过热汽温串级控制系统的设计.docx

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1、引 言 火电厂锅炉汽温控制系统具有大迟延、大惯性的特点，且影响汽温变化的扰动因 素很多，如蒸汽负荷、烟气温度和流速、火焰中心位置、减温水量、给水温度等等， 这些扰动会极大影响机组的平安、经济运行。本设计的工作意义是：大型火电厂锅炉 过热汽温对电厂平安经济运行有着重要影响, 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中温度 最高点，如果蒸汽温度过高就会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏， 威胁机组的平安运行。如果过热蒸汽温度偏低，那么蒸汽含水量增加，会降低电厂的 工作效率，甚至会使汽轮机带水，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。所以控制好过热 器出口温度非常重要。通常要求它的温度保持在额定值5 范围内。 常

2、规的蒸汽温度控制方案大致可分为两种: 一种是串级控制, 另一种是导前微分 控制。目前该领域的控制方法有：过热汽温FPID(模糊PID)控制系统, 基于控制历史 的过热汽温模糊串级控制系统，过热汽温鲁棒PID控制系统，但以上方法都只是理论 研究，应用于实际生产之中的控制方式以传统方法为主。继续提高主汽温、再热汽温 的控制品质，仍具有较高的理论与实用价值。本文以过热汽温串级控制系统的思路对 被控对象进行研究与分析，针对被控对象的大延迟，不确定等特点，选择串级控制系 统能够获得较好的抗干扰性能和动态特性。 第一章 单元机组燃烧系统 本课题研究对象为200MW单元机组过热汽温串级控制系统，锅炉为高温、

3、亚临 界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，下面将先介绍 锅炉的燃烧系统。 1.1 燃烧室(炉膛) 炉膛断面尺寸为深12500mm、宽13260mm的矩形炉膛其深宽比为。这样近似正 方形的矩形截面为四角布置切圆燃烧方式创造了良好的条件。从而使燃烧室四周的水 冷壁吸热比拟均匀，热偏差较小。 燃烧室上部布置四大片分隔屏过热器，便于消除燃烧室上方出口烟气流的剩余旋 转，减少进入水平烟道的烟气温度偏差。 汽包 汽包横向布置在锅炉前上方，汽包内径为 1743 f，壁厚145mm，筒身长20500mm， 筒身两端各与半球形封头相接，筒身与封头均用BHW-35钢材制成。汽包内部下方装

4、 有给水分配管。四根大直径下降管那么均匀布置在汽包筒身底部。给水分配管上的给 水孔正好在下降管管座上方，可以防止汽包壁受到低温水冷的影响，使汽包上下壁温 比拟均匀。下降管入口处装有十字形消涡器，以减少或消除下降管入口产生旋涡带汽， 保证水循环平安。汽包内部装有轴流式旋风别离器、波浪形枯燥器、连续排污管、事 故紧急放水管和加药管等。 1.3 水冷壁 锅炉炉膛四周炉墙上敷设的受热面通常称为水冷壁。中压自然循环锅炉的水冷壁 全部是蒸发受热面，高压、超高压和亚临界压力锅炉的水冷壁主要是蒸发受热面。在 直流锅炉中，水冷壁既是水加热和蒸发的受热面，又是过热受热面，但水冷壁仍然主 要是蒸发受热面。 一、水冷

5、壁的工作特点与作用 锅炉开展初期，使用水冷壁主要是为了保护炉墙，布置在炉墙前的水冷壁管吸收 大量炉内高温火焰的辐射热量，以降低炉墙的温度，使炉墙的机械强度提高，锅炉运 行可靠平安。开展到今天，水冷壁已成为锅炉的主要受热面之。它具有以下的特点 和作用： (1) 强化传热，减少锅炉受热面面积。 (2) 降低高温对炉墙的破坏作用，起保护炉墙的作用。 (3) 能有效地防止炉壁结渣。高温熔融的焦炭和灰渣一旦碰撞在温度较低的水冷 壁管上，很快降温凝固，失去粘性而下滑至冷灰斗。防止熔融灰渣粘结在高温炉墙上 而造成结渣现象。 (4) 悬吊炉墙。近代中大型电站锅炉都采用敷设在水冷壁管上的敷管炉墙或管承 炉墙。炉

