煤气锅炉过热器和再热器壁温的计算

余 热 锅 炉 2 0 1 5 4 1 煤气锅炉过热器和再热器壁温的计算 杭州锅炉集团股份有限公司 田 圃蒋志康 摘要本文介绍 了过热器和再热器管子壁温的计算方法， 介绍 了热偏差的成 因和计算， 并通过具体项 目的壁温计算比较 了GB T 1 6 5 0 7中两种方法的计算结 果 。 关键 词 过热 器壁 温再 热器壁 温热偏 差煤 气锅 炉 一 、引言 锅炉 是否能安全可靠运行与其受 压部 分各 级受热面 的金属壁温 ( 管壁温度 )是 否超 过所使用钢材在 工作压力下 的许用温 度有密切关系 。 过热器和再热器管子 内部的 工质温度是锅炉系统中最高 的， 运行环境也 是锅炉 各部件 中最严 酷的， 因此 ， 锅炉设计 时的过热器和 再热器壁温计算对 于锅炉 的 安全运行有重要 的意义 。 为了核算过热器和再热器 的强度 ， 选择 合适 的钢材 ， 在进行强度计算 时， 应使用管 壁厚度方 向上的平均温度 ， 核算是否会有氧 化皮形成时， 需求出管壁 的外表面温度 。 二、 现行锅炉标准对于计算壁温的规定 G B T 1 6 5 0 7 2 2 0 1 3 水管锅炉 第 2部 分 ：材料 中规定， 钢管的工作压力和 ( 计 算)壁温适用范 围应符合表 1的规定， 在满 足表 1 使用条件的基础上， 钢管的名义厚度 须符合 G B T 1 6 5 0 7 4 2 0 1 3 水管锅炉第 4 部分 ： 受压元件强度计算的要求。 表 1 钢管的适用范围 适用范围 材料牌号 材 料标 准 工作压力 壁温 主要用途 MP a 受热面管子 1 6 3 5 0 1 0 GB， r 8 1 6 3 2 0 集箱、管道 1 6 3 5 0 受热面管子 5 - 3 _ 4 6 0 l 0 GB 3 0 8 7 2 0 集箱、管道 5 3 |4 3 O 0 9 C r C u S b N B T 4 7 0 1 9 尾部受热面管子 不 限 3 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 余 热 锅 炉 2 01 5 4 表 1( 续 ) 受热面管子 不限 _ 4 6 O 2 0 G GB 5 3 1 0 集 箱、管道 不 限 4 3 0 1 2 C r Mo G 受热面管子 不 限 5 6 0 1 5 Cr M o G GB 5 3 1 0 集箱、管道 不 限 _ 5 5 0 受热面管子 不限 _ 5 8 0 1 2 C r 1 M O VG GB 5 31 0 集箱 、管道 不限 _ 5 6 5 1 2 C r 2 Mo WVT i B GB 5 3 1 0 受热面 管子 不限 _ 6 0 0 为外壁壁温，指烟气侧管子外壁的温度。 对于受热面管子， 某一点的金属壁温首 先取决于该点管 内的工质温度 ， 以及该点所 处位 置烟气温度值及烟气对管子外壁 的传 热系数 ( 或热 负荷 ) 、 管子 内壁对工质 的传 热系数、 钢材 导热 系数、 钢材传导率 以及 管 子外壁积灰及管子 内壁积垢 的厚度及 其热 导率等因素。 GB T 1 6 5 0 7 4 2 0 1 3提供了两种受热面 管子计算壁温 的方法 ： 第一种是按照如下的公式 ： 受压元件 的各点金属计算壁温可按式 ( 1 )计算 ： 一 t i + t o 协 式 中 ： 一 热流均流系数 ； g 一最大热流密度，k W m ； t b一 金 属壁 温 ， ； t i 一金属内壁温度， ； t o 一金属外壁温度， ； 一 计算壁温 ， ； 一 平均工质温度 ， ； At 一温度偏差， ； 一 工质混合系数 ； 一 内壁 对 工 质 的换 热 系 数，k W ( m )； 一 按名 义厚度确 定的外径与 内径 的 比值 ； 一 圆筒体、 焊 制和锻 造三通主 管、 等 径叉形管或 凸形封头的名义厚度，mm ； 一 钢材导热系数，k W ( m ) 。 