大容量电站锅炉过热器再热器温度偏差原因及防止对策

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1、199 2年第3期锅炉技术大容量电站锅炉过热器再热器温度偏差原因及防止对策上 海发电设备 成套设计研 究所王孟浩【内容提要】本文分析了 电站锅炉 过热器、再热器发 生超温爆 管的各种 原因,并提出了防止汽温偏差过 大的对策.文 中总结了多年 来在解决电站 锅炉 过、再热器超 温方面的科研成果,并列举了若干国产及进 i大容量 电站 锅炉 过、再热器超 温爆 管问题的实例 及解决办法。关键词:过热器再热器汽 温偏差前言近年来,电站锅炉运行中事故发生最多的仍旧是四管爆破,即水冷壁、省煤器、过热器和再热器的管子爆破。如果说水冷壁 和省煤器的爆管问题主要是管子原材料和焊接方面的缺陷所造成的,那末过热器和

2、再热器的爆管问题大多是 由于设计计算 方法不 完善,使一部分管子长期超温运行所致。在过、再热器发生爆管的同时,往往还会发现邻近有一大片区域的管子发生不同程度的涨粗、氧化、减薄和金相组织改变等超 温间题。如简单地将爆管处修复,则在以后的运行中还会继续超温。许多电 厂在发现过热器或再热器超温爆管后不得不作降温运行,这样就降低了运行的经济性。还有些锅炉即使降温515 oC运行仍不能彻底解决其超温问题。所以在四管爆破中以过热器和再热器的超温爆管间题最为严重。随着电站锅炉容量的日益增大,锅炉的结构更趋复杂,这类事故也有增多的趋势。而且在一些总体质量很好的进口大容量电站锅炉上也发现有过热器和再热器的超温爆

3、管事故。可见这个问题在技术上是相当复杂的。本文用若干实例总结多年来在这方面的试验研究工作,分析造成过热器、再热器超温爆管的主要原因,并提出改进的对策。汽温偏差 和热偏差过、再热器管组中某一根管子的 烙 增(每千克蒸汽所吸收的热量)与该管组平均焙增之比称为热偏差系数乙。在同一片管屏 中的热偏差称为同屏热偏差。造成热偏差的原因可能有:1.各管的吸热量不同,2.各管的蒸汽流量不 同,3.各管的进口汽温不同。其 中各管吸热量的不同又可分为(la ),各管的受热长度不 同和(lb )各管单位长度的热负荷不同。心. .i,q.o.q川_Q。,G,一一口万一.否扁二Ho.,G一J万一,G二。勺,刃I勺l(1

4、)式中,一箫称为热负荷偏差系数,一今芳称为结构偏差系数,:一夸称为流量偏差系数。而吸热偏差系数勺Q=Q二Q, ,锅炉技木19今2年第3期热偏差系数 (即包括了上述三种偏差 系数。如果一个管组的平均进口汽温为tpj ,平均焙增为jpj,蒸汽比热为c,则平均出口汽温t l lpj为:tl l,了=t,J+z,夕心OC)(2)管组中某根偏差管的进口汽温比平均进口汽温高t,吸热量为i。,则其出口汽温t气a,为:t”。a,=t,+t,十全丛竺目一,。,+,r哗二钾丝(。e)因此当一台磨煤机需要检修而切换另一台磨煤机运行时,沿宽度最大吸热管屏的位置也随之而变化。有些 国外公司的计算规范中对切向燃烧方式的沿

5、烟道宽度吸热偏差系数定为1.12,而且其中还包括沿烟道宽度各屏 间的流量偏差在内,我们认为是不够的,这样计算的结果会使设计趋于危险,即实 际运行时有可郁发生超温现象。特别是有些设计中几级过热器之间没有交叉混合,或者二级再热器管子直接连接而不设 中间集箱,都会使吸热偏差的作用叠加起来。如图1即为某300MW机组屏及对流再热器(受热管直接连接)出口沿宽度的单管汽温分布图(未经改进以前)。 单!。 少(3)(a c 石阅I式(3)中包含了上 述四种偏差因素。其中热偏差 系数乙代表吸热和 流量方面的 三种因素,t代表进口汽温的偏差。由吸热偏 差所引起 的热偏差1.沿烟道宽度各片屏 之间的吸热(热负荷)

