（热能工程专业论文）大型锅炉过热器、再热器炉内管子壁温的工程预测.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电力工业是国民经济发展的先导产业，其发展程度一直是衡量社会文明和 经济发达程度的标志。为满足现代社会对电力日益增长的需要以及对电站热电 经济性和环保要求的不断提高，发展大容量高参数火电机组已势在必行。然而， 由于设计制造、运行管理等诸多因素的影响，我国一大批大容量电站锅炉过热 器、再热器相继发生超温爆管事故，严重影响了机组的安全、经济运行，因此 开展对过热器、再热器超温爆管的研究具有非常重要的意义。 本文首先介绍了国内外关于过热器、再热器超温爆管问题的研究现状，从 理论上分析了引起热偏差及超温爆管的原因。在总结前人研究的基础上，对原 有的单点壁温计算公式进行了发展和完善，提出了较为通用的壁温分段计算模 型，对壁温计算中涉及的几个重要参数角系数、炉膛辐射因子等进行了计算公 式的推导，避免了以前采用查曲线图带来的计算误差。利用建立的模型，并结 合一台3 0 0 5 v 锅炉后屏过热器进行了工质温度及壁温计算，对计算结果进行了 图形化处理并做了相应分析，分析得出对于本锅炉后屏过热器各屏最外圈管右 下弯头处为最容易发生超温爆管的危险部位，尤其以第8 屏最外圈管右下弯头 处壁温最高，原因主要有两点：第一，这些部位烟气温度高，热负荷大，容易 发生高温腐蚀；第二，与折焰角之间易形成烟气走廊，加速烟气流动，从而对 管壁形成强烈冲刷，导致管壁减薄，因此应着重加强对这些部位的预防与监测。 为建立炉内外壁温的关系，本文定义了一个新的参数过余温度中。；f 6 - t 。( 气为 各根管子右下弯头处的管壁温度，t 。为同管出口处的工质温度，f 。的数值实质 上就代表了炉外监测点的管壁温度) ，过余温度。是一个与流量不均系数及 热负荷不均系数，7 。有关的量。文中分别单独研究了过余温度与流量不均系数的 关系及过余温度与热负荷不均系数的关系，并分析了管子出1 3 工质温度、过余 温度及炉内最高管壁温度三者之间的关系。提出了利用炉外壁温预测管子炉内 最高壁温的原则及定量的方法，以达到锅炉运行中利用炉外壁温的信息预测炉 内最高壁温的目的。 关键词：过热器再热器热偏差超温爆管壁温 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n d u s t r yo fe l e c t r i c i t yi st h ef a t h e ro fn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n d i t sl e v e li st h es y m b o lo fs o c i a lc i v i l i z a t i o na n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t i ti s n e c e s s a r yt op r o d u c et h e r m a lg e n e r a t o ru n i tw i t hm u c hb i g g e rc a p a c i t ya n dm u c h h i g h e rp a r a m e t e rt os a t i s f yt h en e e do fe l e c t r i c i t yi n c r e a s i n ga n dt h ed e m a n do f e c o n o m yo ft h e r m o e l e c t r i c i t ya n dp r o t e c t i o no fe n v i r o n m e n ti nm o d e ms o c i e t y h o w e v e r ，t h ea c c i d e n t so fo v e r t e m p e r a t u r ea n dt u b ee x p l o s i o no fs u p e r h e a t e ro r r e h e a t e rh a p p e n e di nm a n yp o w e rp l a n t s ，i no u rc o u n t r y ，b e c a u s eo fm a n ye l e m e n t s i nd e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，o p e r a t i o n ，m a n a g e m e n ta n ds oo n t h e ya f f e c t e dt h ep o w e r p l a n ts a f ee c o n o m i c a lo p e r a t i o n s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep h e n o m e n o no f o v e r t e m p e r a t u r ea n dt u b ee x p l