集箱和管子取 A t 1 0 。 确定计算壁温 时， 可不予考虑设计允许范 围内锅炉 出口过 热蒸汽温度 的波动值 。 计算壁温取受压元件 上内外壁温算术平均值中的最大值 。 由式 ( 2 )可 以看 出工质 ( 蒸汽 )温 度高、 热偏 差大、 热流密度大都会 使管壁温 度升 高， 工质 流速高、 换热系数 大可 以使管 壁温度降低 。 以上几个 因素中以工质温度 的高低起 的作用最大， 是主要 因素， 其次是 传热强度 ， 再次是换热系数 以及热偏差的大 小 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 5 4 3 式 ( 2 )X指工质混合系数 ， 它与 At 一 起 ， 可被认 为考虑了受热面管子壁温 的计算 裕度 。 除此之 外 的其他参数 ， 均可 以在锅 炉 热力计算 中求 出。 第二种方法 ， 受热面管子的计算壁温按 表 2选取 。 从表 2中可 以看 出， 对 于对流 过 热器 ， 计算壁温等 于管 内工质温度加 5 0 “ C， 而对于辐射式或半辐射式过热器而言， 计算 壁温等于工质温度加 1 0 0 。 表 2 管子和管道的计算壁温 t 单位为摄氏度 元件 条件 计算 公式 沸腾管 P 1 3 7 MP a 及 g 一 _ 4 0 7 k W m2 t d=t +6 0 对流式省煤器 t d=t m+3 0 省煤器管 辐射 式省煤器 t d=t +6 0 对流式过热器 t d=t +5 0 过热器 管 辐射式或半辐射式 ( 屏式)过热器 t d=t +1 0 0 管道 在烟道外 t d=t m 表 2中， 一锅炉额定压力 ，MP a 三、 热偏差 锅炉各 级过热器和再热器一般 都 由许 多并联 的管子组成 。 热偏差现象是指并联管 子 的出 口工 质温 度 与其 中 间点 ( 平 均值 ) 的工质温度不同， 它通 常是 由以下因素导致 的 ： ( 1 )并联各管的管 内工质流量不同 ； ( 2 )沿烟道 宽度 方 向各列管 子的吸热 量不 同， 这是 由于沿烟道宽度方向烟气温度 及速度 的不同所引起的 ； ( 3 )同屏或 同片各管 的吸热量不 同， 这 主要是 由于 同屏或 同片各管 的受热 条件 不 同所引起的 ； ( 4 )并联各管的长度或结构不同 ； ( 5 )由上级受热面 的热偏差传递 到下 级受热面 ， 使其并联各管子的进 口工质温度 不 同 。 当热 偏差 系数较 大 时， 偏 差管 的金属 壁温将 比平均值高出很多， 若超 出取用温度 会危及锅炉的安全运行。 电站锅炉 中发生的 过热器或再热器超温爆管 ， 大多是 由此 引起 的。 受热面热偏差计算 的 目的是确定危险 点管内的工质温度。 本文热偏差计算 的方法 来 自 锅炉机 组热力计算标准 ， 即考 虑不 均匀系数来计算工质混合系数， 包括 管束吸 热不均匀系数 n ， 周界吸热不均匀系数 ，以及水力 不均匀系数 r 1 ( 在后 面的计算 中取 1 1 5 ) 。 吸热不均匀系数等于热负荷最大管子 的吸热量与需要计算的那一整排管子的平 均吸热量之比， 其值可按表 3选取。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 余 热 锅 炉 2 O l 5 4 表 3 对流管束吸热不均 匀系数 受 热 面 n 对流管束的排管或布满整个烟道宽度的屏式过热器 1 - 3 对流管束的排管或屏式过热器受热面，但只占烟道 宽度的中部 ( 不到2 3 )或烟道两侧 1 2 ( 占烟道宽度的1 4 以下 ) 辐射受热面 1 4 在对流管束中， 管子所处的排数不 同、 管子周界上吸热量最大处的位置也不 同。 对 于某几种典型情况， 吸热量最大处的位置如 表 4所示。 表 4管子周界上最大热负荷和管子周界上的热不均匀系数 ( 煤气锅炉) 顺 列 管 束 错 列 管 束 管 排 序 号 管子正面点与最大吸 管子周界吸热不均 管子正面点与最大 管子周界吸热不均 热点间的角度 匀系数 吸热点问的角度 匀系数 1 0 。 