6、墙的全部重量靠悬吊的水冷壁支承，同时，受热面与水待壁一起向下膨胀。 (5) 作为锅炉主要的蒸发受热面。 水冷壁由内螺纹管和光管组成。四周炉墙上共划分为32 个独立回路，其中两侧 墙各有6个独立回路，前、后墙各有6个回路。最宽的回路有23根管子，它位于前、 后墙中部。炉膛四角为大切角，每一切角处的水冷壁形成2个独立小回路，四角共8 个独立小回路。切角下部形成燃烧器的水冷套，以保护燃烧室不致烧坏，水冷套与燃 烧器一起组装出厂。 过热器 ，过热器系统比拟复杂和庞大。过热器系统包括顶棚过热器、低温对流过热器、 分隔屏及后屏过热器、高温对流过热器等。 顶棚过热器分前炉顶过热器和后炉顶过热器，也包括延伸烟

7、道，即水平烟道两侧 墙的包覆管过热器。低温对流过热器水平布置在尾部烟道隔板的后烟道，逆向对流传 热。四大片分隔屏过热器布置在炉膛上方，每片分隔屏由6小片管屏组成，其外形尺 寸为高13400mm、宽228200mm，分隔屏的横向平均距离为2698mm。20片后屏过 热器布置在炉膛出口处，每片后屏由14根U形管组成，位于炉膛内的屏高14300mm。 1。 高温过热器那么布置在炉膛折焰角的上方，为顺流对流过热器 再热器 再热器分成两级，第一级再热器是位于尾部烟道前烟道的低温对流再热器，第二 级再热器那么位于水平烟道，装在高温过热器后面的高温对流再热器。汽轮机高压缸 的排汽，首先进入低温再热器，经加热

8、后由低温再热器出口集箱引入高温再热器，加 热后由高温再热器出口集箱分二路送至汽轮机中压缸，继续做功。 省煤器 省煤器为一组水平蛇形管，布置在尾部烟道的后烟道低温过热器的下方，顺列布 置，垂直于前墙。进入这种受热面的烟道温度最低，因此称它为尾部受热面或低温受 热面。应用省煤，是为了使给水在进入汽包前先在尾部烟道吸收烟气热量，以降低排 烟温度，提高锅炉效率，节约燃煤量，所以称为省煤器。省煤器能省煤是因为锅炉给 水温度比汽包压力下的饱和水温度低很多，所以使用省煤器与使用蒸发受热面相比， 可以使烟气温度降得更低。应用省煤器的目的： 为了减少蒸发受热面，以价格低廉的省煤器受热面代替价格昂贵的蒸发受热 面

9、。 给水经省煤器加热后，温度接近或到达汽包内水的温度。这样进入汽包时可 以减少给水与汽包壁的温度，使汽包的热应力降低，延长汽包使用寿命。 空气预热器 锅炉设置了两台转子直径为 10330 f的三分仓回转式空气预热器，它们布置在尾 部烟道的下方，用以加热一次风和二次风。预热器在正常情况下，均由主电动机驱动， 当冲洗盘车或主电源发生故障时，那么由另一电源的辅助电动机驱动。预热器的径向、 周向和轴向均有密封装置，以防止和减少漏风，并装有吹灰器。 空气预热器不仅能降低排烟温度，提高锅炉效率，而且经过预热的空气参加燃烧 能改善燃料的着火和燃烧条件，减少燃料的不完全燃烧损失，进一步提高锅炉效率。 这对于难

10、着火的燃料尤为重要。 燃烧设备 燃烧器的布置采用四角布置切圆燃烧方式，在炉室下部四个切角处各布置一组直 流式宽调节摆动式燃烧器(简称WR燃烧器)，每组燃烧器由8层二次风喷嘴、4层一 次风喷嘴和2层三次风喷嘴组成。燃烧器区域切角管形成的水冷套，把整个燃烧器包 围成水冷套保护屏，可以有效地防止燃烧器烧坏和结渣，燃烧器的重量通过法兰传递 到水冷壁上。 每一层一次风喷口与二次风喷口作间隔布置，而下面两层一次风及上面两层一次 风又相对集中，这样有利于低挥发粉煤的燃烧和稳定。两组三次风那么集中布置在顶 部二次风的下方，其喷嘴向下倾斜10 ，而不再行摆动。除顶部二次风摆动为手动外, 其余喷嘴的摆动均由摆动气

11、缸驱动作整体摆动。一次风摆动的角度为13 ，二次风摆 动角度为15 ，最下层的二次风喷嘴(AA)挡板为手动，经常处于常开位置。 蒸汽温度调节方法 过热蒸汽温度由喷水减温器进行调节。喷水减温是将水直接喷入过热蒸汽中，水 被加热、汽化和过热，吸收蒸汽中的热量，到达调节汽温的目的。喷水减温是直接接 触式热交换，惯性小，调节灵敏，易于自动化。过热器系统共布置两级喷水减温，第 1级布置在分隔屏进口的汇总管道上，MCR工况时的设计喷水量为26t/h，用以控制 进入分隔屏的蒸汽温度，喷水量大些，作为汽温的粗调，并起保护屏的作用；第 2 级喷水减温器那么布置在后屏过热器出口的左右连接管上，其设计喷水量为9t/

