力場， 保證爐內(nèi)空氣動力場良好， 以減少煙氣側(cè)的偏差。2) 燃燒器沿爐寬方向均勻?qū)ΨQ布置在前后墻上，對沖燃燒，均勻送風(fēng)，保證沿爐膛寬 度熱負(fù)荷均勻分布，可保證爐膛出口煙溫分布較均勻，從而也可減少煙氣側(cè)熱力偏差。3) 各級過熱器、再熱器的連接采用合理的引入引出方式。過熱器系統(tǒng)、再熱器系統(tǒng)各 有一次左右交叉，即屏式過熱器出口與末級過熱器之間、低溫再熱器出口與高溫再熱器之 間各進(jìn)行了一次左右交叉。4) 各級過熱器、 再熱器之間的連接也采用了大管道連接， 使蒸汽能充分混合。 引入引 出管盡量對稱布置，減少靜壓差，使流量分配均勻，減少汽溫偏差。5) 合理選用各級受熱面管子的規(guī)格 , 取得與熱負(fù)荷相適應(yīng)的蒸汽流量。 即使同一級的過 熱器，管子規(guī)格也根據(jù)結(jié)構(gòu)和所處的位置不同而有所不同。如低溫再熱器水平管組根據(jù)在 蒸汽流程中的不同的位置和溫度變化情況采用了不同的管子直