再热器工作特点和热偏差减轻方法

(国核电力规划设计研究院,北京 100095)

0 引 言

随着我国国民经济的迅速发展，我国电力设备装机容量以每年7%～8%的速率递增，其中火电燃煤机组占有很大比重。中国的能源储备和利用的结构预示：在未来很长的一段时间内以燃煤为主的能源结构形式不会改变；我们需要不断提高燃煤发电的利用效率来改善能源紧张的情况及缓解“碳减排”的压力。超超临界燃煤发电技术是目前较容易规模化的燃煤发电技术。如何有效提高机组的循环效率是目前研发的重点，适当的温度和压力提高、二次再热的引入都是为了尽可能提高机组循环效率的方式。

近年来随着技术的提高，机组的参数达到主汽压力28～35 MPa、温度600 ℃，再热汽温620 ℃的等级，采用两次再热的汽轮机热耗可在目前超超临界的基础上降低3%，汽机热耗率可降低160～200 kJ/kWh。同时随着一次能源价格的不断上升，节能减排的动力将促使更多的国家投入二次再热机组的开发和建设。然而在电厂实际运行中，再热蒸汽温度会不可避免地发生扰动，偏离设计值，从而影响机组的热经济性[1-3]。文中从再热器的运行环境及工作特点分析，总结了再热器热偏差的原因。

1 再热器的工作特点及系统布置

1.1 再热器的工作特点

再热器是设置在锅炉内用于将汽轮机高压缸排汽再加热到所要求参数的部件。由管子和集箱组成。蒸汽和烟气分别在管内、外流过。按传热方式的不同，再热器可分为对流式和辐射式。对流式再热器布置在对流烟道内，辐射式再热器布置在炉膛内[4]。

再热器的作用是将汽轮高压缸的排汽再一次加热，使其温度与过热汽温相等或相近，然后再送到中、低压缸膨胀做功。蒸汽再热一方面可以增加蒸汽的做功能力，提高电厂的循环热效率：另一方面也可以降低汽轮机排汽的湿度，提高末级叶片的安全性。同时在影响再热汽温的因素变化时，保证再热汽温处于正常的温度波动范围之内。

在蒸汽动力设备中，采用过热蒸汽较采用饱和蒸汽有很多优点，因此在电力工业的长期发展过程中，不断地提高蒸汽的初参数(如压力和温度)，以提高电厂循环的热效率、节约燃料。但是，蒸汽温度的进一步提高受到高温钢材的限制。只提高压力而不相应地提高过热蒸汽的温度，会使蒸汽在汽轮机内膨胀终止时的湿度过高，影响汽轮机的安全。再热循环的采用(相应地在锅炉内装置再热器)，一方面可以进一步提高循环的热效率(采用一次再热可使循环热效率提高约4%～6%，二次再热可再提高约2%)，另一方面可以使汽轮机未级叶片的蒸汽湿度控制在允许范围内。

再热器的工作特点是：外部烟温高，内部汽温高，冷却条件差，安全裕度小。

1.2 再热器的系统布置

再热器的外部的烟气温度很高，大约在600～1 200 ℃，越是靠近炉膛烟温越高。再热器的出口处工质是锅炉中的最高温度，所以它们的金属管壁工作温度很高。因此，再热器的许多部分，特别是它们的末端部分需要采用价格较高的合金钢，甚至不锈钢。为了尽量避免采用更高级别的合金钢，设计再热器时，选用的管子金属几乎都工作于接近其温度的极限值。这时10～20 ℃的超温也会使其寿命下降很多。一般每超温10 ℃，寿命降低一半。超温严重时，还会造成爆管事故，使锅炉被迫停炉。

再热器的内部的蒸汽温度也是比较高的，从饱和状态互集汽联箱出口的过热状态，蒸汽温度变化范围一般在320～540 ℃。有时为提高循环效率，降低燃料消耗，再热器系统出口处的蒸汽温度可达568～570 ℃。再热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化。

再热器管子壁冷却条件比较差。而提高蒸汽流速会增大压降，使蒸汽的做功能力下降，因此再热器内的流速的选取必须综合考虑管壁冷却和压降两个因素。为了保证再热器管子安全工作，在锅炉运行中应保持汽温稳定，因此再热器必须有良好的汽温特性和足够的汽温调节手段。一般电站锅炉允许再热器的最大压降为0.2 MPa[5]。

再热器实际上是一个中压过热器，再热蒸汽的压力较低，蒸汽的密度较小，放热系数要比高压蒸汽低得多。所以，再热器在锅炉中的布置位置是经过详细计算的。当然，理论上可以采取提高再热蒸汽流速的方法来增大其放热系数，但受到阻力的限制。再热器的流动阻力对循环热效率有较大影响。据计算，再热器阻力每增加0.1MPa，汽轮机热耗就要增加0.28%[6]。所以，再热器本身的阻力一般限制在9.2 MPa左右[7]。其质量速度也就不可能提高。这样，为了保证再热器管子的可靠冷却，一般将其布置在温度适中的烟气区。整个再热器系统为辐射-对流组合式系统，所以整个再热器系统出口汽温随负荷的变化特性平稳。