12、h，用 于控制高温过热器的出口汽温，以获得所需要的过热蒸汽温度，作为蒸汽温度的细调， 控制过热器出口汽温。 再热蒸汽的温度调节利用布置在尾部烟道下方的烟气挡板来到达。根据不同工 况，调节烟气挡板开度，以改变进入低温再热器的烟气流量，从而保证在各种工况下 的额定汽温。 在低温再热器进口管道上设置了事故喷水减温器，以防止过高温度的汽轮机高压 缸排汽进入再热器。在低温再热器出口管道上设置了微量喷水减温器，以调节再热器 出口左右的温度偏差。 第二章 过热器系统 本章将研究过热器的结构特点及布置情况，为分析掌握研究对象的生产过程、动 态特性及影响汽温变化的各种因素奠定根底。 2.1 过热器系统的结构 过

13、热器的系统布置，应能满足蒸汽系统的要求，并具有灵活的调温手段，还应保 证运行中管壁不超温和具有较高的经济性等，其复杂性与锅炉的参数有关。锅炉炉膛 的辐射传热根本上与蒸发所需的热量相当。过热蒸汽的温度一般在450480之间， 采用直接布置于锅炉凝渣管束后面沿烟气流向的对流式过热器已能满足需要。过 热器一般分为低温级和高温级按蒸汽流程。低温级布置在高温级后面沿烟气流 向，采取逆流传热方式，以节省受热面。布置在较高烟温处的高温级，又可分为两 段，第一段仍以逆流传热的方式布置在烟道两侧沿宽度方向，第二段为顺流传热， 布置在烟道中部。 过热器的分级或分段，应以每级或每段的蒸汽焓增不超过 250420kJ

14、/kg60 100kcal/kg为宜，以减少热偏差。各级或各段间的蒸汽温度的选取应考虑钢材的性 能。例如，20号碳钢管，金属温度应不超过500，蒸汽最高温度宜为400左右。 当蒸汽温度为 450或更高时，如过热器高温级或高温级第二段，就要采用合金 钢制造。 过热蒸汽的减温器一般设置在两级或两段之间。因此，过热器的分级或分段，还 应考虑汽温调节的反响速度问题。减温器以后沿蒸汽流程的过热器段即出口段 的受热面和工质焓增减少，那么汽温调节的反响越快。锅炉过热器出口段的焓增一般 不超过160300kJ/kg约4070kcal/kg。也有人建议，过热器出口段的蒸汽温升不 应超过93 2。 200MW亚临

15、界压力锅炉的过热器系统由炉顶级蒸汽包覆壁过热器、低温过热器、 分隔屏过热器、后屏过热器和末级高温过热器五级组成。 在炉顶级蒸汽包覆壁这一级中，为减少管内蒸汽压降，采用了几次并联回路。炉 顶过热器分为前炉顶和后炉顶。前炉顶过热器组成炉膛和水平烟道的顶部，共 105 根，节距111mm。炉膛顶部是 1000以上的高烟温区域，采用 50 6 f的15CrMo 合 金钢管。水平烟道顶部采用f456的 20G 碳钢管。前炉顶部全部为分段鳍片管，在 安装时焊接成密封炉顶。后炉顶过热器管构成尾部烟井的顶部，一共 85 根,节距为 140mm，采用 57 7 f 的20G碳钢管，与扁钢成排焊接成气密性膜式壁。

16、 蒸汽包覆壁过热器包括水平烟道的两侧延伸墙及底部水平烟道两侧墙前段为延 伸水冷壁，尾部烟井的前侧、后侧与两侧墙组成，除尾部烟井上部的水平烟道烟气 流通局部为光管外，其余均为钢管与扁钢膜式成排焊，构成气密性炉壁。所有管子材 f和s=152mm，后烟井后墙 料都为20G碳钢，管径与节距分别为：延伸侧墙， 51 6 上部， 57 7 f 和s=145mm，后烟井后墙下部，f385.5和s=145mm。 炉顶和蒸汽包覆壁是从汽包出来的饱和蒸汽流过的第一级过热器。管内蒸汽温度 最低，管壁温度低，作为气密式炉壁，对炉墙绝热材料要求低，同时可减少锅炉的散 热损失。 低温过热器由水平和垂直两段组成，全部布置在

