1、中国电力教育 2008年研究综述与技术论坛专刊浅谈锅炉过热器热偏差的原因及防范措施宁国睿+(北京国华电力技术研究中心有限公司，河北燕郊065201)摘要：介绍了大型四角切圆燃烧锅炉热偏差产生的原因，并结合国华太仓发电公司超l临界机组的实际运行情况对过热器热偏差的特点进行了重点阐述，提出了消除热偏差的措施。关键词：四角切圆；过热器；热偏差随着电力生产的发展，安全性和经济性一直是电站锅炉所追求的目标，但受热面超温爆管依然是困扰电厂正常安全运行的主要问题之一。从大型电站锅炉过热器超温爆管现象中不难发现，超温爆管的主要原因就是热偏差的存在，而炉内热负荷分布的不均匀性对热偏差有重要的影响，而热负荷分布依
2、赖炉内烟气的速度场和温度场。自我国引进美国燃烧工程公司(血)的技术以来，四角切向燃烧方式是国内电站锅炉大多采用的一种形式，这种燃烧方式的主要特点是把整个炉膛作为一个大型的燃烧器，炉内气流旋转强烈，煤粉和空气得以强烈混合，使煤粉产生很好的燃烧条件。每一角的煤粉射流都能得到上游邻角煤粉射流的加热、点燃，使煤粉气流着火、燃烧稳定，而且炉内旋转气流呈螺旋状上升一直到炉膛出口，延长了煤粉颗粒在炉内的停留时间，有利于煤粉的燃烬。但这种燃烧方式普遍存在一个问题：在炉膛出口处存在残余旋转，造成炉膛出口左右侧烟气温度场和速度场偏差，并随着锅炉容量的增加，偏差情况会更严重。一、热偏差产生的原因1热偏差定义受热面管
3、组中各根管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷各不相同，每根管子中的蒸汽焓增也就不同，工质温度亦不同，这种现象称为热偏差。2热偏差形成的原因(1)一个管组沿烟道宽度各片屏的吸热量偏差，这是由烟气温度场和速度场的不均匀所引起的。四角切圆燃烧方式的锅炉，由于炉膛出口气流残余旋转的影响，会引起在水平烟道左右两侧存在一定的速度及温度偏差，从而造成两侧对流传热系数及温压的不同，这是沿烟道宽度左右两侧存在吸热偏差的最主要原因。随着锅炉容量的增加，水平烟道中的速度偏差有增大的趋势。有关机构通过对国产200MW、300MW及600MW机组锅炉炉内空气动力场的模化试验发现，水平烟道左右两侧平均速度之比分别可达12
4、4、20及215，这一增加趋势是锅炉从小容量向大容量发展过程中的内在因素造成的。(2)一个管组沿烟道宽度各片屏的蒸汽流量的偏差，这是由进出口集箱中蒸汽静压的变化所造成的。(3)一片屏中各根管子的蒸汽流量的偏差，这是由于各根管子的阻力系数以及蒸汽温度不同所引起的；例如一片管屏的外圈管长度最长。同时外圈管子口径又与其它管子相同，则流量最小；如果出口温度高，反过来又会进一步减小蒸汽流量。(4)一片屏中各根管子的吸热量的偏差，这是由每根管子各个管段吸收屏前、屏后及屏间烟气的辐射热量以及对流热量的偏差所引起。例如，一片管屏的外圈管所吸收的屏前烟气的辐射热量就要比平均管大几倍。如果屏前烟气的烟温高、黑度大
5、，外圈管的总吸热量就会增大很多。(5)由前一级管组出口的温度偏差携带到本级管组进口的温度偏差。以上5个因素中。只有第1个因素与燃烧系统的设计及运行两方面都有关。其它4个因素与运行的关系不大，基本上决定于热力性能和结构设计。二、过热器热偏差的特点江苏国华太仓发电有限公司2600MW机组锅炉为单炉膛、一次中间再热、平衡通风的超临界参数变压运行螺旋管圈直流燃煤锅炉。锅炉型号为SGl91312540一M950，燃烧方式采用摆动式四角切圆燃烧技术。在炉膛上部布置有分隔屏过热器和后屏过热器，水平烟道内沿烟气的流动方向依次布置末级再热器和末级过热器，尾部烟道内沿烟气流动方向依次布置低温再热器和省煤器。1过热