o s i o n t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no no v e r t e m p e r a t u r e a n dt u b ee x p l o s i o na th o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y s e dt h er e a s o n sw h i c hc a u s et h e h e a td e v i a t i o na n do v e r t e m p e r a t u r ea n dt u b ee x p l o s i o ni nt h e o r y o nt h eb a s eo ft h e f o r m e r s ，t h i sa r t i c l em a d es o m ep e r f e c t si nt h eo r i g i n a lc a l c u l a t i o nm e t h o do f w a l l - t e m p e r a t u r e ，a n dp r e s e n t e dg e n e r a lm o d e l o fw a l l - t e m p e r a t u r es u b s e c t i o n t h e a u t h o rd e d u c e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fa n g l ef a c t o ra n dr a d i a t i o nf a c t o re t c , w h i c hc o u l da v o i de r r o r sm a d eb yl o o k i n gf o rc u r v e s t h ea u t h o rh a sc a l c u l a t e dt h e w o r k i n gm e d i u mt e m p e r a t u r e sa n dw a l l t e m p e r a t u r e so f3 0 0 m w b o i l e rr e a l p l a t e n s u p e r h e a t e r ，d e p e n d i n gu p o nt h ee s t a b l i s h e dm o d e l ，a n dd e a l e dw i t ht h er e s u l t si n t o g r a p h i c sa n dm a d es o m ea n a l y s i s t h r o u g ha n a l y s i n g ，t h em o s td a n g e r o u sp a r t s w h e r eo v e r t e m p e r a t u r ea n dt u b ee x p l o s i o nh a p p e n sa r et h er i g h te l b o w so fo u t m o s t t u b eo fe a c hp a n e l ，e s p e c i a l l yt h ee i g h t t h ef i r s tr e a s o ni sh i g hf l u eg a st e m p e r a t u r e a n dh i 【g ht h e r m a ll o a di nt h e s ep l a c e sw h e r eh i 【g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o nh a p p e n s t h es e c o n di st h eg a sm o v e sm u c hf a s t e rc a u s e db yf l u eg a sc o r r i d o r , t h et u b e sa r e s c o u r e ds t r o n g l ya n db e c o m em u c ht h i n n e r , s ow em u s tt a k es o m ep r e c a u t i o n sa n d d os o m em o n i t o r i n g si nt h e s ep l a c e s i nt h i sp a p e r ，an e wp a r a m e t e r ( 吼= t b t g ) w a sd e f i n e dt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a l l - t e m p e r a t u r eo ft h et u b ei n l i 山东大学硕士学位论文 t h eb o i l e ra n do u to ft h e b o i l e r m 6 i sr e l a t e dt of