综上所述，再热器在运行中主要应注意如下问题[8]：

(1)运行中应保持汽温稳定，汽温的波动不应超过额定温度的+5～-10 ℃。

(2)再热器要有可靠的调温手段，使运行工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温。

(3)尽量防止或减少平行管子之间的热偏差。

2 汽温特性

2.1 气温特性

再热蒸汽温度直接影响电厂的经济性与安全性。汽温每降低10 ℃会使循环热效率降低0.5%。再热器长期在超温10～20 ℃下运行，其寿命会大大缩短，而且还会影响汽轮机的寿命。通常规定汽温偏离额定值的范围为+5～-10 ℃。 因为锅炉不可能始终在设计工况下运行，汽温变化不可避免，所以，掌握汽温变化特性，运行时及时调节，显得十分重要。

锅炉负荷变化时，过热器与再热器出口的蒸汽温度跟随变化的规律，称为汽温特性，如图1所示。

图1 再热器与过热器汽温特性曲线的比较1-过热器汽温特性曲线；2-再热器汽温特性曲线

再热蒸汽温度随锅炉负荷变化规律与过热器相同，如图1所示。只是，锅炉负荷降低时，汽轮机高压缸排汽温度降低，再热器入口汽温下降。与过热汽温比较，对流式再热器汽温随负荷降低而降低要严重些，相反，辐射式再热器汽温随负荷降低而升高要平缓些。

由于辐射式和对流式的汽温特性正好相反，同时采用辐射式和对流式联合布置的过热器与再热器系统，可以得到比较平缓的汽温特性。300 MW亚临界压力锅炉采用包括有壁式、屏式和末级对流式组成的高温布置再热器系统，锅炉负荷在50%至额定负荷范围变化时，再热蒸汽温度都能维待额定值[9]。

以上介绍的是常规定压运行方式下汽温随负荷变化特性。单元机组也可采用变压运行方式，即汽轮机的调节汽门基本保持全开，机组负荷的改变依靠改变锅炉出口蒸汽压力来实现，但过热汽温与再热汽温仍维持在额定值。定压运行时，汽轮机各级压力和温度都随蒸汽流量成比例变化，一般负荷从额定值降到70%时，再热器进口汽温下降约30～50 ℃[10]。而变压运行时，再热器进口汽温基本不变，其汽温特性可以得到很大的改善。

在变压运行方式下，负荷降低时，再热器内蒸汽压力随着降低，蒸汽比热容减小，加热至相同温度所需热量减少，因此负荷降低时，过热汽温和再热汽温比定压运行时易于保持稳定。

2.2 气温影响因素

影响汽温的运行因素是多种多样的，主要有锅炉负荷、过量空气系数、给水温度、火焰中心位置、燃料性质、受热面的沾污、锅炉吹灰与排污等等，这些因素常常还可能同时发生影响。下面分别叙述各个因素对汽温的影响[11]。

2.2.1 锅炉负荷

如前所叙，再热器一般具有对流汽温特性，即锅炉负荷升高(或下降)，汽温也随之上升(或降低)。

2.2.2 过量空气系数

炉膛内过量空气系数增大时，将使得炉内火焰温度降低，炉膛水冷壁吸热量减少，而使炉膛出口烟温增加。同样布置在炉膛内的辐射式再热器的吸热量减少，其出口汽温随过量空气系数的增大而下降。

过量空气系数增大还使燃烧生成的烟气量增多，流过烟道的烟气流速增大。对于对流式再热器，由于对流传热系数和温压的增加，其出口汽温也随着升高。在锅炉运行过程中，有时用增加炉内过量空气系数的方法来提高汽温，但这将以降低锅炉效率作为代价。因过量空气系数太大，锅炉排烟热损失将增加。

2.2.3 给水温度

锅炉运行过程中常常会因高压加热器停运等原因而使给水温度降低。为保持锅炉负荷不变，必须增加投入炉膛的燃料。与前面分析一样，这将使得炉内烟气量增加，炉膛出口烟温增加。对于对流式再热器出口蒸汽温度将随给水温度的下降而升高。而对辐射式再热器的出口汽温影响很小，基本保待不变。一般锅炉再热器总体呈对流汽温特性，若给水温度降低过多，有可能引起过热蒸汽超温。通常采用降低负荷运行方法保证再热器的安全。

2.2.4 火焰中心位置

锅炉运行过程中，燃用煤质变差，负荷变化或磨煤机切换，改变摆动式燃烧器的倾斜角度等因素将导致火焰中心位置改变。

当火焰中心位置上移时，炉膛辐射吸热份额下降，布置在炉膛上部和水平烟道内的过热器与再热器，会因为传热温压增加而多吸收热量，使得其出口汽温升高。

2.2.5 燃料性质

燃料种类直接影响着火和燃烧，燃油、燃气时燃烧火炬短，火焰中心位置就低。挥发分高的烟煤与多灰劣质烟煤和无烟煤比，着火与燃烧容易，燃烧火焰也短些，火焰中心位置相对低些。火焰中心位置对汽温的影响如上所述。

