过热器运行问题-热偏差及壁温计算

第二节 过热器壁温计算
锅炉过热器、再热器爆管是造成火电机组非正
常停机的重要原因之一，严重影响了火电机组的安全、经济运行，而且过热器、再热器管的失效在大型电站中具有一定的普遍性。

过热器的失效类型主要有短期超温、长期超温、氧化减薄、高温腐蚀等，诸多失效形式均与过热器壁温状况有着直接或间接的关系。

对于工作在高温状态下的过热器、再热器而言，控制其管壁超温是运行中的首要任务。

一、温度计算公式
过热器和再热器受热面管子能长期安全工作的首要条件是管壁温度不能超过金属最高允许温度。

过热器和再热器管壁平均温度的计算公式为：
max q t t t gz g b μ+∆+=β()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++λβδα112 式中 b t —管壁平均温度，ºC ；
gz t —管内工质的温度，ºC ；
gz t ∆—考虑管间工质温度偏离平均值的偏差，ºC ；
μ—热量均流系数；
β—管子外径与内径之比；
m ax q —热负荷最大管排的管外最大热流密度，kw/m 2；
2α—管子内壁与工质间的放热系数，kw/m 2.ºC ；
δ—管壁厚度，m ；
λ—管壁金属的导热系数，kw/m..º
C 。

二、壁温影响因素
(1)工质温度：过热器和再热器任何部位的管壁超温都会威胁到整台机组的安全，为了使整台机组的过热器、再热器壁温不超温，运行中整体汽温的保持是非常重要的。

除此之外，各平列出口的工质温度差别越小对过热器、再热器的壁温安全越有利；
(2)热偏差：壁温最高的位置是热偏差最大的位置。

当过热器、再热器温度处于正常水平时，但整个区域存在诸多不均匀因素，也会造成过热器、再热器局部壁温过高，影响过热器、再热器的安全性；
第二节 过热器热偏差
一、热偏差概念
从上式可，管内工质温度和受热面热负荷越高，管壁温度越高；工质放热系数越高，管壁温度越低。

由于过热器和再热器中工质的温度高，受热面的热负荷高，而蒸汽的放热系数较小，因此过热器和再热器是锅炉受热面中金属工作温度最高、工作条件最差的受热面，管壁温度接近管子钢材的最高允许温度，必须避免个别管子由于设计不良或运行不当而超温损坏。

过热器（再热器）由许多平行的管子组成，由于管子结构尺寸、管子热负荷和内部阻力系数等可能不同，不同管中蒸汽的焓增可能不同，这一现象称为过热器（再热器）的热偏差。

热偏差系数（或简称为热偏差）用φ表示，它的定义为：
φ=pj p i i ΔΔ=pj pj p p i i i i 1212--
式中 p i Δ—平行管中偏差管（通常是指平行管中焓增偏大的管子）内工质的焓增，kJ/kg ；
pj i Δ —整个平行管组中工质的平均焓增，kJ/kg 。

允许的热偏差是根据受热面工作的具体条件确定的，由于过热器管子工作在接近材料的最高允许温度下，允许的热偏差不应超过过热器总吸热量的15%。

工质的焓值由管外壁所受热负荷、受热面面积和管内工质流量决定。

偏差管中工质的焓值为： P p
p p G A q i =Δ
平行管组中工质的平均焓增为：
pj pj pj pj G A q i =Δ
则热偏差系数为：
φG A q p pj pj pj
p p G A q G A q ηηη==
式中 pj p q q q η=：吸热不均匀系数； pj p A A A η=—结构不均匀系数；pj
p G G G η=—流量不均匀系数。

由式此可见，过热器的热偏差决定于管子的结构特性、热力特性和水力特性。

对流式和壁式过热器各平行管的直径和长度基本相同，受热面面积相同，结构不均匀系数为1；屏式过热器U 形管圈的内外圈长度不同，结构不均匀系数可达1.02，但通过采用一定的措施，可使结构不均匀系数约等于1。

因此，造成热偏差的主要原因为吸热不均匀与流量不均匀。

二、热偏差分析
1、吸热不均匀
管外壁热流密度不均匀直接导致过热器平行管子之间的吸热不均匀，管外壁热流密度由高温烟气与管壁间的温差及传热系数决定，而烟气温度直接影响温差、烟气流速是影响传热系数的主要因素，因此，烟道内烟气温度场与烟气速度场的不均匀是造成吸热不均匀的主要原因。

在锅炉运行中，多种因素会引起烟气温度场与速度场的不均匀：
(1)锅炉炉膛中烟气温度场与速度场本身的不均匀。

由于炉膛四周布满水冷壁，靠近炉壁的烟温比炉膛中部的烟温低，布置在炉壁的辐射式过热器沿宽度的吸热不均匀可达30%~40%，同时由于壁面阻力大，炉膛中部的烟气流速较炉壁附近高。

进入烟道后，烟气温度场与速度场仍保持中部较高、两侧较低的分布情况。

沿宽度的吸热不均匀系数可达
1.2~1.3。

(2)炉膛出口处存在烟气流的扭转残余。

燃烧器四角布置燃烧锅炉，整个炉膛内是一个旋转上升的大火炬，在炉膛出口处，烟气仍有旋转，两侧的烟温与流速存在较大差别，烟温差可达100ºC 以上，这就是所谓的“扭转残余”。