6、器系统过热器系统按照蒸汽流向分为四级：顶棚包墙过热器、分隔屏过热器、后屏过热器及末级过热器。分隔屏和后屏过热器布置在炉膛上部，主要吸收炉膛内的辐射热量。末级过热器布置在水平烟道，受热面星逆流布置，靠对流传热吸收作者简介：宁国謇(1979一)，男，北京人，北京国华电力技术研究中心有限公司，工程师。292 浅谈锅炉过热器热偏差的原因及防范措施热量。在后屏和末过之间进行左右交叉以减少左右侧汽温偏差(图1a)。在国华公司所有600MW亚临界机组中，过热器基本均为平行布置，没有进行左右交叉(图1b)。末级过热器蓠后屏过热器占一占分隔屏过热器末级过热器扭水4后屏过热器0分隔屏过热器(a)有交叉 (b)无交
7、叉图1过热器系统示意图2过热器各级汽温状况根据对2007年太仓嚣8锅炉过热器各级汽温的统计可以看出(见表1)：分隔屏和后屏过热器出口蒸汽温度右侧均高于左侧，交叉到末级过热器后，便形成了左侧汽温高于右侧的现象。末级过热器出口左侧汽温平均比右侧高约9，最高可相差20。表1过热器各级出口蒸汽温度统计平均值过热器名称 左侧 右侧 统计时间分隔屏过热器 452 461 2007年后屏过热器 499 512 2007年末级过热器 570 561 2007正从太仓电厂末级过热器管壁温度统计值看(图2)，#6屏。掸18屏的壁温均在590左右，比右侧高约15一20。虽然没有达到壁温报警值，但鉴于超临界机组锅炉的
8、氧化皮剥落问题，仍需要重点进行关注。6005805605405205002 6 10 14培忽3D 34弼4l乾45 49 53 57 6I 65国73订8I屏号图2末过管屏壁温示意图3热偏差原因分析从理论上分析(图3)，对于四角切圆为顺时针旋转的锅炉：在炉膛出口的左侧，烟气切向速度与水平烟道的方向一致，在引风机的作用下，气流在进入屏区后上升很短的高度就进入水平烟道，即发生了左侧气流“短路”，与分隔屏和后屏过热器换热较弱，进入水平烟道后烟温偏高；而右侧烟气，由于切向速度方向与水平烟道的方向相反，在引风机的作用下，气流偏向炉前上方移动后再进入水平烟道，经历了一个“减速停止一加速”的过程，与分隔屏
9、和后屏过热器换热强烈，进入水平烟道后烟温偏低。图3炉膛烟气流示意图由于烟气速度的差异，相应地流经同一截面不同区域的烟气飞灰携带量也就不同，这会对其后受热面的辐射和对流吸热量产生影响。在流速较高的左侧区域，飞灰通流量增加，由于飞灰颗粒的辐射屏蔽作用，将使左侧分隔屏及后屏过热器的辐射吸热量降低。由此造成屏区过热汽温右侧高于左侧，而进入水平烟道后，左侧对流吸热大于右侧。如果此时将屏过与末过进行左右交叉，便加剧了左右侧汽温的偏差。由于国华太仓电厂锅炉的分隔屏与后屏之间、后屏与末过之间采用了混合集箱(即1个后屏进口集箱，1个末过进口集箱)，在一定程度上使热偏差有所减弱。4过热器热偏差特点(1)对于顺时针
10、旋转燃烧的锅炉，炉膛出口中下部左侧烟温高于右侧烟温；(2)沿炉膛宽度左右两侧的速度偏差较为明显，左侧明显高于右侧；(3)炉膛内屏式受热面的吸热量右高左低；(4)炉膛出口以及水平烟道的对流受热面的吸热量左高右低；(5)如果屏过与末过之间进行左右交叉，且没有采取混合措施，将导致热偏差的加剧。三、防范措施目前在解决烟气热偏差的改进措施方面主要有两种思想：1从。炉”内方面人手，减弱炉膛出1：3的残余旋转，以消除烟气热偏差(1)采用同轴反切风技术因为是烟气能量不平衡，故多从烟气侧人手，力求克服或减弱屏式受热面入口烟气的残余旋转。目前采用的主要有一、二次风同心反切技术、上层燃烬风反切技术，以减弱炉内气流的
