機(jī)組抽汽供熱對(duì)高溫再熱器壁溫的影響*

胡引引， 沈 倩

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)用汽的需求量不斷增加，供熱機(jī)組趨于大型化發(fā)展。熱電聯(lián)產(chǎn)既不增加電力裝機(jī)規(guī)模，又可增加供熱能力，在提高能源利用率和改善環(huán)境質(zhì)量上具有重要意義。為充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)越性，將660 MW以上大型凝汽式機(jī)組改造成供熱式機(jī)組的例子逐年增多。對(duì)供熱工質(zhì)要求較高的供熱改造，一般采用再熱器熱段抽汽供熱或再熱器冷段抽汽供熱，再經(jīng)減溫減壓器后供給用戶[1]。

盡管有關(guān)凝汽式機(jī)組抽汽供熱經(jīng)濟(jì)性分析較多，但對(duì)600 MW以上的機(jī)組實(shí)行抽汽供熱后的運(yùn)行工況，尚缺少安全性分析。超超臨界鍋爐實(shí)行抽汽供熱后各受熱面的溫度分布對(duì)鍋爐是否能夠安全運(yùn)行有著非常重要的影響。

筆者從機(jī)組的安全性出發(fā)，在鍋爐熱力計(jì)算、汽輪機(jī)熱力計(jì)算及高溫再熱器熱偏差計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算某電廠660 MW機(jī)組在抽汽供熱后對(duì)各受熱面的影響，分析抽汽供熱后機(jī)組受熱面是否會(huì)超溫。

1 模型建立

1.1 研究對(duì)象

該660 MW超超臨界機(jī)組鍋爐有四級(jí)過熱器、兩級(jí)再熱器和三級(jí)減溫噴水裝置；汽輪機(jī)有八級(jí)不調(diào)整抽汽，回?zé)嵯到y(tǒng)為“三高四低一除氧”。從高溫再熱器入口處定流量抽汽進(jìn)行供熱，抽汽質(zhì)量流量為130 t/h。

高溫再熱器布置于折焰角上方，其入口的2根連接管是由立式低溫再熱器出口集箱引入的，由高溫再熱器出口集箱引出的2根再熱管是將再熱蒸汽送往汽輪機(jī)中壓缸的。高溫再熱器蛇形管共70片，每片屏由11根管組成，從左至右標(biāo)記為1號(hào)至11號(hào)。高溫再熱器管屏結(jié)構(gòu)見圖1。為了方便熱偏差的計(jì)算，對(duì)管屏的每根管子進(jìn)行分段計(jì)算，其中：L為變徑點(diǎn)，A、D、H、K為變材質(zhì)點(diǎn)，B、C、E、F、G、I、J為熱負(fù)荷可能較高點(diǎn)。

圖1 高溫再熱器

1.2 假設(shè)條件

對(duì)鍋爐熱力計(jì)算的假設(shè)為：(1)將爐膛截面簡化為截面積相等的一維圓形；(2)火焰沿爐膛徑向的輻射強(qiáng)度是呈線性變化的；(3)煤粉爐的爐膛高度比截面當(dāng)量半徑大得多，將爐膛視為無限高；(4)爐膛介質(zhì)為灰體，即輻射強(qiáng)度與介質(zhì)的波長無關(guān)。

對(duì)汽輪機(jī)熱力計(jì)算的假設(shè)為：(1)軸封流量不隨工況變化；(2)加熱器水側(cè)的壓力對(duì)加熱器進(jìn)出口焓的影響忽略不計(jì)。

對(duì)高溫再熱器熱偏差計(jì)算的假設(shè)為：(1)將所有管屏等同于一個(gè)管屏，認(rèn)為管屏間無熱偏差；(2)管屏間無流量差別，所有管屏的流量都相同；(3)認(rèn)為管道受熱均勻，修正管道周向受熱不均。

