机组工业抽汽对高温再热器壁温的影响分析

摘要：当前工业用汽需求量不断增加，而机组逐渐向大型化发展，利用热电联产模式不但可以加大电力装机规模，还能增加供热能力，提高能源利用率的同时改善环境质量。为更好的彰显充分利用热电联产的优越性，再热汽抽汽供汽机组在实际中的应用率逐渐增多，但应用后各个受热面温度分布对锅炉是否安全仍有待探究。基于此，本文应用锅炉热力计算方法、高温再热器热偏差计算方法与机组运行数据，模拟现场运行工况，详细分析机组抽汽对高温再热器壁温的影响，为优化亚临界机组的设计与安全运行提供参考。

关键字：工业抽汽;高温再热器;锅炉热力计算;热偏差;壁温;影响

随着国家建立资源节约型、环境友好型社会战略的不断推进，节能环保的概念深入人心，我国电力行业逐渐向低碳化、集约化与环保化方向发展，电力行业正在面临资源与环境的双重夹击。受到火电结构优化调整的影响，以大容量、高参数燃煤机组为主体的电力能源结构逐渐登上历史舞台，主蒸汽温度与再热蒸汽温度多超过500℃，这样的锅炉再热器受热面多采用奥氏体钢管等耐高温的钢材，当机组抽汽供汽、机组负荷大幅度波动、给水系统发生故障、机组RB工况时，便会发生受热管超温爆管的危险，影响机组的安全运行。

一、抽汽供热机组概况

本次研究中的工业抽汽机组为亚临界，一次中间再热机组，汽轮机为单轴双缸双排汽，有八级不调整抽汽，回热系统“三高一低一除氧”，以滑压运行为除氧器，在低压与高压加热器内均内置输水冷却器，此外在高压加热器中还内置了蒸汽冷却器。正常运行汽源为第五段抽汽，应用疏水逐级自流方式、汽动给水泵运行方式为凝汽式小汽机，排汽为主凝汽器。选择THA（热耗验收）计算工况，主要参数如下：机组功率350MW、主蒸汽压力16.67MPa、主蒸汽温度538℃、主蒸汽进汽量294.1kg/s、再热蒸汽压力3.78MPa、再热蒸汽进气量240.6kg/s、高压缸排汽压力4.14Mpa，温度327.7℃、给水温度297℃。

关于工业抽汽量的确定，不同抽汽点差异显著，再热器进口抽汽与低再出口抽汽由于抽汽参数不同，在为用户提供相同品质蒸汽时抽汽量必然不同，其中再热汽进口抽汽的主要参数为：压力4.08MPa、温度327℃、流量20.41kg/s、比焓3030.35j/kg，而低再出口抽汽的主要参数为：压力3.99MPa、温度448℃、流量16.09kg/s、比焓3301.7kj/kg，可以根据减温减压器的能量与质量守恒原则计算出抽汽量与减温水量。

二、机组不同工业抽汽方式的热力计算结果

在实际应用中，机组不同工业抽汽方式对低温与高温再热器的影响大小不同，可以采用锅炉热力计算软件进行详细分析与比较，假设汽轮机发电功率、过热汽温与再热汽温不变，计算THA工况如下：主蒸汽流量294.1kg/s、实际燃煤量32.6kg/s、再热蒸汽流量240.6kg/s、高再进口蒸汽流量240.6kg/s、低再进口汽温327℃、低再出口汽温438℃、高再出口汽温538℃、低再工质温升111℃、高再工质温升100℃;计算低再进口抽汽如下：主蒸汽流量294.1kg/s、实际燃煤量32.6kg/s、低再进口蒸汽流量220.19kg/s、高再进口蒸汽流量220.19kg/s、过热汽温538℃、低再进口汽温327℃、低再出口汽温436℃、高再出口汽温538℃、低再工质温升127.12℃、高再工质温升117.88℃;计算低再出口抽汽如下：主蒸汽流量295.6kg/s、实际燃煤量32.9kg/s、低再进口蒸汽流量242.1kg/s、高再进口蒸汽流量226kg/s、过热汽温539.1℃、低再进口汽温327.3℃、低再出口汽温437.3℃、高再出口汽温539.0℃、低再工质温升110℃、高再工质温升101.7℃。

由计算结果可得：相比于THA工况，抽汽供热后的低温再热器内蒸汽温升有所下降，在高温再热器中蒸汽温升有所上升，比焓增高，同时抽汽供热后高再进口蒸汽流量较低，高温再热器质量流速下降，导致高温再热器出口的工质温度快速升高，故抽汽供熱会导致高温再热器的管壁温度上升，可能会对机组的运行安全造成不良影响。

三、计算高温再热器的热偏差

对于高温再热器而言，工质流量小、热负荷高的偏差管最危险，因为一旦工质温度过高，便会直接导致管壁超温，甚至引起爆管，所以为了更好的确保机组抽汽供热后安全运行，相关工作人员需要计算抽汽供热后高温再热器管壁与THA工况温度变化情况，同时模拟现场运行工况进一步分析抽汽后高温再热器运行情况，计算中我们可以忽略管屏间的流量与热偏差，将其看作是同一个管屏即可。