l o wd e v i a t i o nc o e f f i c i e n t ( ，7 g ) a n d h e a td e v i a t i o nc o e f f i c i e n t ( r q ) t h ea u t h o ri n d i v i d u a l l ys t u d i e do nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n 吼a n df l o wd e v i a t i o nc o e f f i c i e n t ( 7 7 g ) ，吼a n dh e a td e v i a t i o n c o e f f i c i e n t ( r q ) t h ep a r t i c l ei sa l s oa n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i po fw o r k i n g m e d i u m t e m p e r a t u r ea to u t l e to ft u b e ，吼，a n dt h eh i g h e s tw a l l - t e m p e r a t u r eo ft h et u b e t h e p r i n c i p l ea n dq u a n t i t a t i v e m e t h o dw e r ep r o p o s e dt oa c h i e v et h eg o a l u s i n g w a l l - t e m p e r a t u r eo u to fb o i l e rt op r e d i c tw a l l t e m p e r a t u r ei nt h eb o i l e r k e yw o r d s ：s u p e r h e a t e rr e h e a t e rh e a td e v i a t i o no v e r t e m p e r a t u r e t u b ee x p l o s i o n w a l l m t e m p e r a t u r e i i i 山东大学硕士学位论文 i v 符号表 名称 管段a 吸收的热量 管段长度 计算点管子吸热负荷 炉膛或屏前烟气对屏的辐射热负荷 下部烟窗对屏的辐射热负荷 前部烟窗对屏的辐射热负荷 炉膛平均辐射热负荷 屏间烟气对屏的辐射和对流热负荷 接受炉膛或屏前烟气辐射的受热面积 接受下部烟窗辐射的受热面积 接受前部烟窗辐射的受热面积 接受屏间烟气辐射和对流的受热面积 中间管段接受屏前烟气辐射受热面积 中间管的面积折算系数 管子外径 受热面偏差系数 下部烟窗辐射因子 前部烟窗辐射因子 管段a 的焓增 沿烟道宽度的吸热不均系数 沿管屏高度的吸热不均系数 屏所处区域沿炉膛高度热负荷不均系数 屏下部烟窗与前部烟窗平均热负荷之比 单位 k j h m k j ( m 2 h ) k j ( m 2 h ) k j ( m 2 h ) k j ( m 2 h ) k j ( m 2 h ) k j ( m 2 h ) m 2 m 2 m 2 m 2 m 2 m k j k g 隅 q 乞 g 町 趴 郇 q 砟 风 瓦 d 磊 只 罡 他 墨 墨 y 叩 山东大学硕士学位论文 符号名称 q 管圈蒸汽流量 x烟窗对管段的辐射角系数 烟窗对管排的辐射角系数 管子横向节距 屏中各管的纵向间距 烟窗对管排的辐射穿透率 分配集箱中各点与集箱端点之间的静压差 汇流集箱中各点与集箱端点之间的静压差 分配集箱进口处最大动压头 汇流集箱出口处最大动压头 分配集箱总摩阻系数 汇集集箱总摩阻系数 计算点烟气的绝对温度 计算点管壁外表的绝对温度 计算点管子积灰表面温度 管子外径与内径之比 散热系数 管子壁厚 管壁金属的导热系数 烟气侧对流放热系数 蒸汽侧的放热系数 烟气辐射放热系数 前部烟窗对第一排管子的辐射放热系数 屏间烟气的辐射放热系数 管子污染系数 单位 k g h m k j ( m - h - 。c ) k j ( m h 。c ) k j ( m h 。c ) k j ( m h 。c ) k j ( m h 。c ) k j ( m h 。c ) m 2 h 。c ( k j s ) v l l a a a a m m 陌 陌 陌 陌 k k 墨 是 f 钆 衅 衅 嘶 z 乙 p 肛 6 a q 吃 占 山东大学硕士学位论文 v l 符号名称单位 日计算点烟气温度。