1 6 0 。 1 6 I I 6 0。 1 7 0。 1 7 I I I 6 0 。 1 5 0 。 1 5 I V和以后各排 6 0 。 1 4 0 。 1 6 当管束后面有烟气空 间时管束的最后一排 l 8 O 。 1 0 0 。 1 6 管子 另外 ， 再热器的壁温计算与过热器相 比 侧重点有所不同， 再热器的运行压力较低 ， 如果计算壁温满足表 1的要求 ， 管子强度通 常可以满足 。 但是为提 高发电机组的整体效 率， 再热器管系的阻力压降有严格的要求， 这就要求管 内的蒸汽流速不能很高， 因而对 管子的冷却作用不及过热器管。 因此， 高温 再热器管子壁温计算也是必要的。 四、 壁温计算实例 本节 以一台 1 l O t h高温高压带再热煤 气锅炉为例进行过热器和再热器 的壁温计 算。 对于屏式过热器而言， 通常还需要计算 5 0 负荷时的过热器管壁温度 ， 因为屏式过 热器低 负荷运行 时管内工质的流速 降低 ， 对 管子 内壁的冷却作用减弱， 但 同时屏式过热 器吸收炉膛的辐射热量相对下降幅度不大， 从而使屏式过热器在低负荷时的计算壁温 可能高于在满负荷时的计算壁温 。 锅炉的基本参数见表 5 。 表 5 锅炉基本参数 项 目 数值 额定蒸发量 t h l 1 O 额定蒸汽压力 Mp a 9 8 1 额定蒸汽温度 C 5 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 5 4 5 表 5( 续 ) 再热蒸汽流量 t h 9 7 2 再热蒸汽进 出 口压力 l I P a 1 9 3 6 1 8 2 再热蒸汽进 出口温度 3 5 0 5 5 4 0 壁温计算 中的热偏差按照上文所述的 锅炉机组热力计算标准的方法进行 ， 其 他参数来 自锅炉的热力计算。 壁温计算的结 果如表 6： 表 6 壁温计算结果 计算 计算点位置 材料 计算点蒸汽温度 计算点烟气温度 强度计算管壁温度 点 ( ) 0 ( ) t d ( ) l 屏过下缘中点 1 2 C r 2 Mo WV T i B 3 9 9 0 1 0 1 9 4 4 8 2 1 2 屏过蒸汽 出口 1 2 C r 2 Mo WV T i B 4 3 5 4 9 5 5 8 5 0 6 2 3 高过蒸汽入 口 1 2 C r l MO V G 4 2 5 7 9 5 5 8 4 6 6 4 4 高过蒸汽 出口 l 2 C r 2 Mo 、 7 T i B 5 4 0 8 8 2 0 2 5 9 6 1 5 低过 蒸汽 出口 l 5 C r Mo G 3 6 9 5 7 2 7 2 4 1 6 5 屏过 下缘 中点 6 1 2 C f 2 Mo WVT i B 4 0 2 0 8 7 8 0 4 7 9 6 ( 5 0 负荷 ) 屏过蒸汽 出口 7 1 2 C r 2 Mo WVT i B 4 4 2 1 8 0 7 2 5 l 1 6 ( 5 0 负荷 ) 8 高再蒸汽入口 1 2 C r 2 Mo ， V T i B 4 2 1 7 8 2 0 2 4 9 7 6 9 高再蒸汽出 口 1 2 C r 2 MO WVT i B 5 3 9 9 7 2 7 2 5 9 8 1 l 0 低再 蒸汽 出 口 1 2 C r 1 MO V G 4 2 8 1 5 7 8 0 4 6 8 5 相对于 G B T 1 6 5 0 7 4 2 0 1 3强度计算中 计算壁温等于工质温度加 5 0 或 1 0 0 的规 定， 屏式过热器管子的计算壁温较管 内蒸汽 温度高 7 0 8 0 ， 小于表 2的要求 ；高温过 热器壁温 比工质温度高 4 0 - 5 0 ， 与表 2大 致相 同。 高温再热器计算壁温比工质温度高 6 0 - 7 0 C， 高于 5 0 的要求， 表 明高温再热器 因工质流速低使热偏差 的影响有