1.3 模型選取

筆者計(jì)算是為了確定機(jī)組實(shí)行抽汽供熱后鍋爐是否能夠安全運(yùn)行。機(jī)組抽汽供熱后，最危險(xiǎn)的受熱面一定在末級(jí)過熱器或高溫再熱器處，而對(duì)哪個(gè)受熱面的影響更大，還需要通過具體計(jì)算進(jìn)行分析研究。

鍋爐熱力計(jì)算采用一般模型，鍋爐爐膛輻射傳熱計(jì)采用文獻(xiàn)[2]介紹的方法，超超臨界直流鍋爐屏式受熱面熱力計(jì)算方法采用文獻(xiàn)[3]介紹的方法，三分倉空氣預(yù)熱器采用文獻(xiàn)[4]的計(jì)算方法。為了研究受熱面的壁溫分布，必須編制鍋爐相應(yīng)受熱面的熱偏差計(jì)算程序，因?yàn)橥ㄟ^熱力計(jì)算無法得到管外壁溫的具體分布。

計(jì)算汽輪機(jī)抽汽供熱后過熱器或再熱器受熱面的金屬壁溫，判斷其是否在材料所能承受的溫度范圍內(nèi)。運(yùn)用熱平衡法，依據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒對(duì)整個(gè)熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析，利用VB編制汽輪機(jī)熱力計(jì)算程序，為分析計(jì)算機(jī)組抽汽前后其他參數(shù)的變化奠定基礎(chǔ)。

熱偏差計(jì)算采用常見的計(jì)算模型。高溫再熱器的同一管屏的流量計(jì)算采用文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]介紹的方法。各分段管的焓增計(jì)算方法見文獻(xiàn)[7]，各分段點(diǎn)壁溫計(jì)算方法見文獻(xiàn)[8]。

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算方法及步驟

首先，利用汽輪機(jī)熱力計(jì)算程序，得到汽輪機(jī)抽汽供熱后的主蒸汽流量、再熱蒸汽流量及其他基本參數(shù)，然后代入鍋爐熱力計(jì)算程序計(jì)算末級(jí)過熱器和再熱器的進(jìn)出口煙溫、汽溫及其他熱力參數(shù)，分析比較汽輪機(jī)抽汽供熱后對(duì)各受熱面的影響大小，把吸熱量增加最大的受熱面進(jìn)行熱偏差熱力計(jì)算，計(jì)算管屏各管的溫度分布，進(jìn)而分析機(jī)組抽汽以后鍋爐能否安全運(yùn)行。

表1為利用汽輪機(jī)熱力計(jì)算程序計(jì)算出的機(jī)組基本參數(shù)(THA為熱耗驗(yàn)收)，表2為抽汽前后各參數(shù)代入鍋爐熱力計(jì)算所得結(jié)果。

表1 抽汽前后THA工況鍋爐參數(shù)

表2 熱力計(jì)算結(jié)果

抽汽供熱以后，鍋爐有可能超溫的受熱面出現(xiàn)在鍋爐末級(jí)過熱器或高溫再熱器處，根據(jù)計(jì)算可知，高溫再熱器增加的吸熱量比末級(jí)過熱器處高，各受熱面吸熱量變化具體見表3。

表3 受熱面吸熱量變化 %

汽輪機(jī)抽汽對(duì)高溫再熱器的影響最大，即高溫再熱器最有可能超溫，須具體分析高溫再熱器的壁溫情況。

對(duì)高溫再熱器來說，最危險(xiǎn)的是工質(zhì)流量小，同時(shí)熱負(fù)荷又比較高的偏差管。須對(duì)熱偏差的影響因素進(jìn)行分析，并在鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)行過程中采取合適的措施，盡量減小并聯(lián)受熱管的熱偏差，以保證受熱管的安全運(yùn)行。