17、烟气温度较低的尾部竖井烟道 内。作为第二级过热器，管内蒸汽温度不高，与烟气有较大的温差。 水平低温过热器由四组水平蛇形管组成，每组84排，全部由水冷悬吊管承重支 吊。最后通过垂挂布置的垂直低温过热器从后炉顶引出。每排蛇形管由5根管子并联 套弯的多管圈结构。管子外径为 51 f，横向节距为140mm。除下面两组水平布置蛇形 管的材料为20G碳钢外，其余为15CrMo和12Cr1MoV。 分隔屏又称大屏共4片，均匀布置于上部炉膛的前部。每片由并联布置的6 小片U型套管组成，每小片由8根管子套弯。管子外径全部为12Cr1MoV，其余各圈 均为15CrMo和12Cr1MoV。大节距分割屏起到切割旋转烟

18、气流，减少扭转剩余的作 用，有利于降低进入过热器的烟气沿炉宽方向的烟温偏差。 后屏过热器布置在上部炉膛分隔屏之后，共20片。每片由14根并联管子套弯成 U型管圈结构。管径为 51 f，材料为12Cr1MoV和12Cr2MoWVTiB合金钢。屏间横 向节距为570mm。最外圈管径为 60 f，材料采用TP-347H不锈钢 3。 过热器分隔屏与后屏的定位和夹持采用蒸汽冷却定位管。定位管内的蒸汽从分隔 屏入口联箱引出，受热后引至后屏出口联箱。定位管既受到炉膛高温烟气的辐射热， 又受高温烟气较强的对流冲刷，管壁温度较高，为确保运行平安，采用 TP-347H 不 锈钢。 末级高温过热器布置在水平烟道中，

19、以对流传热为主，属对流式过热器。共 60 排蛇形管，立式悬吊布置，每排由 4 根管并联套弯。管子外径为 51 f，横向节距为 171mm。为锅炉最高工质温度受热面，材料为12Cr2MoWVTiB合金钢。 整个过热器为辐射和对流组合式系统，具有较好的汽温特性。各级或段之间用集 中大直径管道及三通管道连接，既使布置简化，又加强了蒸汽的充分混合，有利于减 少过热器热偏差；在后屏出口联箱与末级高温过热器进口联箱之间布置左右交叉连接 管，更可以减少过热器左右两侧的热偏差。 在分隔屏进口和末级高温过热器进口管道上布置有两级喷水减温器，用于调节过 热蒸汽温度。布置在分隔屏进口的第一级减温器还有控制进入分隔屏

20、的蒸汽温度，防 止分隔屏和后屏出口管壁超温的作用。有的锅炉，如型燃煤自然循环锅炉，为更有 效防止后屏局部超温，在后屏入口处又加一级喷水减温器，共设置三级减温器。 2.2 过热器系统概述 2.2.1 过热器的作用 蒸汽过热器是锅炉的重要组成局部,是电厂锅炉的一个重要受热面,它的功用是： (1) 将饱和蒸汽或低温蒸汽加热成为到达一定的合格温度的过热蒸汽。 (2) 调节蒸汽温度。当锅炉负荷、煤种等运行工况变化时，进行调节，保持其出 口温度在额定值的-10+5范围内。 过热器的特点 (1) 由于过热器的出口处工质已到达其在锅炉中的最高温度，是锅炉中金属壁温 最高的受热面，所以过热器的许多局部，特别是它

21、的末端局部需要采用价格较高的合 金钢，甚至不锈钢。由于钢材的限制，现今绝大多数电站锅炉的过热蒸汽温度被限制 在 540555的水平。个别燃料需从国外进口的工业兴旺国家，为提高循环效率,降 低燃料消耗，而采用较好的合金钢材，其大容量电站锅炉的过热蒸汽温度已达568 570。 通常为降低锅炉造价，尽量防止采用更高级别的合金钢，设计时，几乎使各级过 热器和再热器金属管子的工作温度都接近极限温度。在这种情况下，假设在超过其设 计工作温度 1020下长期运行，会使其热应力下降 50%左右。为此，在锅炉运行 中应保持汽温稳定，汽温的波动不应超过额定温度的-105的范围。 (2) 整个过热器的阻力，即工质压

22、降不能过大。因大局部过热器和再热器都布置 在较高烟温区域，为了使得他们的管子得到较好的冷却，就得使管内工质有较高的流 速。工质流速越高，阻力越大，工质的压降就会越大。 对于过热器，工质的压降越大，要求锅炉汽包的工作压力就越高，除给水泵的功 率消耗越大外，汽包、水冷壁、下降管、导汽管等承压部件壁厚也需增大，他们的材 料和制作本钱就会提高。因此，一般要求整个过热器内工质的压降不超过其工作压力 的10%。 (3) 过热器管壁的冷却条件较水冷壁和省煤器差。由于亚临界以下参数的蒸汽密 度较小，特别是再热蒸汽密度更小，在相同条件下，管壁与蒸汽之间的放热系数就小， 蒸汽对管壁的冷却能力就差。且过热器与再热器

