超临界锅炉过热器\\再热器的汽温特性及调节分析
摘要：本文对直流锅炉的过热器、再热器汽温特性、变化特点、汽温调节进行了简要分析，并结合我厂实际情况阐述锅炉汽温偏差产生的原因，提出超临界压力锅炉运行中应关注的问题，与电力同仁共勉。
关 键 词：直流锅炉超临界过热器再热器汽温
21世纪以来，为了提高锅炉效率，最大限度的降低能源消耗，电站锅炉逐步向超临界锅炉方向发展。超临界锅炉的汽温特性与传统的汽包炉汽温特性有明显的不同，汽温过高将引起管壁超温、金属蠕变寿命降低，会影响机组的安全性；汽温过低将引起循环热效率的降低。根据计算，过热器在超温10～20℃下长期工作，其寿命将缩短一半以上；汽温每降低10℃，循环热效率降低0.5%，而且汽温过低，会使汽轮机排汽湿度增加，从而影响汽轮机未级叶片的安全工作。通常规定蒸汽温度与额定温度的偏差值在-10～+5℃范围内。下面对直流锅炉的汽温特性进行分析，不断摸索调整汽温的最佳手段，控制汽温在允许范围内，保证锅炉安全运行。
一、 过热器或再热器汽温特性
1、过热器或再热器出口汽温随锅炉负荷的变化规律称为过热器或再热器的汽温特性。过热器的汽温特性如图1-1所示。
图1-1 过热器的汽温特性
l―辐射式过热器；2、3―对流式过热器 23
随着锅炉负荷的变化，辐射式过热器的汽温特性与对流式过热器相反。当锅炉负荷增加时，燃料消耗量和过热器中蒸汽的流量都相应增大，由于炉内火焰温度变化不大，辐射式过热器吸收的炉膛辐射热增大不多，相对于每干克蒸汽的辐射吸热量反而减小，因此辐射式过热器的出口汽温随锅炉负荷的增大而降低。辐射式过热器的汽温特性见图1-1中的曲线1。当锅炉负荷增大时，燃料消耗量增大，烟气流速增大，烟温升高、对流传热量增加，相对于每千克蒸汽的对流吸热量增加，因此对流式过热器的出门汽温随锅炉负荷的增大而增大。对流式过热器的汽温特性见图1-1中曲线2、3，过热器离炉膛越远，过热器进口烟温越低，烟气对过热器的辐射换热份额越少，汽温随负荷增加而上升的趋势更加明显。因此曲线3比曲线2更陡些。由于屏式过热器以炉内辐射和烟气对流两种方式吸热，因此屏式过热器的汽温特性将稍微平稳些。高压、超高压锅炉过热器由辐射式、半辐射式及对流式过热段组成，由于辐射吸热份额不大，整个过热器的汽温特性为对流式。
再热器的汽温特性与过热器的汽温特性相似。由于再热器的进口汽温随汽轮机负荷降低而降低，因此再热器需要吸收更多的热量；另外，由于再热器布置在较低烟温区，并且再热蒸汽的比热容较小，因此再热汽温的波动较过热汽温较大。
二、直流锅炉汽温变化特点
直流锅炉无汽包，加热、蒸发和过热各区段之间无固定界限，是随工况的变化而变化的。在稳定工况下直流锅炉的蒸发量D等于给水量G。因此直流锅炉过热汽温变化比较复杂，而且在某种程度上与汽包炉中的过热汽温的变化刚好相反。
在锅炉热负荷和其他条件都不变时，若给水量增加，直流锅炉的蒸发量增加，加热段和蒸发段的长度增加，过热汽温则因过热段的长度缩短而降低；反之，给水量减少，过热汽温上升。同样可分析，在给水量和其他条件都不变时，增加燃料量，蒸发量不变，过热汽温上升；减少燃料量则过热汽温下降。由此可见，燃料量与给水量的比值，即燃水比变化时，直流锅炉过热器出口汽温发生显著变动。因此，在运行中热负荷与给水量必须很好地配合，也就是要保持准确的燃水比。只要保持适当的燃水比，直流锅炉就可以在任何负荷。任何工况下维持一定的过热汽温。这一特性与自然循环锅炉有明显的区别，汽包锅炉过热汽温的变化与给水量无直接关系，给水量是根据汽包水位变化来调节的。
直流锅炉当负荷增加时，若燃料量与给水量按同一百分比增加，即燃水比不变，则工质在辐射区少吸收的热量可由对流区多吸收的热量来补偿，过热器出口蒸汽的温度可近似不变。
负荷不变而给水温度变化也会对直流锅炉过热汽温产生很大的影响，给水温度降低时，加热段的长度加长，蒸发段的长度几乎不变，使过热段的长度缩短，过热汽温下降。此时必须改变原有的燃水比，增加燃料量，也即采用较高的燃水比，才能维持过热汽温为额定值。
过量空气系数增大时，因排烟损失增加，锅炉效率降低，这时，如给水温度和燃水比不变，则过热器出口过热汽温是下降的。