c 矿烟气横向冲刷管束时沿管子周界吸热不均匀 “r p 系数 烟道深度方向上管子排数的修正系数 烟气导热系数 蒸汽导热系数 烟气运动粘性系数 蒸汽运动粘性系数 计算点烟气速度 计算点蒸汽流速 计算点蒸汽普朗特数 从炉子吸收辐射热最多处的曝光系数 流量不均系数 吸热不均系数 管子出口工质温度 管子炉内最高管壁温度 过余温度 管子出口工质温度增量 过余温度增量 k j ( m h o c ) k j ( m h o c ) m 2 s m 2 s m s m s o c o c o c o c o c e - t 咋 吃 m 办 0 气 吼 叱 仲 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 盏l 塑建日 论文作者签名：里i 堑划也 日期：矽匿：f ： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：7 蜀醯师签名：戤日 期： 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 电力工业是国民经济发展的先导产业，其发展程度一直是衡量社会文明和 经济发达程度的标志。火力发电在世界电力总装机容量和总发电量中所占比例 均在7 0 左右，占据电力工业的主导地位。我国燃煤电站的装机容量和发电量 都占8 0 以上，预计到2 0 1 5 年火力发电的比例仍高达7 5 。为满足现代社会对 电力日益增长的需要，发展大容量高参数火电机组成为电站设备制造业的必然 趋势。 在电站锅炉的运行故障中，四管爆裂占首位，大型电站锅炉爆管事故己成 为当前威胁发电设备安全稳定运行的突出问题。据统计，近年来全国2 0 0 m w 以 上机组共发生锅炉事故1 9 7 6 次，其中锅炉爆漏事故为1 4 1 7 次，占锅炉事故的 7 2 。不仅是国产的电站锅炉，还有近年来投入运行的一大批进口和引进型 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 等级的大容量电站锅炉也相继发生了超温爆管事故。 锅炉爆管事故中因为过热器和再热器爆管造成的事故损失最大，而且随着 旧机组服役时间的增加，以及新机组投产容量和参数的提高，这类事故还可能 有逐年上升的趋势，是影响电厂安全运行的重要因素。因此，研究和防止过热 器及再热器超温爆管已成为保证火电厂安全经济运行和提高经济效益的一个重 要环节。 现代大容量电站锅炉的过热器和再热器系统的同片管屏通常是由若干管圈 并联的多套管组成。锅炉工作的可靠性在很大程度上决定于这些受热面的金属 壁温是否超过所采用钢材在所受应力水平下的容许温度，文献表明，管壁金属 超温而引起爆管，会使设备可用率降低，发电成本增高，如一台6 0 0 mw 机组若 一年爆管一次，每次按五天修复计算，则将少发电7 2 0 0 万k w h ，每k w h 按0 0 5 6 元计，合人民币3 6 0 万元。一台6 0 0 m w 机组冷态启动一次大约耗油1 8 0 t h ，油 价按4 0 0 0 元t 计算，启动一次油费为7 2 万元，加上修复所用的材料及人工费 等，其经济损失是相当大的。 过热器和再热器的结构设计和金属安全运行的核心就是准确计算和判断管 壁温度。有了准确的管壁温度，就可以设计合理的结构和选择恰当的管材，也 1 山东大学硕士学位论文 可以给燃烧方式的调整及流量分配的协调提供充分的依据。目前大型火电厂的 过热器、再热器的炉外管子上都配有一定数量的壁温测点，用以对运行中的金 属壁温进行实时监测，保证过热受热面的安全运行，但这些壁温测点实际上监 视的只是管子出口的蒸汽温度，至于炉内的最高金属壁温的部位和温度水平则 无从得知，而锅炉运行中真正应该控制的恰恰是管子的最危险金属温度，依此 决定是否需要增减锅炉负荷或投入减温水量。因此，为提高锅炉的安全性和经 济性，减少和消除因过热器和再热器超温爆管事故引起的停炉，实践中迫切需 要找到一种根据炉外壁温的数据，推算炉内最危险处壁温水平的方法，这也是 本文研究的主要内容之一。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 并联管组流量分配规律研究 根据流体的引入、引出方式的不同，通常可把并联管组分成两类：一类是典 型布置的并联管组系统；另一类是非典型布置的并联管组系统。所谓典型系统 是指流体在集箱的端部轴向引入或引出( 图1 - 1 ( 1 ) ) ；而非典型系统是指流体沿 集箱在布置管组的长度上径向引入或引出( 图1 - 1 ( 2 ) ) ，也称为复杂系统。 ( 1 ) 典型系统( 2 ) 非典型系统 图1 - 1 并联管组系统 一：典型布置系统 从二十年代末起就不断有人进行这方面的研究，主要的研究重点在集箱端 压差转换系数和集箱内工质静压分布规律两方面。 所谓集箱端压差转换系数是指集箱末端和工质引入端( 分配集箱) 或引出端 ( 汇集集箱) 工质静压之差与引入或引出端工质动压之比。这是表征集箱内工质 静压递增或递减程度的一个重要参数，在一定程度上也反映了并联管组流量分 配的不均匀性。 2 山东大学硕士学位论文 1 9 3 7 年，针对锅炉过热器中因并联各管蒸汽流量分配不均而出现的超温爆 管事故，前苏联马拉费也夫已进行了过热器的水模冷态试验【l l ，1 9 6 5 年莫塞也 夫又对更小的l d 值做了补充试验，苏联热力计算标准【2 ，3 】和水力计算标准1 4 】 引用上述研究者的试验数据。此后又有不少学者对此课题进行了研究，在这些 研究工作中，大部分只用试验得出了端压差转换系数，对集箱内工质的流动仅 作了些定性分析。其中h a h e a r t e r l 5 1 、陈之航教授【6 1 7 j 通过理论分析和试验研 究，不仅得到了集箱内工质端压差转换系数，而且找出了工质静压变化规律， 特别是文献【6 ，7 】的研究对后来锅炉并联管组的设计及改造起了十分重要的指导 作用。 