6、偏差 我们经过数十台容量 自13Ot /h (配25MW机组)到IO00t/h(配30 0MW机组)电站锅炉的实炉测量,得到的结果是切向燃烧方式的大容量 电站 锅炉,过热器和 再热器的沿烟道宽度的热负荷偏差系数勺r一般为1.1 51.25之间。当燃烧工况不 良和炉膛内空气动力场组织不良时,、值可能高达1.3一1.4以上。前后墙燃烧方式的过、再热 器刀,值为1、1 5 左右。两种燃烧方式在沿宽度热负荷偏差方面另一个差别在于沿烟道 宽 度 的 热偏差图形,切 向燃烧时热偏差的图形基本上是固定的,不随锅炉负荷的大小和燃烧器的投入情况而变化。因此最大吸热管屏的位置也是基本上不变的。而前后墙燃烧时热偏差

7、 的图形会随所投入燃烧器的情况而变化。10203 040506 f)介户村七I图1某3 0OMW机组锅炉屏及对流再热器沿烟道宽度单管 出口汽温分布图2.同屏(片)各管之 间的吸热偏差这种 吸热偏差包括同屏(片)各管之 间的热负荷偏差和受热长度偏差。从6 0年代开始,我们发现屏式过热器同屏各管之间存在巨大的热偏差。北京热电厂一台苏制的4 2Ot /h锅炉后屏过热器外圈管的同屏热偏差系数乙高达1.7以上,造成屡屡爆管。7 0年代又发现对流过热器和再热器管组也有1.1一1.3的同片热偏差系数,而且也是外圈管的温度水平高。同屏(片)管数愈多则偏差愈大,例如7套管的高温再热器乙值达到1.3,而34套管的

8、高温过热器乙值一般 为1.15左 右。以前我们一直沿用苏联的热力计算标准计算19 92年第3期锅沪技术过热器和再热器的汽温和管壁温度,但在以前苏联的热力计算标准 中基本上没有考虑同屏(片)各管之间的热偏差。所以许多锅炉的过热器和再热器发生了超温。同屏 吸热偏差的机理很复杂,我们经过多年的试验研究和理论分析,摸清了其发生的原因,并提出了计算方法和解决的措施,简单地说,造成同屏(片)吸热偏差的原因有下列 几个方面:(1)管组前和管组后的烟气容积(包 括管组前的炉膛火焰),对同屏各管的辐射角系数和辐射热量有很大的偏差。面对这种烟气或火焰辐射第一排管子所受到的辐射热量最大,后面 几排就急剧地递降下来。

9、(2)现代大容量电站锅炉过热器和再热器管组结构上 的共同特点是横向节距S:大,而纵 向节距S:小,而且管片上下行程之间的节距S:S:(见图2)。由于S:较小,所以纵向管子与管子 之间的积灰较多,加上S,较大,所以屏间烟气辐射的换热量在总换热量中占很大的比例。这样,中间管(图2中B)与两面节距不等的管子(图2中C)在接受屏间烟气辐射热量方面就存在较大的差别。另外,用来夹紧管屏的贴着管屏侧面的管段和用来使各管屏定位的悬空的管段等在吸收屏间烟气辐射热量方面,都具有不同的角系数。(3)也正是由于上述这些特点,使同屏(片)各管的对流吸热量也有较大 的偏差。例如在图2中,A管和C管的对流吸热量比处于 中间

10、的B管为大。(4)同屏各管的受热长度不同(结 构偏差)也使它们的吸热量具有偏差。根据我们多年研究所制订的一套计算方法对许多锅炉的计算结果与实测值相当吻合(见图3 af ,其中包括国产和进口的 容 量 为1 20t /h10 00 t/h燃煤和燃油的锅炉、有自然循环锅炉、也有直流锅炉,管组型式包括大屏、后屏、高温过热器和高温再热器)。有了 准确的计算同屏(片)热偏差的方法就能够在设计A一A一令拟抽令令今由今令图2过热器和再热器管组 节距阶段就进行可靠性计算并可以有把握地进行结构改进,以减小同屏(片)热偏差,提高锅炉的可靠性。由流 量偏差 所 引起的热偏差1.由并联各管长度或管子的内径不同所造成的

11、流量偏差一般来说,沿烟道宽度各片屏的平均长度是相同的,同屏各管中外圈管与内圈管的长度差别也是不大的。由式(4 ) 可以看出,管径相同时,如偏差管比平均管长1 0 %,则其流量大致比平均管小5%左右,所以一般 同屏各管的流量偏差是不大的。孵了不(斗)式中:场,lm a二平均管和 偏 差管的长度。当采用不同内径的管段组成管圈时,所造成的流量偏差一般也不大。但近年来我们锅炉技木1992年姗3期浅帐上f,642,占司 .二JJ.几 同热屏偏差系数11,. e e.ll注., 一八UL归同屏热偏差系数套6.8O乡0.名又一、口 七.工 621162126313呼同屏管子序号尸a )北 京热电厂42 0

