機組工業抽汽對高溫再熱器壁溫的影響分析

摘要：當前工業用汽需求量不斷增加，而機組逐漸向大型化發展，利用熱電聯產模式不但可以加大電力裝機規模，還能增加供熱能力，提高能源利用率的同時改善環境質量。為更好的彰顯充分利用熱電聯產的優越性，再熱汽抽汽供汽機組在實際中的應用率逐漸增多，但應用后各個受熱面溫度分布對鍋爐是否安全仍有待探究。基于此，本文應用鍋爐熱力計算方法、高溫再熱器熱偏差計算方法與機組運行數據，模擬現場運行工況，詳細分析機組抽汽對高溫再熱器壁溫的影響，為優化亞臨界機組的設計與安全運行提供參考。

關鍵字：工業抽汽;高溫再熱器;鍋爐熱力計算;熱偏差;壁溫;影響

隨著國家建立資源節約型、環境友好型社會戰略的不斷推進，節能環保的概念深入人心，我國電力行業逐漸向低碳化、集約化與環保化方向發展，電力行業正在面臨資源與環境的雙重夾擊。受到火電結構優化調整的影響，以大容量、高參數燃煤機組為主體的電力能源結構逐漸登上歷史舞臺，主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度多超過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，當機組抽汽供汽、機組負荷大幅度波動、給水系統發生故障、機組RB工況時，便會發生受熱管超溫爆管的危險，影響機組的安全運行。

一、抽汽供熱機組概況

本次研究中的工業抽汽機組為亞臨界，一次中間再熱機組，汽輪機為單軸雙缸雙排汽，有八級不調整抽汽，回熱系統“三高一低一除氧”，以滑壓運行為除氧器，在低壓與高壓加熱器內均內置輸水冷卻器，此外在高壓加熱器中還內置了蒸汽冷卻器。正常運行汽源為第五段抽汽，應用疏水逐級自流方式、汽動給水泵運行方式為凝汽式小汽機，排汽為主凝汽器。選擇THA（熱耗驗收）計算工況，主要參數如下：機組功率350MW、主蒸汽壓力16.67MPa、主蒸汽溫度538℃、主蒸汽進汽量294.1kg/s、再熱蒸汽壓力3.78MPa、再熱蒸汽進氣量240.6kg/s、高壓缸排汽壓力4.14Mpa，溫度327.7℃、給水溫度297℃。

關于工業抽汽量的確定，不同抽汽點差異顯著，再熱器進口抽汽與低再出口抽汽由于抽汽參數不同，在為用戶提供相同品質蒸汽時抽汽量必然不同，其中再熱汽進口抽汽的主要參數為：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為：壓力3.99MPa、溫度448℃、流量16.09kg/s、比焓3301.7kj/kg，可以根據減溫減壓器的能量與質量守恒原則計算出抽汽量與減溫水量。

二、機組不同工業抽汽方式的熱力計算結果

在實際應用中，機組不同工業抽汽方式對低溫與高溫再熱器的影響大小不同，可以采用鍋爐熱力計算軟件進行詳細分析與比較，假設汽輪機發電功率、過熱汽溫與再熱汽溫不變，計算THA工況如下：主蒸汽流量294.1kg/s、實際燃煤量32.6kg/s、再熱蒸汽流量240.6kg/s、高再進口蒸汽流量240.6kg/s、低再進口汽溫327℃、低再出口汽溫438℃、高再出口汽溫538℃、低再工質溫升111℃、高再工質溫升100℃;計算低再進口抽汽如下：主蒸汽流量294.1kg/s、實際燃煤量32.6kg/s、低再進口蒸汽流量220.19kg/s、高再進口蒸汽流量220.19kg/s、過熱汽溫538℃、低再進口汽溫327℃、低再出口汽溫436℃、高再出口汽溫538℃、低再工質溫升127.12℃、高再工質溫升117.88℃;計算低再出口抽汽如下：主蒸汽流量295.6kg/s、實際燃煤量32.9kg/s、低再進口蒸汽流量242.1kg/s、高再進口蒸汽流量226kg/s、過熱汽溫539.1℃、低再進口汽溫327.3℃、低再出口汽溫437.3℃、高再出口汽溫539.0℃、低再工質溫升110℃、高再工質溫升101.7℃。

由計算結果可得：相比于THA工況，抽汽供熱后的低溫再熱器內蒸汽溫升有所下降，在高溫再熱器中蒸汽溫升有所上升，比焓增高，同時抽汽供熱后高再進口蒸汽流量較低，高溫再熱器質量流速下降，導致高溫再熱器出口的工質溫度快速升高，故抽汽供熱會導致高溫再熱器的管壁溫度上升，可能會對機組的運行安全造成不良影響。