11、旋转动量。从目前该技术应用的效果看，对减小蒸浅谈锅炉过热器热偏差的原因及防范措施 293汽系统的汽温偏差以及降低壁温差、改善壁温分布有一定的作用，但消旋风量及角度应经过计算和冷模试验确定。在应用“消旋反切”技术时，往往忽略了一个重要问题：只有消旋风动量达到一定程度后，方能明显改变水平烟道烟气能量及壁温分布，因为炉内旋转的不是一般的气流而是燃烧着的射流火焰。对于燃烧器射流来说，一、二次风射入炉膛后迅速着火燃烧，气流的湍动度和粘度都加大，会卷吸更多的热烟气作旋转流动，射流动量矩的作用得以充分发挥，形成所谓的“启转风”。对于消旋二次风，由于它们在进入炉膛后通常不能立即着火燃烧，因此其卷吸的烟气量要少
12、得多，尽管其原始的消旋动量矩与“启转风”的原始动量矩相当，但消旋能力要小得多。这也就是许多锅炉达不到预期的消旋目标的症结所在，错误地将处理刚体转动的概念应用到处理燃烧中的流体的结果。如平圩600MW机组HG2008186M型锅炉，将顶二次风、上部二次风作22。反切改造后，烟温偏差改善甚微。(2)采用合理的屏结构和折焰角结构由于分割屏是炉内气流进入水平烟道前要经过的第一道屏障，其结构对改善烟气的流速偏差有显著的影响。有关资料显示，采用合适的不等距的布置方式或采用将分割屏偏置布置的方式时，有较好的消旋作用。折焰角结构对改善水平烟道的烟气能量平衡也有显著影响，当采用左右不等深度的折焰角结构和显著增加
13、折焰角高度时，可以减少水平烟道内的烟气速度偏差。(3)对于国华太仓电厂，目前煤粉均匀性较差，其均匀性指数为0709，远低于一般中速磨煤机(HPl003)的1011。此外，磨煤机出口四根粉管煤粉浓度偏差较大，最大相差25倍。这就容易造成煤粉在燃烧过程中产生较大的偏斜，加大热偏差的产生，甚至使煤粉气流刷墙，造成水冷壁区域结渣，对降低NOx排放也十分不利。因此，应加强磨煤机的运行调整，提高煤粉均匀性，降低煤粉浓度偏差。2从“锅”内方面人手，通过合理地布置受热面，以及在各级受热面之间采用合适的连接方法，以控制工质侧的热偏差首先应明确各级受热面的吸热特性及对汽温的影响，在各级受热面间用管路系统将偏差抵消
14、。过热器系统布置既应考虑是否左右交叉，又要考虑混合情况。国华太仓电厂锅炉的后屏与末过之间的左右交叉是否合理就值得商榷。国内某电厂的#l、#2锅炉，其过热器系统布置和国华太仓电厂相似，都是以辐射吸热为主的分隔屏和后屏未交叉，造成上级受热面的热偏差带到下级受热面导致热偏差加大。又因为未注意到以辐射吸热和以对流吸热为主的受热面，在炉膛出口部位两侧热偏差的不同，将前一级以辐射吸热为主的、吸热较多的后屏过热器的出口，交叉引入到后一级以对流吸热为主、吸热较多的末级过热器受热面，造成热偏差的加剧。四、结语1通过切向燃烧锅炉的炉膛空气动力学原理分析，可知水平烟道的温度、速度偏差是由于炉膛出口处残余旋转的存在和
15、引风机引力共同作用的结果。2可通过减弱炉膛出口旋转的措施，包括应用一二次风同心反切、上层燃烬风反切技术以及采用合适的屏结构和折焰角等炉内措施改善水平烟道的烟气偏差。3也可通过相关锅内技术，包括在不同级受热面之间采用合适的联结方法、合理地布置受热面等，减弱及消除烟气偏差对锅炉的影响，减少锅炉受热面的热偏差。参考文献：1岑可法，周吴，池作和大型电站锅炉安全及优化运行技术M北京：中国电力出版社，20022刘武城，张经武，等现代电站锅炉技术及其改造【M北京：中国电力出版社，20063张戟2008th四角燃烧煤粉锅炉烟温偏差实炉测试分析J锅炉技术，20044徐秀清，曾瑞良大容量锅炉四角切圆燃烧时的烟温偏
