摘要：當(dāng)前工業(yè)用汽需求量不斷增加，而機(jī)組逐漸向大型化發(fā)展，利用熱電聯(lián)產(chǎn)模式不但可以加大電力裝機(jī)規(guī)模，還能增加供熱能力，提高能源利用率的同時(shí)改善環(huán)境質(zhì)量。為更好的彰顯充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)越性，再熱汽抽汽供汽機(jī)組在實(shí)際中的應(yīng)用率逐漸增多，但應(yīng)用后各個(gè)受熱面溫度分布對(duì)鍋爐是否安全仍有待探究?；诖?，本文應(yīng)用鍋爐熱力計(jì)算方法、高溫再熱器熱偏差計(jì)算方法與機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，詳細(xì)分析機(jī)組抽汽對(duì)高溫再熱器壁溫的影響，為優(yōu)化亞臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵字：工業(yè)抽汽;高溫再熱器;鍋爐熱力計(jì)算;熱偏差;壁溫;影響

隨著國(guó)家建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，節(jié)能環(huán)保的概念深入人心，我國(guó)電力行業(yè)逐漸向低碳化、集約化與環(huán)?；较虬l(fā)展，電力行業(yè)正在面臨資源與環(huán)境的雙重夾擊。受到火電結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的影響，以大容量、高參數(shù)燃煤機(jī)組為主體的電力能源結(jié)構(gòu)逐漸登上歷史舞臺(tái)，主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度多超過(guò)500℃，這樣的鍋爐再熱器受熱面多采用奧氏體鋼管等耐高溫的鋼材，當(dāng)機(jī)組抽汽供汽、機(jī)組負(fù)荷大幅度波動(dòng)、給水系統(tǒng)發(fā)生故障、機(jī)組RB工況時(shí)，便會(huì)發(fā)生受熱管超溫爆管的危險(xiǎn)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

一、抽汽供熱機(jī)組概況

本次研究中的工業(yè)抽汽機(jī)組為亞臨界，一次中間再熱機(jī)組，汽輪機(jī)為單軸雙缸雙排汽，有八級(jí)不調(diào)整抽汽，回?zé)嵯到y(tǒng)“三高一低一除氧”，以滑壓運(yùn)行為除氧器，在低壓與高壓加熱器內(nèi)均內(nèi)置輸水冷卻器，此外在高壓加熱器中還內(nèi)置了蒸汽冷卻器。正常運(yùn)行汽源為第五段抽汽，應(yīng)用疏水逐級(jí)自流方式、汽動(dòng)給水泵運(yùn)行方式為凝汽式小汽機(jī)，排汽為主凝汽器。選擇THA（熱耗驗(yàn)收）計(jì)算工況，主要參數(shù)如下：機(jī)組功率350MW、主蒸汽壓力16.67MPa、主蒸汽溫度538℃、主蒸汽進(jìn)汽量294.1kg/s、再熱蒸汽壓力3.78MPa、再熱蒸汽進(jìn)氣量240.6kg/s、高壓缸排汽壓力4.14Mpa，溫度327.7℃、給水溫度297℃。

關(guān)于工業(yè)抽汽量的確定，不同抽汽點(diǎn)差異顯著，再熱器進(jìn)口抽汽與低再出口抽汽由于抽汽參數(shù)不同，在為用戶提供相同品質(zhì)蒸汽時(shí)抽汽量必然不同，其中再熱汽進(jìn)口抽汽的主要參數(shù)為：壓力4.08MPa、溫度327℃、流量20.41kg/s、比焓3030.35j/kg，而低再出口抽汽的主要參數(shù)為：壓力3.99MPa、溫度448℃、流量16.09kg/s、比焓3301.7kj/kg，可以根據(jù)減溫減壓器的能量與質(zhì)量守恒原則計(jì)算出抽汽量與減溫水量。