23、内的工质温度又处在锅炉中最高部 位，因此为使管壁金属得到有效冷却，防止烧管和爆管事故，必须使得管内蒸汽具有 较高的流速。但是较高的流速会产生较高的压降。综合考虑管壁冷却和压降的两个因 rw =； 素，过热器的工质质量流速分别采用：对流过热器低温级，400700kg/(m s) rw =；半辐射屏式过热器， rw = 8001200kg/(ms)； 辐射式过热器，10001500kg/(m s) 高温级，7001100kg/(m s) rw = 4。 (3) 过热器出口汽温将随锅炉负荷的变化而变化。这是由于过热器有相当局部布 置在水平烟道和尾部竖井烟道内，传热以对流换热方式为主，当锅炉负荷变化时

24、，受 热面管外烟气流速和管内工质流速都将发生变化，管内外的对流放热系数随着改变， 导致管内蒸汽吸热量改变。 (4) 过热器管间的烟气流速受多种因素的影响。通常，在锅炉额定负荷，布置在 水平烟道时采用1014m/s烟气流速，燃油和燃气时可提高到20m/s。布置在尾部竖 井烟道时，管内烟速不宜超过 9m/s。这是由于，当管间烟气流速太低时，传热性能 较差，并由于冲刷能力降低，容易产生积灰，当烟速低于3m/s 时，将引起严重堵灰 现象，一般要求在额定负荷时管间烟速不低于6m/s。较高的烟速可以提高传热系数， 减少传热面积，但烟气中所含飞灰对管子的磨损会加剧。水平烟道靠近炉膛出口，处 在高烟温区域，高

25、温飞灰具有一定的黏结性，易于在管壁上产生高温烧结性积灰，但 飞灰由于高温软化，对管子的磨损能力比拟弱。结合积灰、磨损和传热三因素，可采 用较高的烟气流速，燃油和燃气时根本无飞灰，烟速可更高。在尾部竖井烟道中，烟 温已降至 600700，飞灰已无粘性，但灰粒变硬，对管壁的磨损能力增大，应采 用较低的烟气流速。 过热器的分类 根据传热方式的不同，过热器可分为对流式、辐射式、半辐射式、包覆过热器四 种形式。 (1) 对流过热器 对流过热器是指布置在对流烟道内主要吸收烟气对流放热的过热器。对流过热器 由蛇形管受热面和进、出口联箱组成。蛇形管一般采用外径为2858mm的无缝钢管 弯制而成。管壁厚度根据强

26、度计算确定，管材根据过热器工作条件确定。根据烟气与 蒸汽的流动方向，对流过热器可分为逆流、顺流、双逆流及混合流四种布置方式如图 2-1所示。 逆流布置的过热器，蒸汽温度高的一段处于烟气高温区，金属壁温高，但由于平 均传热温差大，所需受热面较少，这种布置方式常用于过热器的低温级。顺流布置的 过热器，蒸汽温度高的一片处于烟气低温区，金属壁温较低，平安性较好。但由于平 均传热温差小，所需受热面较多，经济性差，顺流布置方式多用于蒸汽温度较高的最 末级。混合流布置的过热器，“冷段为逆流布置，“热段为顺流布置，“冷段具 有较大的平均传热温差，“热段管壁温度也不致过高。它广泛用于中压锅炉，高压 和超高压锅炉

27、过热器的最后一级也常釆用这种布置方式。 E vv h 5 I Pi AA RA. Pr EE 一 一 一一 7 FTF (a IEEE 全) 逆流 出 局 h EE Ee it 一 一 一 FAV Ar AA A A a SITS, Ce) ALR EE (IRS 图2-1 烟气与蒸汽的流向 (a顺流；b逆流；c双逆流； (d)混合流 根据蛇形管的布置方式，对流过热器可分为立式和卧式两种。立式过热器的蛇形 管为垂直放置，它的支吊结构比拟简单且管子不易积灰，蛇形管的上弯头通过吊钩吊 挂在锅炉的钢架上，停炉时管内存水不易排出，立式过热器通常布置在炉膛出口的水 平烟道中。卧式过热器的蛇形管为水平放置

