再热器壁温高温计算

锅炉高温再热器壁温计算

1、背景及意义

近年来，我国火力发电机组逐渐向大容量、高参数方向发展。在电站锅炉的运行故障中受热面管子爆漏问题一直占据首位，电站锅炉受热面管子爆漏是妨碍机组安全运行的重要因素，占锅炉事故的50%以上，1996年我国火电事故的统计表明电站锅炉受热面管子爆漏占全部锅炉事故的72.2%,其中过热器再热器占36.9%[1]。

近年来通过不断加强受热面管子爆漏的综合治理，电站锅炉爆漏失效次数虽然持续下降但仍然维持在一个较高的水平，这一问题早期出现于国产125MW机组锅炉，后来在国产200MW和300MW机组锅炉以及个别进口锅炉的过热器与再热器中都相继发生，如1978 年投运的广东黄浦发电厂400t/h箱式油炉低温过热器的悬吊管曾发生超温问题，个别管圈的出口汽温达到600，淮北电厂DG670/140-4型锅炉高温再热器由于其集箱引出管的布置方式不合理而造成受热面多次超温爆管，谏壁电厂姚孟电厂和望亭电厂等的国产1000t/h直流锅炉的高温过热器与再热器以及陡河电厂日本日立公司设计制造的250MW机组的亚临界850t/h自然循环锅炉的高温过热器都曾因同屏各管圈的结构设计不合理导致受热面多次发生超温爆管[2]。

进入20世纪80年代以后随着按引进美国CE公司技术设计制造的300MW和600MW 机组控制循环锅炉及同类进口锅炉的成批投运，这些锅炉的再热器系统也普遍发生了由烟温偏差及再热器系统设计不合理引起的汽温偏差与超温爆管问题，例如：按引进技术设计制造的第一台300MW机组控制循环锅炉石横电厂5号炉自1987年6月投运后3年内其末级再热器多次发生超温爆管事故。而按引进技术设计制造的第一台600MW机组控制循环锅炉平圩电厂1号炉自1989年11月投运后其过热器出口两侧汽温一直存在较大的偏差，华能福州电厂从日本三菱公司进口的350MW 机组锅炉第二级再热器也曾发生超温爆管事故。随着机组容量的不断增大，锅炉蒸汽参数的不断提高，旧机组服役时间的增加以及新机组投产量和参数的提高，这类事故还有逐年上升的趋势，严重影响了电站系统的安全、经济运行。因此，研究高温再热器壁温校核计算就具有非常重要的工程意义。

2、国内研究现状

关于壁温的计算，目前国内仍主要依据原苏联《锅炉机组热力计算标准方法》[3~5]所推荐的壁温计算方法，由于实际运行的复杂性和负荷的多边性此方法不能够正确而连续的反映出屏中每根管子的壁温分布情况。而国际上对锅炉温度偏差的研究较少。CE公司提交给国内的引进资料和计算方法中，也没有充分反映出对偏差问题的考虑。美国在自己的电站锅炉设计中，过热器和再热器管子大量采用奥氏体不锈钢，耐高温裕度相当大，所以温度偏差问题一直被掩盖着。对于引进型锅炉在中国所暴露出来的温度偏差和再热器超温爆管问题，CE公司未能提出完善的解决办法。后来该公司实施了一项GSEI(Gas Side Energy

Imbalance)计划，试图来解决烟气侧的热偏差，但研究的内容和深度都有限。其它外国公司和研究机构在这方面所做的工作就更少见报导。

多年来，国内锅炉技术界对上述偏差问题，已开展过一些研究工作，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。对于沿宽度热偏差的问题陈之航教授等早在70年代就进行了研究[9~10]，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300MW 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。王孟浩等高级工程师又提出了同屏(片)热偏差的理论及相应的计算方法[8~9]，并且成功解决了陡河电厂日本日立850t/h 锅炉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[10]。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。

3、本文研究内容及方法

本文着重研究高温再热器壁温计算，再热器出口管组结构见图1。取A 点为进口处，B 点为出口处，1为截面1选取位置，2为截面2选取位置。参照锅炉机组热力计算标方法中所提供的计算方法展开计算，受热面的壁温cT t 是在确定了壁温校核点的蒸汽平均温度t 、最大温度超过平均温度的值T t ∆、热散漫系数μ和最大单位吸热量c q max 的基础上，最后计算得出的。首先是根据结构数据计算得出烟气通流截面积11**n l d AB F r -=、蒸汽通流截面

积 ， 再对应选取的断面1断面2计算断面1前管组的受热面积111**n l d H π=、断面2前管组的受热面积122**n l d H π=，然后根据（1-1）确定计算管段的对流吸热量dx Q ,即：

(1-1)

式中k——计算传热系数，W/(m².K)；

p t ∆——平均温压，℃；

P B ——燃料消耗量，kg/s 。

4

2N d f n 内π=p x

p dx B H t k Q ∆=

最终按照热力计算标准中提供的公式(1-2)，计算管壁金属温度。 即：

(1-2)

式中δ——管子厚度，m ；

M λ——管壁金属导热系数，kW/㎡℃；

β——内外径之比； 2α——管壁对蒸汽的放热系数， kW/㎡℃。

12

图1 再热器出口管组示意简图 )111(

2max αβλδβμ++⨯+∆+=M c T cT q t t t