燃煤中的水分和灰分增加，燃料在炉内总放热量减小，在其他参数不变的情况下，过热段缩短，直流锅炉过热汽温将下降。
直流锅炉炉内火焰中心下移，炉膛水冷壁多吸收的热量被对流受热面吸热量减少所补偿，过热汽温可近乎不变；若炉膛水冷壁与过热器受热面结焦或积灰，受热面减少，均使过热汽温下降。
三、直流锅炉汽温的调节
直流锅炉的汽温调节与自然循环锅炉不同。直流锅炉在稳定工况下，过热蒸
汽出口的热焓hgr可用下式表示：
（1-l）
式中：hgr、hgr―过热器出口和给水的热焓，kJ/kg；
B，G―燃料量和给水量，kg；
Qar,net―燃料低位发热量，kJ/kg；
gl―锅炉效率，%。
如hg、Qar,net 、gl 在一定负荷变化范围内保持不变，则过热蒸汽温度（热焓）只取决于燃料量和给水量的比例B/G，如果比值B/G保持不变，则hgr或tgr可保持不变。即比值B/G变化是造成过热蒸汽温度变化的基本原因。因此在直流锅炉中，过热汽温的调节主要是通过给水量与燃料量的调整来实现的。考虑到实际运行中锅炉负荷的变化，给水温度、燃料品质、炉膛过量空气系数以及受热面结渣等因素的变化，对过热汽温变化均有影响，因此保持B/G的精确值不易做到，特别是燃煤锅炉，控制燃料量较为粗糙，且对tgr的调节惯性较大，不能保证良好的调节品质。故直流锅炉一般采用与喷水调节相结合的调节方法，即比值B/G作为粗调节，蒸汽通道上的喷水减温器作为细调节（校正）。
对于带固定负荷的直流锅炉，蒸汽参数调节的主要任务是调节汽温，因而在燃料量与给水量比例确定后，操作中应尽量减少燃料量的改变。在实际调节中，燃料量的调节精度受到燃料性质变动等影响，因此为进一步校正燃料量与给水量的比例，就借助于喷水调温。喷水调温的惰性小，且无过调现象，特别是以喷水点后汽温作为调节信号进行喷水调节时，从喷水量开始变化只须经过几秒钟时间，很容易实现细调节。所以直流锅炉在带不变负荷时，蒸汽参数的调节是借助喷水调节汽温而尽可能稳住燃料量。但喷水量变化只能维持过热汽温的暂时稳定，过热汽温稳定的关键是调节燃水比B/G。这是因为直流炉的给水量G等于蒸发量D，若燃料量B增加、热负荷增加，而给水量G未变，则过热汽温必然升高，喷水量d增加；进口水量（G-d）相应减少，反过来又会使过热汽温上升，同时影响机组效率，还会引起喷水点前金属和工质温度升高。
直流锅炉由于不稳定动态过程中交变区内工质的变化以及过热器管壁金属储热的影响，过热汽温有比较大的延迟，而且越靠近过热器出口，延迟越大。若以过热器出口汽温作为调节信号，则调节过迟，为了维持锅炉过热蒸汽温度的稳定，按照时滞小、反应明显、工况变化时便于测量等条件，通常在过热区段中取一温度测点，将它固定在相应的数值上，即中间点温度。用中间点汽温作为超前信号，使调节操作提前，以得到稳定的汽温。实际上将中间点至过热器出口之间的过热区段固定，相当于汽包炉固定过热器区段情况。在过热汽温调节中，中间点温度与锅炉负荷存在一定的函数关系，因此锅炉的燃水比B/G可按中间点温度来调整，而中间点至过热器出口区段的过热汽温变化主要依靠喷水来调节。中间点的位置越靠近过热器入口，即过热蒸汽点离工质开始过热点越近，则汽温调
节的灵敏度越高，但应保持中间点的工质状态在70～100%负荷内都是微过热蒸汽（过热度约为20℃的过热蒸汽），因而不易过于提前。在亚临界压力及以下的直流锅炉中，中间点都选择在过热器的起始段（如国产300MW的UP单炉膛直流锅炉，它的中间点选择在包覆过热器出口），即中间点工质状态总处于过热区，而不会处于蒸发区，否则中间点将失去调节信号的作用。
四、 超临界压力锅炉热偏差的特点
（1）超临界压力锅炉由于出口汽温高，某些过热器管组的设计温升大，从而增大了温度偏差。例如某锅炉后屏过热器的设计温|升从60℃增大到80℃ 时，单单因宽度吸热偏差一个因素就可能使偏差屏的温度与平均屏的出口平均温度差从15℃增加到20℃。