28、，停炉时管内存水容易排出，但其支吊结 构比拟复杂且管子易积灰，通常用有工质冷却的受热面管子作为其悬吊管，卧式过热 器通常布置在尾部竖井烟道中。 根据锅炉容量和必须保证的蒸汽流速，过热器的蛇形管可布置成单管圈、双管圈 及多管圈形式。大容量锅炉通常采用多管圈结构。 根据蛇形管的排列方式，对流过热器可分为顺列和错列两种布置方式，在烟气流 速和管子排列特性等相同的条件下，错列布置受热面的传热系数比顺列布置大，但顺 列管的外表积灰比错列更易去除。国内绝大多数锅炉在高温水平烟道中采用立式顺列 布置的受热面可防止结渣和减轻积灰程度)，而在尾部竖井烟道中采用卧式错列布 s /d = 23，相对纵向节距较小，

29、置的受热面。受热面顺列布置时，相对横向节距 1 s /d =1.62.5，当过热器的进口烟气温度较高并接近 1000以上时，为了防止结渣， 常把过热器管的前几排拉稀，相对横向节距 1 2 s /d 4.5，相对纵向节距 s /d 3.5。 2 受热面管内工质的流速与管子金属的冷却及工质的压降有关，管内工质的流速越 高，管子的冷却效果越好，但工质的压降也越大。过热器系统允许的压降不应超过过 rw = 400700kg/(m2 s)，高温 热器工作压力的 8%10%。建议低温级的质量流速 级的质量流速 rw = 7001100kg/(m2 s)。 按照蒸汽吸热过热的顺序，锅炉过热器的布置一般也有四

30、种型式：先对流后辐射、 先辐射后对流、对流辐射对流和辐射对流辐射。具体见图2-2所示。其中应 用最多的是先辐射后对流及对流辐射对流两种。 (2) 辐射式过热器 辐射式过热器是指布置在炉膛中直接吸收炉中辐射热的过热器。辐射式过热器有 多种布置方式，假设布置在炉膛壁面上，称为墙式过热器；假设水平布置在炉顶，称 为顶棚过热器；假设悬挂在炉膛上部并靠近前墙，称为前屏过热器。 辐射式过热器不仅使炉膛有足够的受热面来冷却烟气，同时由于辐射式过热器的 温度特性与对流式过热器相反，还可改善锅炉汽温调节特性。国内大容量自然循环锅 炉为了确保平安可靠运行，通常采取顶棚过热器，有时还采用前屏过热器，未采用墙 式过热

31、器。 由于炉内热负荷很高，辐射式过热器的工作条件恶劣。为了改善工作条件，辐射 式过热器通常作为低温级受热面，布置在远离火焰中心、热负荷稍低的炉膛上部，而 rw =1500/() kg m2 s 。 且管内采用较高的蒸汽质量流速，通常1000 (3) 半辐射式过热器 半辐射式过热器是指布置在炉膛上部或出口处，既吸收烟气的对流热又直接吸收 炉内的辐射热的过热器。由于它像屏风一样把炉膛上部隔成假设干个空间，通常又称 为屏式过热器。屏式过热器由许多管子紧密排列的管屏组成，管屏通常悬挂在炉顶构 架上，可以自由向下膨胀，为了增强屏的刚性，相邻两屏用连接管连接，在屏的下部 用中间的管子把其余的管子包扎起来。

32、 管屏中并列管子的限数大约为 1530 根，管子外径为 3258mm，屏间节距为 s = 6001200mm，相对纵向节距 s /d 。屏式过热器热负荷高，为了提高受热面工 1 2 作的平安性，屏式过热器通常用作低温级过热器，并且管内蒸汽的流速应比同样压力 的对流过热器高，通常质量流速 rw = 7001200kg/(m2 s)。烟气在屏与屏之间的空 间流过，烟气流速通常为6m/s左右。 屏式过热器通常分为立式布置和卧式布置两类。对具有前屏过热器的锅炉，常将 屏式过热器称为后屏过热器。屏式过热器以辐射为主，与对流过热器联合使用，可改 善汽温变化特性。 图2-2 过热器的几种根本布置型式应 (4

33、) 包覆过热器 大型锅炉为了采用全悬吊结构和敷管式炉墙，在水平烟道、转向室、尾部烟道内 壁布置了过热器管，此种过热器称为包覆过热器。包覆过热器悬吊在锅炉顶梁上，炉 墙敷设在管子上，可简化炉墙结构。包覆过热器的传热效果差，吸热量小，通常作为 锅炉的附加受热面。 包覆管可采用光管结构，相对节距s/d =1.11.2,为了保证对流烟道的严密性也 可采用膜式结构，相对节距s/d = 23。包覆过热器的管径与对流过热器的相同，国 产的超高压、亚临界压力锅炉及局部高压锅炉都装有包覆过热器。 Tah Oo = 5 中 nmTTTTTTTEHT。 Ww Ww 2 一 i g 10 “T 7 = 图2-3 20