烟气流的扭转残余会导致进入烟道内的烟气温度和流速的分布不均匀，在炉膛上部布置大节距分隔屏或将最上层三次风以与一、二次风旋转方向相反的反向切圆布置，可以减少炉膛出口的扭转残余，从而减少吸热不均匀。

3）过热器管排的横向节距不均匀。

在横向节距较大处，管排间有较大的烟气流通截面，形成烟气走廊。

该处由于烟气流通阻力小，烟速增加，对流传热增强，且由于烟气走廊具有较厚的辐射层厚度，使辐射吸热也增强，而其它部分管子吸热相对减少，造成吸热不均。

(4）过热器局部结渣或积灰。

当过热器局部结渣或积灰严重时，会造成局部烟道阻塞，从而导致烟速分布不均。

(5）管圈辐射暴光系数不均匀。

屏式过热器由于屏内个管圈接受炉膛辐射热时暴光不均匀，吸热量有较大的区别。

(6）运行操作不当。

当锅炉运行操作不当时，会引起炉内温度场和速度场的不均匀。

2、流量不均匀
影响并联管子间流量不均匀的因素很多，例如联箱连接的方式不同、并行管圈间重位压头的不同和管径及长度的差异、吸热不均等。

过热器连接方式不同会引起并联管圈进出口端静压的差异。

实际应用中，多采用从联箱两端引入和引出，以及从联箱中间径向单管或双管引入和
引出的连接方式，这种连接方式具有管道系统简单、蒸汽混合均匀和便于安装喷水减温器等优点。

但是，即使沿联箱长度各点的静压相同，也会产生流量不均。

对于过热蒸汽，流量不均匀系数为：p p pj pj pj p G υK υK G G η== （6-7）
式中 K —管子的折算阻力系数；
υ—管内蒸汽的平均比容。

从式（6-7）可见，即使管圈之间的阻力系数相同（pj p K K =），即各平行管子的长度、内径、粗糙度相同，由于吸热不均匀引起的工质比容的差别也会导致流量不均。

吸热量大的管子，管内工质的比容也大，管内工质流量就小。

因此，过热器并联管子中吸热量大的管子，其热负荷较高，工质流量较小，工质焓增增大，管子出口工质温度和壁温升高，更加大了管间的热偏差。

假定经过混合后，管组各管圈进口处工质的参数是均匀的，当热偏差系数φ一定时，偏差管出口处的焓与平均值之差（pj p i i 22-）与管组的平均焓增pj i Δ成正比。

即当热偏差系数一定时，管组的平均焓增越大，各管圈出口处工质温度偏差也越大。

3、同屏热偏差
在我国锅炉过热器和再热器试验中，发现过热器和再热器对流受热面存在不同程度的同片管屏中个管间的热偏差，有的热偏差系数高达1.3~1.4而造成局部管子超温。

引起过热器同屏热偏差的主要原因有：管束前后烟气容积对各管排的辐射热量不均匀；同屏各管接受管间辐射热量不均匀；同屏各管吸收对流热量不均匀；管间积灰的影响。

三、减轻热偏差的措施
由于工质吸热不均和流量不均的影响，使过热器管组中各管的焓增不同而造成热偏差。

从结构设计和运行中采取各项措施可有效地减少过热器管子间的热偏差，但是要完全消除热偏差是不可能的，只能将热偏差减轻到容许的程度。

为有效减少热偏差，中国电力大别山发电公司采用了下列合理的措施：
1)设计时采用合适的炉膛尺寸，合理组织炉内空气动力场，保证炉内空气动力场良好，以减少烟气侧的偏差。

2)燃烧器沿炉宽方向均匀对称布置在前后墙上，对冲燃烧，均匀送风，保证沿炉膛宽度热负荷均匀分布，可保证炉膛出口烟温分布较均匀，从而也可减少烟气侧热力偏差。

3)各级过热器、再热器的连接采用合理的引入引出方式。

过热器系统、再热器系统各有一次左右交叉，即屏式过热器出口与末级过热器之间、低温再热器出口与高温再热器之间各进行了一次左右交叉。

4)各级过热器、再热器之间的连接也采用了大管道连接，使蒸汽能充分混合。

引入引出管尽量对称布置，减少静压差，使流量分配均匀，减少汽温偏差。

5)合理选用各级受热面管子的规格,取得与热负荷相适应的蒸汽流量。

即使同一级的过热器，管子规格也根据结构和所处的位置不同而有所不同。

如低温再热器水平管组根据在蒸汽流程中的不同的位置和温度变化情况采用了不同的管子直径和材料，使受热面管材的布置更为合理。

5)再热器汽温的调节靠尾部烟气挡板调节。

通过烟气挡板开度的大小来调节通过尾部后竖井低温再热器的烟气流量，从而达到调节再热汽温的目的。

同时，在低温再热器进口管段上设有事故喷水，低温再热器至高温再热器管段上设有微调喷水。

6)合理设计屏的结构，如采取换位、不等长、不等径等措施，并计算每一根管的焓增，使各管间焓增差最小。