（2）超临界压力锅炉由于出口汽温高，过热器和再热器管子关键部位（管组中偏差管的出口汽温最高处）及前下部热负荷最高处的炉内壁温差不多已经接近所用钢材的耐温极限。由于许多钢材在接近使用限值的高温下，其105h的许用应力随温度升高而降低的速度加快，在这种情况下如果超温10℃，将大大减少管子的使用寿命。例如，根据计算，TP347H钢材在温度625℃，所受应力为69.8MPa时，其设计寿命为1.0×105h。如果温度提高到635℃，同样应力下寿命只有0.52×105h。寿命将降低48%。相反，如果应力不变而温度降低10℃ ，则计算寿命将增加到1.80×105h。可见在设计和运行中控制热偏差，降低关键部位管子的炉内壁温对超临界锅炉的运行安全性和经济性是至关重要的。
（3）瞬态壁温升高。在锅炉启动及快速升负荷的瞬态过程中会发生短时间的过热器吸热量与蒸汽流量的不平衡。因为当锅炉快速增加出力时，过热器开始状态是管内蒸汽流量和放热系数都比较小，这时投入燃料，其热负荷几乎是立即增大的。对于直流锅炉，虽然协调自动控制系统可以使给水流量与燃煤量同步增加，但过热器中的蒸汽流量还是要水冷壁的管壁金属先吸热后再能产生出来，所以有一些时间上的延迟。在这过渡的瞬态时间内，由于管内蒸汽流量和放热系数与热负荷的不匹配，过热器的管壁温度会比稳定工况时高。高出的温度值决定于热负荷增加的幅度和速度。我国一台进口加拿大巴威公司的350MW“W”型锅炉的大屏过热器和另一台进口美国FW公司的600MW锅炉的前屏过热器都发生过类似的故障。特别是布置在炉膛火焰中心上方的前屏和后屏过热器，对热负荷增加的响应最快，所接触的烟温也最高，这种瞬态的壁温升高也最为显著。
五、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、再热器管组中各管的焓增不同而造成热偏差，完全消除热偏差是不可能的。除了在锅炉设计中应使并联各蛇形管的长度、管径、节距等几何尺寸按照受热的情况合理的分配，燃烧器的布置尽量均匀；在运行操作中确保燃烧稳定，烟气均匀并充满炉膛空间，沿炉膛宽度方向烟气的温度场、速度场尽量均匀，控制左右侧烟温差不过大；根据受热面的污染情况，适时投入吹灰器减少积灰和结渣外，目前减少热偏差的主要方法有以下几种：
（1）受热面分级布置
沿烟气流动方向，将整个过热器或再热器分成串联的几级，使每级的工质焓增减小并且在各级间采用大直径的中间联箱进行充分的混合，不仅使每级出口工质温度和管壁温度的偏差减小，而且可防止每级热偏差叠加，使总热偏差减小。
再热蒸汽由于压力低，比热容更小，故各级再热器焓增亦不宜过大。尤其是布置在炉膛和靠近炉膛高热负荷区的再热器或高温对流再热器，否则将产生比过热器更大的汽温偏差。
（2）选择合适的联箱连接方式和联箱连接管布置方式
过热器U型连接方式的流量偏差比Z型连接方式小；采用多管引入和引出的联箱连接方式时，静压变化最小。采用级与级联箱间的连接管左右交叉布置，可减轻烟道两侧吸热不均而导致的热偏差。
（3）加装节流圈
在管子入口处加装不同孔径的节流圈，可控制各管内工质流量，使流量不均匀系数约为1。
（4）使热负荷高的管内具有较高的流速
当热负荷高的管内具有较高的流速时，工质焓增减小，可减少热偏差。对于屏式过热器，热负荷强的外圈采用缩短管圈长度或采用大直径方法增加管内工质流速。
（5）促进烟气均匀
对于燃烧器四角布置的锅炉，应采用多层燃烧器结构，使炉内火焰充满度较好，炉膛温度场分布比较均匀。采用多层燃烧器喷嘴的均等配风方式，可使炉膛内燃烧稳定、火焰减少偏斜。
合理设计折焰角，对半辐射式的屏式过热器来说，可使它既受到炉膛火焰的辐射热，而且也与烟气进行对流换热。
减少炉膛出口烟气残余扭转，以减少炉膛出口及水平烟道的左右烟温偏差，减少过热蒸汽、再热蒸汽的左右汽温偏差，防止过热器、再热器超温爆管。
（6）超临界压力锅炉运行中应关注的问题
超临界直流锅炉在运行中还可能发生突发性的扰动，这主要是指给水系统的故障、电负荷的大幅度变动和煤水比失调。当超临界直流锅炉发生煤水比失调的
故障时，若在某种情况下自动控制未能投入，而人工操纵不当，煤水比失调会使锅炉出口汽温急速飞升，可能会使好几级的过热器管子短时间大幅度超温受损，受损后会在以后的运行中发生频频爆管。
参考文献： 1、《锅炉设备及其系统》中国电力出版社2006年5月第二版 2、《超超临界及亚临界参数锅炉》中国电力出版社2007年9月第一版
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