本次研究中机组的高温再热器位于水平烟道上方，入口为两根连接管，由立式低再出口集箱引入，出口为两根再热导管，由高温再热器出口集箱引入汽轮机压缸，基于此，在计算热偏差时仅需要计算顶棚管中心线以下的受热管即可，一般在工质温度有可能出现的最大点、热负荷最高处、材料变更处以及变径点分段计算，以此来判断管壁是否超温，同屏热偏差计算内容为流量与热负荷计算，流量计算由包括阻力系数计算、流量分配计算和集箱静压分布计算。阻力系数计算结果为：高温再热器每个管屏的11根管中，局部阻力系数均在3以内，变化趋势平缓，总阻力系数与摩擦系数变化趋势一致，均在3号到4号管之间明显增大，其余均变化趋势平缓，整体数据分析3号管的总阻力系数最小，4号管的总阻力系数最大;流量分配计算结果为：同屏各管的流量分配有较大差异，1号到3号管流量偏高，约在0.63-0.66kg/s之间，4号到11号管流量偏低，约在0.54-0.57之间，其中3号管流量最高，4号管流量最低，提示大流量能够带走更多的热量，降低管壁受热面的吸热不均匀性，令管壁充分冷却，从而减少高温再热器的热偏差。集箱静压分布主要采用H型连接的方式。因为各管段的吸热会通过烟气对管段的辐射量、辐射传热量、管间烟气的对流传热量组成，所以最终计算热偏差可以利用管段辐射、对流吸热特点的计算来完成。

四、计算高温再热器的壁温

高温再热器的壁温会受到管道材质、结构、吸热量与参数等因素的影响而具有差异性，我们需要计算高温再热器管屏不同管长的壁温，然后对比各段管子的壁温增量并结合设备上提供的报警温度与管壁温度得出抽汽后高温再热器的运行安全情况，考虑到管壁吸热不均匀的现象，计算应当采用分段计算模型，同时为确保机组工业供汽后安全运行，还应当准确测量高温受热面出口管的炉外壁温，在采取保温措施的条件下测量锅炉顶罩内温，以此判断机组实际运行工况是否偏离设定工况。

在THA工况下，2号管与4号管壁温较高，这是因为2号管热负荷不均匀系数最大，4号管内工质流量最小的缘故，所以这两根管发生超温爆管的概率最高，在实际运行中应当特别注意，严格控制烟气侧热负荷偏差并确保偏差分布的稳定性。

应用低再进口抽汽与低再出口抽汽，管壁的整体温度变化趋势与THA工况一致，均在2号与4号管壁温较高。在低再进口抽汽与低再出口抽汽供汽后，工质温度与管壁温度则沿着工质流动方向呈总体上升趋势，且在出口处达到最大。管屏工质温度之所以会随着管长的增加而上升，主要是因为管子越长，受热面积就会越大，工质的吸热量也会相应增多的缘故。管壁温度则主要受到工质温度影响，并同时与管壁厚度、内外直径差、热流密度、工质侧放热系数和管材本身导热系数等因素相关，因此管子越长，壁温越高。除此之外我们还发现，在管子中间部分段壁温有短暂下降情况，分析发现出现这一现象是因为相比于其他管段而言没有与烟气横向冲刷，热流密度和对流放热系较小。通过对比低再进口抽汽供热与低再出口抽汽供熱两种不同工况下的管屏温度，均为4号管最高，分析原因为4号管流量最小，相比于流量的下降程度，热负荷的下降几乎可以忽略不计，导致4号管工质吸热量远远大于其他管，尤其是在管子出口的位置，工质温度和管壁温度会达到最高，极易发生超温爆管现象。

小结：

综上所述，本文结合锅炉热力计算，建立热偏差计算模型，通过计算得到机组汽供热后高温再热器壁温的变化，然后参照现场数据进一步分析了机组工业抽汽改造后对高温再热器壁温的影响。由于抽汽后再热汽进口处蒸汽流量相比于THA工况较低，故高温再热器质量流速明显下降，管内的工质温度明显上升，从而导致高温再热器出口位置的温度达到最高，加大了超温爆管的概率。对比再热汽进口抽汽供热与再热汽出口抽汽两种工况，计算结果表明相比于再热器出口抽汽，再热器进口抽汽供热方式对管壁温度的增加更低，相关单位可根据实际情况选择，尤其是对于较大容量的机组，一定要科学选择工业抽汽方案，首先考虑运行安全性，建议在计算好锅炉热力的前提下综合评估工业抽汽后可能影响受热面安全性的因素，结合实际机组运行参数来确定机组抽汽的最高负荷与最大供汽量，进而计算出影响受热面的最大部件壁温。

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作者简介：郭云峰，男，汉族，中级工程师，本科学历，研究方向：工业供汽对再热汽管壁温度影响。