三、計算高溫再熱器的熱偏差

對于高溫再熱器而言，工質流量小、熱負荷高的偏差管最危險，因為一旦工質溫度過高，便會直接導致管壁超溫，甚至引起爆管，所以為了更好的確保機組抽汽供熱后安全運行，相關工作人員需要計算抽汽供熱后高溫再熱器管壁與THA工況溫度變化情況，同時模擬現場運行工況進一步分析抽汽后高溫再熱器運行情況，計算中我們可以忽略管屏間的流量與熱偏差，將其看作是同一個管屏即可。

本次研究中機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，出口為兩根再熱導管，由高溫再熱器出口集箱引入汽輪機壓缸，基于此，在計算熱偏差時僅需要計算頂棚管中心線以下的受熱管即可，一般在工質溫度有可能出現的最大點、熱負荷最高處、材料變更處以及變徑點分段計算，以此來判斷管壁是否超溫，同屏熱偏差計算內容為流量與熱負荷計算，流量計算由包括阻力系數計算、流量分配計算和集箱靜壓分布計算。阻力系數計算結果為：高溫再熱器每個管屏的11根管中，局部阻力系數均在3以內，變化趨勢平緩，總阻力系數與摩擦系數變化趨勢一致，均在3號到4號管之間明顯增大，其余均變化趨勢平緩，整體數據分析3號管的總阻力系數最小，4號管的總阻力系數最大;流量分配計算結果為：同屏各管的流量分配有較大差異，1號到3號管流量偏高，約在0.63-0.66kg/s之間，4號到11號管流量偏低，約在0.54-0.57之間，其中3號管流量最高，4號管流量最低，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。因為各管段的吸熱會通過煙氣對管段的輻射量、輻射傳熱量、管間煙氣的對流傳熱量組成，所以最終計算熱偏差可以利用管段輻射、對流吸熱特點的計算來完成。

四、計算高溫再熱器的壁溫

高溫再熱器的壁溫會受到管道材質、結構、吸熱量與參數等因素的影響而具有差異性，我們需要計算高溫再熱器管屏不同管長的壁溫，然后對比各段管子的壁溫增量并結合設備上提供的報警溫度與管壁溫度得出抽汽后高溫再熱器的運行安全情況，考慮到管壁吸熱不均勻的現象，計算應當采用分段計算模型，同時為確保機組工業供汽后安全運行，還應當準確測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量鍋爐頂罩內溫，以此判斷機組實際運行工況是否偏離設定工況。

在THA工況下，2號管與4號管壁溫較高，這是因為2號管熱負荷不均勻系數最大，4號管內工質流量最小的緣故，所以這兩根管發生超溫爆管的概率最高，在實際運行中應當特別注意，嚴格控制煙氣側熱負荷偏差并確保偏差分布的穩定性。

應用低再進口抽汽與低再出口抽汽，管壁的整體溫度變化趨勢與THA工況一致，均在2號與4號管壁溫較高。在低再進口抽汽與低再出口抽汽供汽后，工質溫度與管壁溫度則沿著工質流動方向呈總體上升趨勢，且在出口處達到最大。管屏工質溫度之所以會隨著管長的增加而上升，主要是因為管子越長，受熱面積就會越大，工質的吸熱量也會相應增多的緣故。管壁溫度則主要受到工質溫度影響，并同時與管壁厚度、內外直徑差、熱流密度、工質側放熱系數和管材本身導熱系數等因素相關，因此管子越長，壁溫越高。除此之外我們還發現，在管子中間部分段壁溫有短暫下降情況，分析發現出現這一現象是因為相比于其他管段而言沒有與煙氣橫向沖刷，熱流密度和對流放熱系較小。通過對比低再進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號管最高，分析原因為4號管流量最小，相比于流量的下降程度，熱負荷的下降幾乎可以忽略不計，導致4號管工質吸熱量遠遠大于其他管，尤其是在管子出口的位置，工質溫度和管壁溫度會達到最高，極易發生超溫爆管現象。

小結：

綜上所述，本文結合鍋爐熱力計算，建立熱偏差計算模型，通過計算得到機組汽供熱后高溫再熱器壁溫的變化，然后參照現場數據進一步分析了機組工業抽汽改造后對高溫再熱器壁溫的影響。由于抽汽后再熱汽進口處蒸汽流量相比于THA工況較低，故高溫再熱器質量流速明顯下降，管內的工質溫度明顯上升，從而導致高溫再熱器出口位置的溫度達到最高，加大了超溫爆管的概率。對比再熱汽進口抽汽供熱與再熱汽出口抽汽兩種工況，計算結果表明相比于再熱器出口抽汽，再熱器進口抽汽供熱方式對管壁溫度的增加更低，相關單位可根據實際情況選擇，尤其是對于較大容量的機組，一定要科學選擇工業抽汽方案，首先考慮運行安全性，建議在計算好鍋爐熱力的前提下綜合評估工業抽汽后可能影響受熱面安全性的因素，結合實際機組運行參數來確定機組抽汽的最高負荷與最大供汽量，進而計算出影響受熱面的最大部件壁溫。

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作者簡介：郭云峰，男，漢族，中級工程師，本科學歷，研究方向：工業供汽對再熱汽管壁溫度影響。