二、機(jī)組不同工業(yè)抽汽方式的熱力計(jì)算結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)組不同工業(yè)抽汽方式對(duì)低溫與高溫再熱器的影響大小不同，可以采用鍋爐熱力計(jì)算軟件進(jìn)行詳細(xì)分析與比較，假設(shè)汽輪機(jī)發(fā)電功率、過(guò)熱汽溫與再熱汽溫不變，計(jì)算THA工況如下：主蒸汽流量294.1kg/s、實(shí)際燃煤量32.6kg/s、再熱蒸汽流量240.6kg/s、高再進(jìn)口蒸汽流量240.6kg/s、低再進(jìn)口汽溫327℃、低再出口汽溫438℃、高再出口汽溫538℃、低再工質(zhì)溫升111℃、高再工質(zhì)溫升100℃;計(jì)算低再進(jìn)口抽汽如下：主蒸汽流量294.1kg/s、實(shí)際燃煤量32.6kg/s、低再進(jìn)口蒸汽流量220.19kg/s、高再進(jìn)口蒸汽流量220.19kg/s、過(guò)熱汽溫538℃、低再進(jìn)口汽溫327℃、低再出口汽溫436℃、高再出口汽溫538℃、低再工質(zhì)溫升127.12℃、高再工質(zhì)溫升117.88℃;計(jì)算低再出口抽汽如下：主蒸汽流量295.6kg/s、實(shí)際燃煤量32.9kg/s、低再進(jìn)口蒸汽流量242.1kg/s、高再進(jìn)口蒸汽流量226kg/s、過(guò)熱汽溫539.1℃、低再進(jìn)口汽溫327.3℃、低再出口汽溫437.3℃、高再出口汽溫539.0℃、低再工質(zhì)溫升110℃、高再工質(zhì)溫升101.7℃。

由計(jì)算結(jié)果可得：相比于THA工況，抽汽供熱后的低溫再熱器內(nèi)蒸汽溫升有所下降，在高溫再熱器中蒸汽溫升有所上升，比焓增高，同時(shí)抽汽供熱后高再進(jìn)口蒸汽流量較低，高溫再熱器質(zhì)量流速下降，導(dǎo)致高溫再熱器出口的工質(zhì)溫度快速升高，故抽汽供熱會(huì)導(dǎo)致高溫再熱器的管壁溫度上升，可能會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全造成不良影響。

三、計(jì)算高溫再熱器的熱偏差

對(duì)于高溫再熱器而言，工質(zhì)流量小、熱負(fù)荷高的偏差管最危險(xiǎn)，因?yàn)橐坏┕べ|(zhì)溫度過(guò)高，便會(huì)直接導(dǎo)致管壁超溫，甚至引起爆管，所以為了更好的確保機(jī)組抽汽供熱后安全運(yùn)行，相關(guān)工作人員需要計(jì)算抽汽供熱后高溫再熱器管壁與THA工況溫度變化情況，同時(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況進(jìn)一步分析抽汽后高溫再熱器運(yùn)行情況，計(jì)算中我們可以忽略管屏間的流量與熱偏差，將其看作是同一個(gè)管屏即可。

本次研究中機(jī)組的高溫再熱器位于水平煙道上方，入口為兩根連接管，由立式低再出口集箱引入，出口為兩根再熱導(dǎo)管，由高溫再熱器出口集箱引入汽輪機(jī)壓缸，基于此，在計(jì)算熱偏差時(shí)僅需要計(jì)算頂棚管中心線以下的受熱管即可，一般在工質(zhì)溫度有可能出現(xiàn)的最大點(diǎn)、熱負(fù)荷最高處、材料變更處以及變徑點(diǎn)分段計(jì)算，以此來(lái)判斷管壁是否超溫，同屏熱偏差計(jì)算內(nèi)容為流量與熱負(fù)荷計(jì)算，流量計(jì)算由包括阻力系數(shù)計(jì)算、流量分配計(jì)算和集箱靜壓分布計(jì)算。阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果為：高溫再熱器每個(gè)管屏的11根管中，局部阻力系數(shù)均在3以內(nèi)，變化趨勢(shì)平緩，總阻力系數(shù)與摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)一致，均在3號(hào)到4號(hào)管之間明顯增大，其余均變化趨勢(shì)平緩，整體數(shù)據(jù)分析3號(hào)管的總阻力系數(shù)最小，4號(hào)管的總阻力系數(shù)最大;流量分配計(jì)算結(jié)果為：同屏各管的流量分配有較大差異，1號(hào)到3號(hào)管流量偏高，約在0.63-0.66kg/s之間，4號(hào)到11號(hào)管流量偏低，約在0.54-0.57之間，其中3號(hào)管流量最高，4號(hào)管流量最低，提示大流量能夠帶走更多的熱量，降低管壁受熱面的吸熱不均勻性，令管壁充分冷卻，從而減少高溫再熱器的熱偏差。集箱靜壓分布主要采用H型連接的方式。因?yàn)楦鞴芏蔚奈鼰釙?huì)通過(guò)煙氣對(duì)管段的輻射量、輻射傳熱量、管間煙氣的對(duì)流傳熱量組成，所以最終計(jì)算熱偏差可以利用管段輻射、對(duì)流吸熱特點(diǎn)的計(jì)算來(lái)完成。