16、差问题J电站系统工程，20015王胜切向燃烧锅炉烟气热偏差形成的原因及对策J安徽电力科技信息，2003浅谈锅炉过热器热偏差的原因及防范措施作者： 宁国睿作者单位： 北京国华电力技术研究中心有限公司,河北,燕郊,065201刊名： 中国电力教育英文刊名： CHINA ELECTRIC POWER EDUCATION年，卷(期)： 2008，“(z2)被引用次数： 0次参考文献(5条)1.岑可法.周昊.池作和 大型电站锅炉安全及优化运行技术 20022.刘武城.张经武 现代电站锅炉技术及其改造 20063.张戟 2008t/h四角燃烧煤粉锅炉烟温偏差实炉测试分析期刊论文-锅炉技术 20044.徐秀
17、清.曾瑞良 大容量锅炉四角切圆燃烧时的烟温偏差问题期刊论文-电站系统工程 20015.王胜 切向燃烧锅炉烟气热偏差形成的原因及对策 2003相似文献(10条)1.期刊论文 应明良.张文景.熊建国 燃烧调整对四角切圆燃烧锅炉过热器壁温的影响 -华东电力2002,30(12)通过对某电厂300 MW机组四角切圆燃烧锅炉的燃烧调整，分析了投磨方式、炉膛出口氧量、二次风配风方式和二次风箱、炉膛差压等对末级过热器、再热器管壁温度的影响，并得出了初步结论。2.学位论文 赵宏 电站锅炉高温过热器超温爆管问题的试验研究 2005近几年，一大批300MW、600MW等级的电站锅炉相继投入运行，为促进我国国民经济
18、的蓬勃发展起到了巨大作用。这些锅炉大部分采用四角切圆燃烧方式，其过热器、再热器集箱采用三通结构引入引出。我国80年代从美国CE公司引进技术制造的300MW、600MW电站锅炉都采用这种炉型。目前这种炉型最突出的问题是过热器再热器超温爆管的事故不断发生，事故的主要原因主要是：进出口附近集箱中存在的涡流区所造成的蒸汽侧流量偏差，以及四角切圆燃烧方式所造成的烟气侧热负荷偏差。这两种偏差往往叠加在一起引起超温爆管。目前山东电网主力机组300MW锅炉过热器再热器超温爆管现象仍时有发生，如邹县发电厂、石横发电厂、十里泉发电厂等，特别是邹县发电厂较为典型。本文侧重研究蒸汽侧流量偏差对超温爆管的影响，以及相应
19、的改进措施。由于三通结构对流量偏差的严重影响，本文首先针对等径三通的结构特点，通过数值计算和试验研究的有关结果，揭示三通结构涡流区的流动特性，确定涡流影响区域中静压分布和支管入口阻力系数的变化规律，以及对管组流量分配的影响。最后应用本文的研究成果，对邹县发电厂300MW锅炉高温过热器进行屏间流量偏差的计算，并结合现场试验测试，提出减少屏间流量偏差的改进措施和相应的优化结构。本文研究长期以来一直影响锅炉安全运行的过热器爆管问题，特别是过热器、再热器超温爆管现象居多，严重影响机组的安全运行，多年来各科研部门、锅炉厂等对锅炉“四管”爆破现象的研究一直未中断。通过本课题的研究，对邹县发电厂DG1000
20、/170-1型锅炉过热器爆管次数显著降低，取得了巨大的经济效益，理论研究和现场试验相结合，得到解决此类问题成功的方法，为在其他有锅炉上应用奠定了基础。3.期刊论文 余艳芝.唐必光.华立新.王志民.陶生智 600 MW机组锅炉分隔屏过热器变工况壁温分析 -热力发电2006,35(12)通过对600 MW机组四角切圆燃烧锅炉的前屏过热器在BMCR、BRL(不投油最大稳燃负荷)、100% ECR、滑压75%、滑压50%、高压加热器切除6种典型工况的三维壁温计算,得到了各工况下前屏过热器典型三维壁温分布及最高壁温高发生的部位和最高壁温值.根据分隔屏过热器的壁温计算结果,对过热器的设计和选材提出了优化设