12、t /h超高压锅炉后屏(燃 煤、苏联制造)丈357911131516同屏 管子序号b )望亭电厂1 20t/ h中压锅炉大屏(燃油.匈牙利制造)!一容1.8必丈1 . 6卜.1 . 21 . 0屏热同偏差系数考0.91 . 0M0 . 6159131720,间屏管子序号c)姚孟电厂1000t/h直流锅炉后屏(燃煤,国产 )0 .全一护咭一贪觉广奋丫犷滋同屏管子序号d)谏璧 电厂村0 t/h高压锅炉后屏(燃煤,国产 )、 屯屯屯屯屯屯屯屯 人人人人人人人户户叭叭叭叭叭叭叭支支 以以以以以以以笋笋 飞飞飞触触,、公公_ !犷犷 1 1 1 1 1. 乙之之次净系系厂厂L L L L L L L L

13、 L一卜气 全全全致致。, ,子子入入入入,. , , , , 六六 咚咚动介、 少少尸尸 心之绝绝罗罗 / / / / / / / / /片同热偏差系数阅片热差偏系数;同片管子序 号23卜 刁); 亏 飞r)补号. ) 谏璧 电厂卫O加t /h直流锅炉 高温再热 器(燃 煤、国产 )f )姚孟电厂I00 0t声直流锅炉高温过热器( 燃煤、国产)注:为 计算值;一 一一一为实测值或实测值范围.图3电站锅炉同屏(片)各管热偏差的实测值的比较1992年第3期锅护技术发现在有些进口电站锅炉的结构中采用一部分同屏管子(不是全部管子)在炉外每两根合并成一根进入出口集箱,还有的采用比平均管长得多的夹持管作

14、夹紧管屏 之 用(如图6 )。在这两种情况下就可能造成较大的流量偏差。经计算,有的流量偏差达到10 3 0%(即勺,=0.7一0.9)。2.由集箱中静压变化太大引起的流量偏差不少电站锅炉的过热器和再热器管组的进 出口集箱直径设计得太小或引入引出方式布置不当,发生了由于蒸汽在集箱中流动时静压变化太大而造成的巨大流量偏差。这种流量偏差的大小主要与下列三个因素有关:(1)平均管的压 降P o。八P。相对愈大则流量偏差愈小;(2)进、出口集箱两端的静压差P t从和八 p产。p产和P产相对于p。愈大则流量偏差愈大,(3)集箱引入和引出的方式,例如Z型布置的流量偏差比U型布置为大。在屏式过热器中,由于一片

15、屏中的并联管数不会太多,故不会发生大的流量偏差。但是在沿烟道宽度方向过热器的管子数目很多时,如集箱口径设计得过小(特别是 出口集箱),则容易产生大的流量偏差。设计中应该特别注 意的是再热器。由于再热器的流动阻力受到电厂循环效率方面的限制,只能设计得比较小,而再热器中的汽压低,蒸汽比容大,集箱中的静压变化很可能比较 大(相对于 p。叮言)。由此就会造成大的沿烟道宽度的 流量偏差。例如在国产 黄 埔电厂4 00 t/h箱 式 油炉的第一级过热器中;谏壁 电厂功OOt /h直流锅炉的低温级再热器中;以及淮北电厂67Ot /h自然循环锅炉的高温级再热器中都发生 过这种情况而导致严重超温,甚 至爆管。电

16、厂实炉试验结果与所研究的集箱 内静压分布的规律是相当吻合的。这几台锅炉最后根据不 同的具体情况作了不 同的改进方式。黄埔电厂400t /h箱式油炉第一级过热器的主要间题是出口集箱直径太小,加上悬吊管与受热面管子的数目及管径都相 同,且连接在同一对进 出口集箱之间,然而受热面管子的长度却是悬 吊管的一倍,这两个因素造成了 同屏各管之间巨大的流 量偏差,受热面管子的出口汽温大大高于悬 吊管。而且第一级过热器中的蒸汽处于微过热区。该区域中的蒸汽具有比容随温度的变化大的特点(即d v/d r大)。因此汽温的偏差又进一步加剧了流量偏差,使并联各管的出口汽温偏差更大。实测结果在过热器平均出口汽温为420 oC时,最高单管出口汽温 竟高达61SOC。改进的方法是增大出口集箱 的直径,同时在悬吊管 中加装节流圈。谏壁电厂1 00 0t /h锅炉低温再热器的主要问题是采用 了Z型集箱