在较早时期，j k u n z 8 】和j d k e l l e r l 9 】就对集箱内的静压分布规律建立了 微分方程。陈之航教授的研究【6 7 1 比较突出，在假设集箱内工质流速为线性分布 的前提下，根据动量方程建立了集箱内静压分布的函数表达式，然后在蛇形管 组模型上用试验定出了函数中的系数，并论证了理论分析中简化假设的合理性， 最后得出了集箱端压差转换系数的半经验公式以及较为合理的、便于工程应用 的集箱内静压分布表达式。 二：非典型布置系统 现代大容量锅炉中，为了减小导汽管的管径，往往不采用典型的集箱布置 型式，而是采用几根导汽管从分配集箱或汇集集箱的中部( 在布置管子的区段 内) 引入或引出分配集箱和汇集集箱，从而构成复杂集箱系统。 对于非典型集箱连接系统，王孟浩高级工程师等曾作过理论分析与试验研 究，且提出了一些计算公式【1 0 】，但因集箱、导汽管与管子之间的连接结构形成 的三通和四通通道内流体的涡流区域大小及局部静压与动压尚无法从理论上确 定，只能依靠试验，但这方面的试验工作因诸多因素的影响不尽人意，所以在 一定程度上限制了上述计算方法的应用。 1 2 2 过热器和再热器系统热偏差研究 在过热器和再热器工作过程中，由于受烟气侧和工质侧各种因素的影响， 各平行管列工质焓增不均匀的现象称为热偏差。根据对象的不同，可分为两类： 沿炉膛( 或烟道) 宽度方向各并联管屏之间的热偏差称为沿宽度热偏差：而在同 一管屏中各并联管圈之间的热偏差称为同屏( 片) 热偏差。 3 山东大学硕士学位论文 对于沿宽度热偏差的问题，陈之航教授等早在7 0 年代就进行了研究【6 7 1 ， 根据对流烟道的热负荷分布特点及实际运行状况提出了便于工程应用的沿对流 烟道的吸热不均匀系数函数表达式，并总结了不同烟道沿宽度( 或深度) 的最大 和最小吸热不均匀系数值。 八十年代，随着配3 0 0 m w 机组锅炉的不断投运以及国外有关技术的引进， 由过热器和再热器系统的热偏差引起的超温爆管事故大量出现。王孟浩高级工 程师等又提出了同屏( 片) 热偏差的理论及相应的计算方法1 1 1 - 1 3 1 ，并且成功解决 了陡河电厂日本日立8 5 0 t h 锅炉等过热器和再热器受热面因同屏( 片) 热偏差 引起的超温爆管问题1 1 4 】。 随着锅炉容量的增大和参数的提高，过热器和再热器的受热面积越来越大， 为此，在这些受热面的结构设计中用了一些特殊的结构，例如：并联各管和同一 根管的不同管段采用不同管径；利用管组中一根或几根管子加长或在局部位置 一分为二绕成夹持管。上述结构的采用，使得流量分配和吸热偏差规律都更为 复杂。 同时，由于锅炉容量的增大，烟道尺寸( 包括高度、宽度和深度) 也相应的 增大，因而在实际运行中，我国大容量电站锅炉中应用最广泛的四角切圆燃烧 技术所固有的炉膛出口烟温和烟速偏差问题表现的尤为突出。炉内气流右旋时 右侧烟温高，左旋时左侧烟温高。运行实践表明，这种燃烧方式的锅炉炉膛出 口及对流烟道内沿宽度方向的烟温偏差及热负荷分布要比文献【6 7 】中提出的分 布复杂的多，而且还存在着烟道高度和深度方向的烟温偏差，这样就不易用传 统的方法来计算沿烟道宽度的热力不均匀性。 1 2 3 壁温计算方法研究 超温的概念是指管壁金属温度超过其工作应力下的允许温度，而不单是氧 化温度。由于超温会迫使电站停运或降负荷运行而降低电厂的经济效益。因而 壁温计算在电站锅炉过热器和再热器的设计中是不可缺少的环节。但我们所沿 用的前苏联热力计算标准中，壁温计算方法本身就存在许多缺陷且过于复杂不 便手算，国内有些制造厂对壁温只是粗略计算，这样就不可避免出些问题。 关于壁温计算方法，除苏联1 9 5 7 年和1 9 7 3 年热力计算标准中若干论述外， 4 山东大学硕士学位论文 文献【1 6 , 1 7 , 2 4 , 2 8 】也做过比较深入的研究，为本文进行壁温计算奠定了坚实的基础。 1 3 本课题的研究内容 本课题的主要工作内容包括： l 、通过阅读大量的文献，较全面地分析了造成过热器、再热器热偏差及超 温爆管的影响因素。 2 、对于过热器和再热器并联管组的流量分配问题，在综合考虑集箱效应、 结构差异与热效流动的前提下，提出了轴向引入引出典型集箱布置型式的并联 管组流量计算方法。 3 、建立了一个过热器、再热器壁温计算较为通用的分段计算模型，对模型 中涉及的几个重要参数如角系数、炉膛辐射因子等进行了公式推导，避免了以 前通过查曲线图带来的误差，也有利于编程计算。 4 、利用本文所建立的分段计算模型，结合一台具体电站锅炉的后屏过热器 进行了壁温计算，对壁温最危险点的几何定位及壁温水平进行了相应的分析， 提出了一些具有普遍适用性的观点。 5 、为了达到利用炉外壁温预测炉内壁温的目的，本文定义了一个新的参数 过余温度吒一气- t 。，其中气为各根管子右下弯头处的管壁温度，为同管出口 处的工质温度，显然，m 。是一个与沿锅炉宽度的烟温偏差和沿锅炉宽度的工质 流量偏差有关的一个分布。 5 山东大学硕士学位论文 ! 。