21、计方案.4.学位论文 李义成 平电公司600MW机组锅炉热偏差研究锅炉四管泄漏主要类型及预防措施探讨 2008随着电力工业的发展，新材料的成功研制、控制技术的不断进步，为火电机组追求大容量、高参数创造了条件，大机组的经济、安全性和市场竞争力充分显现。目前600MW机组是国内新建火电项目的主力机组。平电公司1、2机组锅炉是八十年代引进美国CE公司技术，由哈锅厂制造的600MW亚临界中间再热四角切圆强制循环汽包炉(2008t/h)，燃用淮南烟煤，两台机组于1989年和1992年投运以来，锅炉燃烧稳定，锅炉效率能够达到设计要求。但随着机组运行时间的延续，过热器和再热器多次发生因过热而超温爆管的现象，
22、对机组连续长期稳定运行带来不利影响。经过试验，发现该型锅炉有因四角切圆残余旋转造成的沿宽度方向上的各片屏存在热偏差，同屏之间有因吸热不均匀造成同屏各管之间产生热偏差；因结构原因也造成了热偏差产生了叠加效应。经过分析计算并采取措施，对该炉通过中上层二次风反切，过燃风水平摆动以减弱残余旋转；分隔屏过热器出口至后屏过热器入口连接管由交叉布置改为平行布置，并在连接管上增加了过热器二级减温水，从而调整了过热器吸热量的平衡，通过对该攻关方案的实施，取得了良好的效果。锅炉“四管”泄漏是造成火电机组非停因素的65至70，有必要对“四管”泄漏进行分析研究，通过对火电厂“四管”泄漏问题的分类，针对不同的情况采取相
23、应的措施，力求通过采取预控措施来减少因“四管”泄漏导致机组停役，为火电厂机组安全、经济运行创造条件。5.学位论文 孙平 600MW电站锅炉炉内多相流动、传热、燃烧过程及炉内偏差、污染、结渣的数值试 验研究 1999四角切向燃烧锅炉在中国的应用极为广泛,但是仍然存在着许多尚须完善的地方,如炉膛出口的烟气偏差常常会导致对流过热器、再热器的超温爆管;此外四角切向燃烧锅炉的运行中还存在着污染排放高,易结渣的问题.这都在一定程序上阻碍着锅炉技术的发展.对于大容量(如600MW)机组,针对性的试验和数值的计算都不多,很多的问题还没有得到完全 的认识.该文从理论和试验的角度运用计算机辅助优化数值试验原理和方
24、法的对600MW锅炉 对上述问题一一探讨.数值计算是计算朵辅助优化数值试验的重要环节之一,也是该文的侧重点.该文对四角切圆锅炉炉内的流动、传热、燃烧过程及氮氧化物的生成过程、炉内的结渣过程作了详细的数值研究,并尽可能结合冷态模型试验或实炉试验,对理论进行验证并延伸.该文的流场计算采用SIMPLE方法,湍流采用RNG k-模型来模化,差分方法采用精度和稳定性都较好的人工粘性方法,在直角坐标下采用非交错网格来模拟.气固多相流动采用拉格朗日方法,在考察颗粒的历史轨迹的过程中计入颗粒的燃烧.辐射换热采用蒙特卡洛方法.气相燃烧采用EBU旋涡破碎模型.6.期刊论文 应明良.黄向阳.熊建国 锅炉燃烧调整对过
25、热器/再热器壁温影响的分析 -浙江电力2002,21(6)通过对某电厂300MW机组四角切圆燃烧锅炉的燃烧调整,分析了投磨方式、炉膛出口氧量、二次风配风方式和二次风箱/炉膛差压对末级过热器/再热器管壁温度的影响,并得出了初步结论.7.会议论文 张红飞 大型燃煤锅炉热偏差的试验与数值研究 本文针对安徽省平圩发电厂2号炉(HG-2008/186-M)过热器和再热器的热偏差,主要从烟气侧提出改造方案,借鉴于数值模拟方法,在保留四角切圆燃烧方式优点的前提下,提出反复“起旋“、“消旋“的燃烧器喷口布置方式,以达到、维持炉内稳定的弱旋状态,从而来解决热偏差的问题.8.学位论文 张戟 600MW机组锅炉烟温