34、0MW机组过热器系统图 1-汽包；2-前屏过热器；3-后屏过热器；4-顶棚过热器； 5-侧墙包覆过热器；6-后墙包覆过热器；7-低温对流过热器； 8-第一级减温器；9-第二级减温器；10-高温对流过热器 过热器的汽温特性 所谓汽温特性，是过热器出口蒸汽温度与锅炉负荷之间的关系。辐射式过热器只 吸收炉内的直接辐射热。随着锅炉负荷的增加，辐射过热器中工质的流量和锅炉的燃 料耗量按比例增大，但炉内辐射热并不按比例增加，因为炉内火焰温度的升高不太多。 也就是说，随锅炉负荷的增加，炉内辐射热的份额相对下降，辐射式过热器中蒸汽的 焓增减少，出口蒸汽温度下降，如图2-4中曲线1所示。当锅炉负荷增大时，将有较

35、 多的热量随烟气离开炉膛，被对流过热器等受热面所吸收，对流过热器中的烟速和烟 温提高，过热器中工质的焓增随之增大。因此，对流式过热器的出口汽温是随锅炉负 荷的提高而增加的。过热器布置远离炉膛出口时，汽温随锅炉负荷的提高而增加的趋 势更加明显，如图 2-4 中曲线 2、3 所示，对流式过热器的出口汽温是随着负荷的增 q 降低，烟气对过热器的辐 射换热份额减少，汽温随负荷增加而上升的趋势更明显，这就是图中曲线3的斜率大 于曲线2的原因。可以预期，屏式过热器的汽温特性将稍微平稳一些，因为它以炉内 加而增大的。过热器离炉膛出口越远，过热器进口烟温 辐射和烟气对流两种方式吸收热量。不过它的汽温特性有可能

36、是在高负荷时对流传热 占优势而低负荷时那么辐射传热占优势。高压和超高压锅炉的过热器，虽然有辐射、 半辐射和对流三种吸热方式，但份额毕竟不大，整个过热器的汽温特性仍是对流式的， 即负荷降低时，出口汽温将下降。 - 50 100 Rf % 图2-4 过热器的汽温特性 1-辐射式过热器； 2-对流过热器 2.4 过热器的热偏差 2.4.1 什么是热偏差 锅炉受热面管子长期平安工作的首要条件是必须保证它的金属工作温度不超过 该金属的最高允许温度。 t 可用下式进行计算： 过热器和再热器管段金属壁面平均温度 b d bm =+ D+ 11 t ttq bgp 放热系数 max () 1 2 a 提高可使

37、金属壁温 2 ab l (2-1) + t 降低。放热系数的大小与管内工质的质量流速 b 式中： t 为管段内工质温度， g Dt 为考虑管间工质温度偏离平均值的偏差， p b 为 管段外径与内径之比， m 为考虑管子周界方向的热传递系数， q 为在热负荷最大的 max 管子上热流密度的最大值， a 为工质放热系数，d 为管壁厚度，l 为管段金属的导热 2 系数。 由上式可见，管内工质温度 t 和受热面的热负荷q越高，管壁温度 g t 就越高；而 b rw 有 关，提高蒸汽的质量流速可以加强对管壁的冷却作用，使壁温降低，但将增大压力损 失。 由于过热器和再热器中工质的温度最高，同时受热面的热负

38、荷也相当高，而蒸汽 的放热系数却较小，故过热器(或再热器)是锅炉各受热面中金属工作温度最高、工作 条件最差的受热面。其管壁温度已接近管子钢材的最高允许温度。因此，必须防止个 别管子由于设计不良或运行不当超温损坏。过热器是由许多并列管子组成的管组。管 组中各根管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能各不相同。因此每根管子中的 蒸汽焓增也就不同，工质温度亦不同。这种现象叫做过热器的热偏差，焓增大管组平 均值的那些管子叫偏差管。 j 表示，即 过热器管组热偏差的程度可用热偏差系数 h h o F G pp 0 F j = D D h h p D= p q F p p G D= o q F o o G

39、 式中： o Dh 为偏差管焓增， p Dt 越大。该管段金属管壁平均温度就越高，因此，必须使过热 器再热器管组中最大的热偏差系数 max p Dh 为管组平均焓增， o q 、 p F 、 p o G 分别为偏差管管 p 外壁热负荷，受热面积及工质流量； 热面积及工质流量，于是 q 、F 0 、 G 分别为管组管外壁平均热负荷，受 o j q = h h q F (2-2) h = q q q q 00 p o G p h h = F G F F p o h = G G G p o 式中： h 为吸热不均匀系数， q h 为结构不均匀系数， F h 为流量不均匀系数 G 5。 显然，热偏差系