i m i 2 过热器、再热器热偏差和超温爆管的原因分析 2 1 过热器、再热器受热面的结构、流动、传热简述 与水冷壁和省煤器相比，过热器和再热器具有如下特点： ( 1 ) 由于过热器和再热器的出口处工质已达到其在锅炉中的最高温度，是 锅炉中金属壁温最高的受热面，所以过热器和再热器的许多部分，特别是它们 的末端部分需要采用价格较高的合金钢、甚至不锈钢。由于钢材的限制，过热 器和再热器金属的最高允许工作壁温只比设计壁温的计算值高出1 0 2 0 。 ( 2 ) 过热器与再热器管壁的冷却条件较水冷壁和省煤器差。为使管壁得到 有效冷却，必须使得管内蒸汽具有较高的流速。综合考虑管壁冷却和压降的两 个因素，通常过热器和再热器内的工质质量流速分别为：半辐射式屏式过热器， pw = 8 0 0 - 1 2 0 0 k g ( m 2 s ) ；辐射式过热器，pw = 1 0 0 0 一- - 1 5 0 0 k g ( m 2 s ) ；再热器， pw = 2 5 0 一- - 4 0 0 k g ( m 2 s ) 。 ( 3 ) 过热器和再热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化。这是由于过热 器和再热器有相当部分布置在水平烟道和尾部竖井烟道内，传热以对流换热为 主，当锅炉负荷变化时，受热面管外烟气流速和管内工质流速都将发生变化， 管内外的对流放热系数随着改变，导致管内蒸汽吸热量改变。对于再热器，由 于负荷变化时，进口蒸汽温度也同时改变，所以再热汽温随负荷变化的幅度将 比过热蒸汽大。 ( 4 ) 过热器和再热器管间的烟气流速受多种因素的影响。综合积灰、磨损 和传热三因素，通常采用较高的烟气流速，这也使得过热器的管子处于很高壁 温条件下工作。 ( 5 ) 在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器或再热器中没有蒸汽通过， 管壁会由于得不到冷却而产生爆管或烧损，因此必须设计可靠的减温减压旁路 系统和排汽系统，保证在升炉和汽轮机甩负荷时有足够的蒸汽通过过热器和再 热器，保证过热器和再热器的安全。 6 山东大学硕士学位论文 2 2 过热器、再热器的热偏差 过热器和再热器是由沿宽度方向平行排歹0 的管屏或管片组成，而每一管屏 或管片又由数量不等的沿深度方向排列的并联管圈组成。实际运行中，不同管 屏之间或不同管圈之间由于内部蒸汽流动条件、炉内烟气侧辐射和对流受热条 件的不同，其管内蒸汽温度及管壁金属温度分布存在一定差异，这种平行管中 工质焓增不均匀的现象称为热偏差。 定义过热器、再热器管组中某一管子( 偏差管) 的焓增与管组平均焓 增a i 的比值为这根管子的热偏差系数j i d ，即 j d ，笠；生生。盟五：生生生墼 ( 2 一i ) ? a i 口iq mg p q 融h 口jg p q p lh 口lg p q g 式中：蝣啸老) 、卅净分另l j 称为热负荷不均系数、结构 不均系数和流量不均系数，( = 势称为吸热不均系数。 由( 2 一1 ) 式可知，造成热偏差的主要原因有三个方面：各管屏或管子 的吸热量不同；各管屏或管子的工质流量不同；各管屏或管子的结构不同。 如果一个管组的平均进口汽温为乇，平均焓增为0 ，蒸汽比热为c ，则 平均出口汽温： r 二= t 二+ 争 ( 2 吲 如管组中某根偏差管的进口汽温比平均进口汽温高a t ，即存在进口汽温偏 差时，偏差管焓增为址p ，则其出口汽温f ：为： r h + 等= r 二“+ p 争= r 二“m 一1 ) 争 ( 2 刊 由式( 2 3 ) 可知，管组出口汽温偏差包含造成热偏差的三个因素并同时 受进口汽温偏差影响。 试验发现由若干根沿深度方向排列的并联管管圈组成的大容量锅炉的过热 山东大学硕+ 学f ) = 论文 器和再热器的同一片管屏中的各管也存在热偏差。依式( 2 一1 ) 定义，同一管 屏中的某一管子的焓增与该管屏平均焓增的比值为这根管子( 偏差管) 的同屏 热偏差。许多锅炉对流过热器和再热器管组有1 1 1 3 的同屏热偏差，而且同 屏管数量越多热偏差越大。由于同屏管圈间的热偏差往往是造成受热面局部超 温爆管的主因之一，故本课题的研究也将较多涉及到热偏差的分布规律和相关 计算。 2 2 1 热偏差的类型及其原因 ( 一) 由吸热偏差引起的热偏差 ( 1 ) 烟侧速度偏差引起的热偏差 四角切圆锅炉是我国大容量锅炉中普遍采用的一种燃烧方式。切圆燃烧的 主要特点是炉内气流旋转。燃烧旋转气流在炉内呈螺旋状上升一直到炉膛出口， 并在炉膛出口的折焰角下方横截面上形成残余旋转。当切圆为逆时针旋转时， 炉膛出口烟速右侧高于左侧，反之，则左侧高于右侧。 过热器和再热器的总吸热量q 由对流吸热幺和辐射吸热q i 两部分组成。 岛和q ，可表示为： q = q ( a d + 口，) ( 2 4 ) q f ；口，q ( a d + 口，) ( 2 5 ) 式中：、口，为烟气侧对流放热系数和辐射放热系数。 大容量锅炉的过热器和再热器一般采用顺列布置，在常见的烟温范围内， 可认为烟侧对流放热系数口d 只与烟速w 有关，即w 0 6 5 ，所以水平烟道内 烟速偏差必然导致受热面对流吸热量偏差。 ( 2 ) 烟侧烟温偏差形成的热偏差 研究表明，切圆燃烧锅炉高温烟气在炉内旋转上升经屏式过热器切割导流 作用后进入水平烟道，由于炉膛出1 ：3 烟气流动仍存在较强的扭转残余，烟道沿 宽度和高度方向存在烟气温度偏差。