26、偏差问题实炉调试研究与分析 2001该文在某电厂4炉2008t/h亚临界压力一次中间再热强制循环汽包炉的调试过程中,利用现场试验条件,在不同负荷工况下,对炉膛上部屏区烟温及屏式过热器壁温的分布情况进行了实炉测试,得出了烟温分布与壁温分布的状态,对烟温偏差成因进行了初步分析研究;发现烟温偏差现象发生在四角切圆燃烧方式的锅炉上,炉膛上部空间烟气流动尚存残余旋转,炉内燃烧动力场的构成形式是引起残余旋转的根本原因,残余旋转引发了炉膛上部烟气流场各参数分布上的差异,在与汽侧换热过程中,造成各部位热交换状态的差异,从而导致烟温偏差现象的产生.炉膛上部屏区过热器的分布,在很大程度上起到了消旋整流的作用,但是
27、依然存在烟气分布沿屏区宽度、屏区高度性变化的情况,烟气对受热面的冲刷强度不同,炉左侧屏区与汽侧的换热较右侧区充分,使屏间烟气换热量存有差异,造成汽温左高右低大致呈W型分布形态,烟温呈M型分布形态,与汽温分布状态峰谷反向对应.烟温偏差程序与炉内燃烧组织方式及运行参数有关,在一定条件下,通过燃烧调整可以降低烟气偏差程序,从而避免由此引发的超温爆管问题.9.期刊论文 黄文锋 锅炉水平烟道处包墙过热器管开裂原因分析及改进 -电力安全技术2009,11(8)1概述湛江发电厂2号锅炉为东方锅炉厂设计制造的DG1025/18.2-型亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛、平衡通风、燃煤汽包炉.锅炉为逆时针四
28、角切圆方式燃烧;锅炉倒U型布置,锅炉四周由膜式水冷壁、顶棚和包墙过热器组成,尾部单烟道中布置有省煤器和低温过热器,在燃烧室上方和水平烟道中依次布置有全大屏过热器、壁式再热器、后屏过热器、中温再热器、高温再热器和高温过热器.水冷壁折焰角在炉膛46 m处,水冷壁拉稀管与水平烟道底部包墙过热器管之间设计采用金属密封的形式密封连接,以防止炉膛内烟气外漏.10.学位论文 郑昌浩 非正交贴体坐标系模拟燃烧室内煤粉燃烧全过程 2002该文尝试将非正交贴休曲线方法应用到煤粉燃烧室内的数值模拟中,代替通常采用的正交坐标体系方法,以便于使网络线与流线接近,减少伪扩散误差,同时避免繁琐且有时不精确的阶梯型边界网格.
29、在应用和完善相关数值求解算法的基础上,开发了一套贴体曲线系下三维煤粉燃烧全过程模拟程序,将湍流粘性方法封闭的RANS方程求解、Lagrangian随机轨道方法模拟多相流动,离散坐标法对辐射场的求解等算法完全在同一套贴体网格内实现,并结合双方程煤粉热解模型、焦炭扩散动力控制氧化模型和EBU湍流气相反应模型等,实现燃烧过程模拟.其中,当最大限度地使网格线接近流线方向时,可能使局部网格胞元极度扭曲,须采取特别的数值求解措施以保证精度和避免出现收敛问题.该文采用的两种处理措施,即光滑地离散几何因子方法和以迭代方式考虑交错压力梯度项方法(二次压力修正方法),成为解决上述问题的关键.提出了一种新的可减小四角切圆煤粉锅炉计算伪扩散误差的曲线网格体系:其一族网格线从燃烧器喷口向外呈放射状展开,最外侧贴于炉膛壁面;燃烧器以上网格线扭转角度逐渐变化,至炉膛上部与壁面平行.该文另一目标是对目前以经验假定的偏差系数为依据的壁温计算方法进行改进,使其成为适应计算机化求解的,并能从物理机理上更直接、全面地反映影响过热器壁温的诸因素,从而详细准确地预报壁温分布.本文链接：http:/