四、計(jì)算高溫再熱器的壁溫

高溫再熱器的壁溫會(huì)受到管道材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、吸熱量與參數(shù)等因素的影響而具有差異性，我們需要計(jì)算高溫再熱器管屏不同管長(zhǎng)的壁溫，然后對(duì)比各段管子的壁溫增量并結(jié)合設(shè)備上提供的報(bào)警溫度與管壁溫度得出抽汽后高溫再熱器的運(yùn)行安全情況，考慮到管壁吸熱不均勻的現(xiàn)象，計(jì)算應(yīng)當(dāng)采用分段計(jì)算模型，同時(shí)為確保機(jī)組工業(yè)供汽后安全運(yùn)行，還應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確測(cè)量高溫受熱面出口管的爐外壁溫，在采取保溫措施的條件下測(cè)量鍋爐頂罩內(nèi)溫，以此判斷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況是否偏離設(shè)定工況。

在THA工況下，2號(hào)管與4號(hào)管壁溫較高，這是因?yàn)?號(hào)管熱負(fù)荷不均勻系數(shù)最大，4號(hào)管內(nèi)工質(zhì)流量最小的緣故，所以這兩根管發(fā)生超溫爆管的概率最高，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)特別注意，嚴(yán)格控制煙氣側(cè)熱負(fù)荷偏差并確保偏差分布的穩(wěn)定性。

應(yīng)用低再進(jìn)口抽汽與低再出口抽汽，管壁的整體溫度變化趨勢(shì)與THA工況一致，均在2號(hào)與4號(hào)管壁溫較高。在低再進(jìn)口抽汽與低再出口抽汽供汽后，工質(zhì)溫度與管壁溫度則沿著工質(zhì)流動(dòng)方向呈總體上升趨勢(shì)，且在出口處達(dá)到最大。管屏工質(zhì)溫度之所以會(huì)隨著管長(zhǎng)的增加而上升，主要是因?yàn)楣茏釉介L(zhǎng)，受熱面積就會(huì)越大，工質(zhì)的吸熱量也會(huì)相應(yīng)增多的緣故。管壁溫度則主要受到工質(zhì)溫度影響，并同時(shí)與管壁厚度、內(nèi)外直徑差、熱流密度、工質(zhì)側(cè)放熱系數(shù)和管材本身導(dǎo)熱系數(shù)等因素相關(guān)，因此管子越長(zhǎng)，壁溫越高。除此之外我們還發(fā)現(xiàn)，在管子中間部分段壁溫有短暫下降情況，分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)橄啾扔谄渌芏味詻](méi)有與煙氣橫向沖刷，熱流密度和對(duì)流放熱系較小。通過(guò)對(duì)比低再進(jìn)口抽汽供熱與低再出口抽汽供熱兩種不同工況下的管屏溫度，均為4號(hào)管最高，分析原因?yàn)?號(hào)管流量最小，相比于流量的下降程度，熱負(fù)荷的下降幾乎可以忽略不計(jì)，導(dǎo)致4號(hào)管工質(zhì)吸熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他管，尤其是在管子出口的位置，工質(zhì)溫度和管壁溫度會(huì)達(dá)到最高，極易發(fā)生超溫爆管現(xiàn)象。

小結(jié)：

綜上所述，本文結(jié)合鍋爐熱力計(jì)算，建立熱偏差計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算得到機(jī)組汽供熱后高溫再熱器壁溫的變化，然后參照現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析了機(jī)組工業(yè)抽汽改造后對(duì)高溫再熱器壁溫的影響。由于抽汽后再熱汽進(jìn)口處蒸汽流量相比于THA工況較低，故高溫再熱器質(zhì)量流速明顯下降，管內(nèi)的工質(zhì)溫度明顯上升，從而導(dǎo)致高溫再熱器出口位置的溫度達(dá)到最高，加大了超溫爆管的概率。對(duì)比再熱汽進(jìn)口抽汽供熱與再熱汽出口抽汽兩種工況，計(jì)算結(jié)果表明相比于再熱器出口抽汽，再熱器進(jìn)口抽汽供熱方式對(duì)管壁溫度的增加更低，相關(guān)單位可根據(jù)實(shí)際情況選擇，尤其是對(duì)于較大容量的機(jī)組，一定要科學(xué)選擇工業(yè)抽汽方案，首先考慮運(yùn)行安全性，建議在計(jì)算好鍋爐熱力的前提下綜合評(píng)估工業(yè)抽汽后可能影響受熱面安全性的因素，結(jié)合實(shí)際機(jī)組運(yùn)行參數(shù)來(lái)確定機(jī)組抽汽的最高負(fù)荷與最大供汽量，進(jìn)而計(jì)算出影響受熱面的最大部件壁溫。

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作者簡(jiǎn)介：郭云峰，男，漢族，中級(jí)工程師，本科學(xué)歷，研究方向：工業(yè)供汽對(duì)再熱汽管壁溫度影響。