对于逆时针旋转切圆燃烧方式，烟气烟温 和烟速右侧高于左侧，通常最高烟温点在水平烟道右下方；而炉内切圆顺时针 8 山东大学硕士学位论文 皇鲁! 鼍皇! 鼍! ! ! 皇鼍詈詈皇皇! 鼍皇! m 一 ；一m m i n 毫詈! 皇! 寡! 詈皇! ! ! ! ! 鼍曼鼍皇! ! 皇! ! 鼍 旋转时，水平烟道左侧烟气烟温和烟速高于右侧，通常最高烟温点在水平烟道 左下方。 过热器、再热器吸收烟气的辐射热量与烟气温度是密切相关的，由于布置 在上炉膛的屏式过热器及布置在水平烟道中的对流过热器、再热器多为管片形 式，横向节距s 。比纵向节距s ：大得多，而运行中的积灰现象又使纵向间隙更为 减少，因此通常可认为对于某一管片的辐射放热系数仅受该片两侧由管片分割 而成的烟室内的烟温影响。在通常情况下，辐射放热系数与烟温有如下关系： 口，o c t l 5 5( 2 - - 6 ) 因此，烟温偏差也必然导致受热面辐射吸热量偏差。 ( 3 ) 同屏各管之间的吸热偏差 以上论述的是由于烟道宽度方向烟速和烟温不均匀造成的不同管屏之间的 吸热偏差，而实际上对于屏式过热器及布置在水平烟道中的高温对流过热器、， 再热器等悬吊式立式管屏，同一管屏中的不同管子之间的吸热量也存在很大的 偏差，实炉试验表明，同屏热偏差系 小，n u v 数p 可高达1 3 1 4 ，而造成局部 己6 0 0 o 、- 管子超温。某1 0 0 0 t h 炉【7 l 高温再热：2 - - ，5 8 0 蓑 器同屏热偏差的典型试验结果如图三三5 6 0 2 1 所示，可见在基本没有结构偏差 g 塑- - 5 1 0 和流量偏差的情况下，同屏热偏差也 5 2 0 l l ? i l ? 、- 9 山东大学硕十学位论文 ! ! ! ! ! 鼍! 鼍鼍量! 詈鼍皇! 鼍曼i 一一i | 鼍曼詈! 皇鼍! ! 曼詈詈鼍 量并非均匀分配给管片中各种不同类型的管段。 对于受到炉膛辐射或屏前烟气容积辐射的屏式过热器来说，各排管子接受 屏前辐射的角系数即该辐射被减弱的程度是不同的，因而屏式过热器各排管子 接受屏前辐射的热量不同。 ( b ) 同屏各管吸收屏间烟气辐射热量不均匀 现代大容量电站锅炉的过热器和再热器系统一般都采用顺列布置，横向节 距大于纵向节距。一般屏式过热器的总吸热量中，屏间烟气辐射热约占一半左 右，而屏中各管段吸收屏间烟气辐射的受热面积是不同的。在实际运行过程中， 由于管子表面积灰，纵向实际间隙往往因积灰而减小，故一般中间管只受到两 侧屏间烟气的辐射，而前后纵向节距不同的管子则几乎受到三面屏间烟气的辐 射。首末排管除两侧外还受到前后烟气空间的辐射，悬空管受到四面烟气的辐 射，因此外圈管、最内圈管和悬空管等管子的吸热量增大，靠近管束间小烟气 室的管段也比中间管段吸收更多的屏间烟气辐射热。 ( c ) 同屏各管吸收对流热量不均匀 烟气冲刷过热器和再热器受热面管束时，由于在管圈的后部产生一个很不 规则且目前还难以进行理论分析的旋涡分离流动区。文献【1 8 】曾对数十种计算公 式进行分析对比，对流换热强度不仅与烟气和工质的物理特性、流速及温度有 关，还受到管束的几何特性( 排列方式、管节距、管径、管排数及管子的几何 特性等因素) 的影响。 ( 二) 由于管间流量不同引起的偏差 对偏差管和平均管列出能量方程和连续方程，得到流量不均系数的基本计 算公式为： 卯；旦。立 栌苟。芳 ( 2 7 ) 式中：，厶为偏差管和平均管的流通面积；z p ，z 阿为偏差管和平均管的总 阻力系数，由沿程阻力和局部阻力组成( z = a 砉+ 亭) ；v p ，为偏差管和平 均管的管内工质比容：，l 为分配集箱和汇流集箱间的重位压头，一般远小于管 子沿程阻力；6 p p ，6 p 西为偏差管和平均管进出口静压差。 1 0 山东大学硕士学位论文 由公式( 2 7 ) 可知，引起管间流量偏差的主要因素有：管子结构； 管内工质比容；管子进出口静压差。 ( 1 ) 沿炉膛宽度各管屏之间的流量偏差 一般而言，沿炉膛宽度各管屏管子的平均长度相同，因此工质在各管屏内 的流动阻力基本相同。沿炉膛宽度各管屏之间的流量偏差主要是由以下两个因 素形成： ( a ) 进入各并联管屏的蒸汽比容不同引起流动阻力差异形成的流量偏差。 当不同管屏间具有较大的吸热偏差和流量偏差，导致出现较大的汽温偏差 时，会使各管屏中的平均蒸汽温度和平均蒸汽比容差别较大，而蒸汽比容的差 别又会进一步增加各管屏之间的流量偏差，这样就形成吸热越多的管屏流量越 小的现象，通常称为单相流体的“热效流量偏差”。 通常并联管屏之间的吸热偏差不大时，比容的偏差比较小，蒸汽压力在低 于临界压力的情况下，单相流体并联管组的热效流量偏差可忽略不计。当各并 联管屏汽温偏差较大，同时蒸汽比容对温度的变化率d r t i t 值较大时，由汽温 偏差造成的流量偏差不能忽略。 ( b ) 由于集箱中静压分布不均引起的管屏间流量偏差。 工质在集箱中的引入、引出方式会影响集箱内的压力分布。沿集箱长度， 随工质速度、重位压头和阻力损失的变化，各点的压力均有不同，进而影响与 集箱相连接管子进出口的压差，造成各管工质流量的分配不均。