2.2 高溫再熱器壁溫計(jì)算

關(guān)于高溫再熱器的熱偏差計(jì)算可分為以下幾步：計(jì)算管屏中各個(gè)管的局部阻力系數(shù)和沿程阻力系數(shù)，進(jìn)而算出管屏的總阻力系數(shù)；利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算高溫再熱器的熱負(fù)荷不均系數(shù)，計(jì)算管屏各管段的熱負(fù)荷；計(jì)算管屏各個(gè)管子的流量(見圖2)；計(jì)算各管段的金屬溫度。

圖2 流量分布計(jì)算流程

2.3 結(jié)果與分析

高溫再熱器同一管屏的1號(hào)至11號(hào)管的質(zhì)量流量見圖3，管屏熱負(fù)荷不均勻系數(shù)見圖4。由圖3可以看出：5號(hào)管的質(zhì)量流量最小，熱負(fù)荷相對(duì)于其驟降的質(zhì)量流量來說較大，使得5號(hào)管的單位質(zhì)量工質(zhì)吸熱較多，導(dǎo)致管出口處工質(zhì)溫度和管壁溫度達(dá)到最高。因此，以5號(hào)管為例，如果5號(hào)管在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，那么高溫再熱器同一管屏內(nèi)的其他管一定也是安全的，若是5號(hào)管不在安全范圍內(nèi)工作，那么管屏也就可能會(huì)發(fā)生超溫甚至爆管。

圖3 各管質(zhì)量流量

圖4 各管熱負(fù)荷不均勻系數(shù)

抽汽后各管出口溫度及壁溫見圖5。

圖5 抽汽后高溫再熱器出口溫度及管壁溫度

由圖5可以看出：越靠近高溫再熱器管子出口，工質(zhì)溫度及金屬溫度越高，在出口處工質(zhì)溫度與管壁溫度均達(dá)到最大值。爐內(nèi)管子越長，受熱面積越大，工質(zhì)的吸熱量越多，工質(zhì)溫度也就越高。由于金屬壁溫主要由工質(zhì)溫度決定，同時(shí)與熱流密度、工質(zhì)側(cè)傳熱系數(shù)、材料導(dǎo)熱系數(shù)、管壁厚度及管壁內(nèi)外徑比等因素有關(guān)，故金屬壁溫也沿管長呈遞增的趨勢，在出口處達(dá)到最大值。

5號(hào)管抽汽前后溫度見圖6和圖7。

圖6 5號(hào)管抽汽前管壁溫度與工質(zhì)溫度

圖7 5號(hào)管抽汽后管壁溫度與工質(zhì)溫度

溫度最高的管子是5號(hào)管，抽汽前管外壁溫為624 ℃，而抽汽后的管外壁溫為633 ℃，低于管材的許用溫度665 ℃，但鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，一定有一些管屏的熱偏差是高于此值的，這些管屏的實(shí)際壁溫也會(huì)高于633 ℃。一般來說，管壁最高溫度高于管壁平均溫度30 K，有可能會(huì)超過管材許用溫度665 ℃，造成高溫再熱器的超溫或者爆管，因此汽輪機(jī)抽汽后的運(yùn)行是相對(duì)危險(xiǎn)的。

3 結(jié)語

(1) 汽輪機(jī)從高溫再熱器進(jìn)口抽汽供熱后，對(duì)高溫再熱器的受熱面影響最大。

(2) 機(jī)組抽汽質(zhì)量流量為130 t/h，鍋爐高溫再熱器的壁溫超過允許范圍，鍋爐不能安全運(yùn)行，高溫再熱器管屏?xí)霈F(xiàn)超溫甚至爆管的可能。

(3) 對(duì)于大容量機(jī)組，在確定抽汽供熱的方案時(shí)，必須考慮到機(jī)組的安全性。建議在鍋爐熱力計(jì)算和汽輪機(jī)熱力計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定機(jī)組在抽汽供熱條件下的各受熱面安全性因素的影響，并結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，確定最大供汽量或機(jī)組最高負(fù)荷，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)受熱面影響最大的部件的金屬壁溫。