40、数 质温度平均值的偏差 j 越大，管组的热偏差越严重。偏差管段内工质温度与管组工 p j小于最大允许值时的热偏差。即管壁金属 温度到达最高允许值的热偏差，否那么，将会使管子因过热而损坏。 随着电站锅炉容量的增大及蒸汽参数的提高，在锅炉中越来越多地采用屏式过热 器，同时由于锅炉相对宽度的减小，对流过热器每片蛇形管束所采用的管圈数也相应 增多。可见，对于整个管组，不仅存在屏(片)间热偏差，且同时还存在同屏(片)热偏 差。由于屏式过热器位于炉膛内或炉膛出口处的高温区，受热面的热负荷很高，如屏 间和同屏热偏差过大，必将导致局部管子发生过热损坏。根据国内有关文献介绍，同 屏热偏差是影响屏可靠工作的最主要

41、因素，必须予以足够的重视。 由于过热器并列工作的管子之间受热面积差异不大，产生热偏差的根本原因主要 是烟气侧的吸热不均和蒸汽侧的流量不均。显然，对于过热器来说，最危险的将是热 负荷较大而蒸汽流量较小，因而其汽温又较高的那些管子。 热偏差的引起原因 (1) 烟气侧热力不均(吸热不均) 过热器管组的各并列管是沿着炉膛宽度方向均匀布置的，因此，锅炉炉膛中沿宽 度方向烟气的温度场和速度场的分布不均匀，是造成过热器并列管组热力不均匀的主 要原因。而这些原因的产生可能是由于结构特点引起的，也可能是由于运行工况的改 变引起的。 由于炉膛四壁布有水冷壁，因此靠近炉壁的烟气温度远比火焰中心温度低。流速 亦较小，

42、炉膛中四面炉壁的热负荷各不相同，对于某一壁面，沿其宽度和高度的热负 荷差异也较大。同时，当燃烧工况组织不良，火焰中心偏斜，燃烧器负荷不一致。炉 膛局部水冷壁严重结渣，炉膛上部或过热器局部地区发生煤粉再燃烧时，均会造成炉 内烟气温度不均。并将不同程度地在对流烟道中延续下去，从而引起过热器的吸热不 均。 由于设计、安装及运行等因素造成的过热器管子节距不同，使个别管排之间有较 大的烟气流通截面，形成烟气走廊。该处由于烟气流通阻力较小，烟速加快，对流传 热增强。同时，由于烟气走廊具有较厚的辐射层厚度，又使辐射吸热增加，而其他局 部管子吸热相对减少，造成热力不均。 此外，受热面污染亦会造成并列工作管子吸

43、热的严重不均。显然，结渣和积灰较 多的管子吸热减少，对流烟道局部堵灰结渣时，其余截面因烟速增大，因而吸热增加。 还应指出的是，吸热多的管子由于蒸汽温度高、比容大、流动阻力增加，使工质 流量减少，更加大了热偏差。 (2) 工质侧水力不均匀(流量不均) 在并列工作的过热器蛇形管中，流经每根管子的蒸汽流量主要取决于该管子的流 动阻力系数、管子进出口之间的压力差以及管中蒸汽的比容。 并列蛇形管一般均与进、出口集箱相连接，称之为分配集箱和聚集集箱，所以各 管进、出口之间的压差与沿集箱长度的压力分布特性有关，而后者取决于过热器连接 方式。下面以过热器Z形连接方式为例加以说明。蒸汽由分配集箱左端引入，并从聚

44、 集集箱右端导出。在分配集箱中，沿集箱长度方向工质流量因逐渐分配给蛇形管而不 断减少。在其右端，蒸汽流量下降到最小值。其动能逐渐转变为压力能，即动能沿集 箱长度方向逐渐降低而静压逐渐升高。与此相反，在聚集集箱中，静压沿集箱流动方 向那么逐渐降低。由此可知，在Z形连接管组中，管圈两端的压差有很大差异，因而 在过热器的并列蛇形管中导致了较大的流量不均。两集箱左端的压力差最小，故左端 蛇形管中的工质流量最小，右端集箱间的压力差最大，故右端蛇形管中工质流量最大， 中间蛇形管中流量介乎两者之间。 在 U 形连接管组中，两个集箱内静压变化方向相同，因此各并列蛇形管两端的 压差相差较小，使管组的流量不均得到改善。 显然，采用多管均匀引入和导出的连接方式可以更好地消除过热器蛇形管间的流 量不均，但是要增加集箱的并列开孔。 由于锅炉实际工作的复杂性，要完全消除热偏差是不