集箱的静压分 布与工质的引入、引出方式、集箱内径尺寸及材质等因素有关。 随锅炉容量的增加，工质流量也随之增加，但集箱直径变化相对较小，因 而集箱内工质轴向流速增大，使集箱两端最大静压差增大，从而造成很大的流 量不均匀。 ( 2 )同屏各管间的流量偏差 同屏各管间的流量偏差主要由以下几个原因形成： ( a ) 同屏各管阻力系数不同引起管间流量偏差。 同屏各管中内、外管圈长度不一，或者采用不同内径的管段组成管圈，另 外，由于汇集和分配集箱开孔受到强度条件限制，同屏各管圈具有的弯头数和 弯头角度也存在差别，这些因素造成各管之间的阻力系数不同，从而引起流量 山东大学硕士学位论文 偏差。当受热管子很长时，因长度差引起的流量偏差不大；当采用不同内径的 管段组成管圈时，其造成的流量偏差也不大；但如果锅炉结构中采用一部分同 屏管子在炉外每两根合并成一根进入出口集箱，或锅炉部分采用比平均管长得 多的夹持管用以夹持管屏，则会因各管间阻力系数相差较大而造成较大的流量 偏差。 ( b ) 由于热效流动造成管间流量偏差。 热效流动造成管屏间流量偏差已如前述，热效流动也影响管间流量偏差。 由于同屏各管吸热量不同，导致各管内工质比容不同，同屏各管的吸热偏差随 管屏并联管圈数的增加而增大，热效流动的影响也随之增大。 ( c ) 集箱中静压变化造成管间流量偏差。 当同屏各管由集箱的同一截面引入引出时，不存在由于集箱效应引起的流 量偏差：但当同屏各管由集箱不同截面引入引出时，则会因集箱中静压变化造 成管间流量偏差。 ( 3 ) 由于各管屏进口汽温不同而引起汽温偏差 对于四角切圆燃烧锅炉，由于在炉膛出口存在烟速和烟温偏差，进入尾部 烟道时，烟气折向使尾部烟道中除左右烟温偏差外，还存在前后侧的烟气偏差， 烟气偏差造成管屏进口汽温偏差。上一级管屏的汽温偏差如未消除，就会带入 下一级管屏，使两级受热面的热偏差相互叠加。 ( 4 ) 由于过热器、再热器设计不合理引起的汽温偏差 ( a ) 前级过热器或再热器与后级管组之间的蒸汽未通过中间集箱或导气管 交叉混合，使前级管组出口沿烟道宽度方向的汽温偏差与本级管组的吸热偏差 叠加起来。 ( b ) 某些大容量锅炉过热器系统分左右两个回路，但其出口集箱往往仅采 用一个总汇集集箱，如该集箱由单侧引出，会产生很大的集箱效应而造成左右 回路和左右管组之间的流量偏差。 ( c ) 喷水减温系统设计和运行的不当： 某些锅炉仅采用一个喷水调节阀调节左右两个过热器回路的喷水总 量，当左右两侧燃烧工况和汽温有较大偏差时，无法通过分别调节左右侧喷水 量来平衡两侧汽温。 1 2 山东大学硕士学位论文 对于汽包锅炉，炉内燃烧、沾污条件变化及热力系统高压加热器投入 与否等都会引起减温水总量变化，如锅炉过热器系统配有二级喷水减温器，运 行中第二级喷水量过大，则所有二级喷水点之间所有管组内蒸汽温度都会很高。 而直流锅炉没有固定的开始蒸发点和过热器受热面积，一定负荷下给水流量和 喷水量的比例可在较大范围内变化而保持出口蒸汽温度不变，但运行中调节不 当也会发生末级喷水减温水流量过大的情况。 过热器喷水阀调节性能不良也会使运行人员无法保持较小的末级喷水 量，从而产生对过热器不利的工况。 某些锅炉屏式过热器进出口集箱间以焊接隔板分隔，隔板与集箱间存 在间隙时会使部分蒸汽短路，不流过受热面管子，从而使管子产生超温。 2 2 2 热偏差与超温爆管 过热器、再热器内的工质温度都很高，而且多布置在烟温较高的区域内， 工作条件非常恶劣，受热面管壁温度已接近金属材料的极限使用温度。尽管常 规运行下锅炉出口过热汽温和再热汽温通过汽温调节和交叉混合后保持额定汽 温值，但由于热偏差的存在，必然有部分管内蒸汽温度已超过额定汽温值，而 部分管内工质温度却未达到额定值，受热面管圈之间管内蒸汽温度分布及管壁 金属温度分布存在一定的差异，在一定的设计条件或运行条件下，这种差异若 被放大或总体温度水平严重偏离额定值，就会引起过热器和再热器管圈的局部 超温爆管。 形成局部超温的原因主要有：烟气侧偏差，过热器、再热器及集箱系统设 计不合理导致各管片间管内蒸汽流量与吸热量不能匹配，同屏管子间蒸汽流量 与吸热量不匹配等。 超温可分长期超温和短期超温两大类。短期超温指金属在较短的时间内超 过额定温度运行，长期超温则是指金属长期地在超过额定温度的温度下运行。 过热也可分为长期过热和短期过热。长期过热是指金属在应力和超温温度 的长期作用下导致爆管。短期过热则是指在短期内由于温度升高而在应力作用 下爆破，其超温水平较高，通常超过钢的临界点温度，因而会发生相变。 热偏差是导致长期过热的主要原因，热力计算错误、错用钢材和异物堵塞 山东大学硕士学位论文 也是造成长期过热的原因，而超温还会造成管子内外壁氧化皮增厚，使壁温进 一步升高。短期过热是一个突发的过程，管子金属在很高的超温温度下因内部 介质的压力作用而爆裂。短期过热通常发生在水冷壁管、过热器和再热器的向 火面。 统计资料表明，我国火力发电机组的停运事故大部分是由锅炉引起，而锅 炉事故中又有很大比例是由过热器和再热器的超温爆管引起。并且随锅炉容量 增大，超温爆管事故呈增多趋势，影响了锅炉的安全性，对机组运行的经济性 影响也很大。某些电厂为避免发生过热器、再热器超温爆管，不得不降温5 1 0 。c 运行，而主蒸汽温度和再热蒸汽温