当燃煤的水分增加时，水分蒸发使得烟气容积增加和火焰温度略有降低，这将使得炉膛辐射吸热下降，再热器出口汽温降低，而对流式再热器出口汽温上升。

2.2.6 受热面的沾污

炉膛水冷壁结渣或积灰，使炉内辐射换热量减少，炉膛出口烟气温度提高，会使得蒸汽温度上升。若再热器本身结渣或积灰，会因吸热量减少而导致蒸汽温度降低。

2.2.7 锅炉吹灰与排污

当锅炉进行蒸汽吹灰，或定期排污开放时，相当于锅炉负荷增加，对汽温的影响与负荷变化时相似。只是吹灰用蒸汽量少，定期排污排出的是饱和水，焓值低，因此对汽温的影响较小。

表1 过热汽温影响的因素数据[12]

3 热偏差及其减轻方法

3.1 热偏差及其产生原因

再热器是由许多并列管子组成的，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，每根管子中蒸汽的焓增也就不同，这种现象叫做热偏差。由于热偏差的存在，有的管子的蒸汽温度将超过平均汽温，就有可能因个别管壁温度超过安全极限产生烧损爆管事故。

对锅炉安全运行威胁最大的是那些焓增最大的管子，这些管子称为偏差管[13]。偏差管中工质的焓增加△ip与整个管组中工质的平均焓增△ipj之比称为热偏差系数，或简称热偏差，热偏差系数为：

式中：qp/qpj为吸热不均匀系数；Hp/Hpj为结构不均匀系数；Gpj/Gp为流量不均匀系数。显然，热偏差系数φ越大，则管组的热偏差越严重。偏差管段内工质温度与管组工质温度平均值的偏差越大，该管段金属管壁平均温度就越高。因此，必须使再热器管组中最大的热偏差系数小于最大允许的热偏差系数，即管壁金属温度到达最高容许值时的热偏差。否则，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再热器，同时由于锅炉相对宽度的减小，对流再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。屏式再热式再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，如屏过大，必将导致局部管子发生U形管圈的内外圈长度不等，可达结构不均匀系数等于1.02，同屏热偏差影响的因素，必须予以足够的重视。

对流式和壁式再热器各平行管圈发生偏差，但采取改进措施，可使η等于l。因此，产生热偏差的原因主要是吸热不均匀与流量不均匀[14-18]。

3.1.1 吸热不均匀

影响再热器管圈之间吸热不均的因素较多，有结构因素，也有运行因素。管外壁热流密度不均匀直接导致再热器并列管圈之间的吸热不均匀。由传热原理知，管外壁热流密度主要由高温烟气与管壁间的温压与传热系数决定，而烟气温度直接影响温压，烟气流速是影响传热系数的主要因素。所以烟道内烟气温度场和速度场的不均匀是造成吸热不均匀的主要原因，如图2所示。

图2 沿烟道宽度热负荷的分布

3.1.2 流量不均匀性

影响并列管子间流量不均的因素也很多。例如联箱连接方式的不同，由于制造和安装上的原因而造成的管子的实际内径不同，并行管圈间重位压头的不同和长度的差异等等。此外，吸热不均也会引起流量的不均。

(1)吸热不均匀的影响

再热器并列管排两端分别与分配(进口)联箱和汇集(出口)联箱连接，设蒸汽进入分配联箱时压力为p1，由汇集联箱流出时压力为p2。当不计联箱中的压力变化时，两联箱间的压差用于克服管内流动阻力和两联箱之间的重位压头，即：

(2)

式中：Δρ为管子进出口差压，Pa；ρw为管内蒸汽质量流速,kg/(m2·s)；v为管内蒸汽平均比容,m3/kg；L,dn为管子长度和内径，m；λ为沿程摩擦阻力系数；∑ζ为管圈局部流动阻力系数的总和；h为管子进出口高度差，m。

上式中等号右边最后一顶为管子进出口的重位压头，相对于管内流动阻力小得多。对于大多数在锅炉上部悬吊布置的再热器，它们的进口与出口联箱差不多在同一高度，所以重位压头可以忽略。

(2)联箱方式不同的影响

并列蛇形管一般均与进、出口集箱相连接，称之为分配集箱和汇集集箱，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，而后者取决于再热器连接方式(如图3，图4所示)。由于联箱中有静压的变化，在再热器的入口、出口联箱的连接方案不正确时，会使管圈两端的压差不均匀，这会引起流量不均和热偏差。

图3 再热器的Z形连接方式

图4 再热器的U形连接方式

图3为Z形连接方式，蒸汽由分配集箱左端引入，并从汇集集箱右端导出。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。如图3中的p1曲线。与此相反，在汇集集箱中，静压沿集箱流动方向则逐渐降低。如图3中的p2曲线。由此可知，在Z形连接管组中，管圈两端的压差△p有很大差异，因而在再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，如图4所示，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△p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再热器蛇形管间的流量不均，但是要增加集箱的并列开孔。

实际运用中多采取从集箱端部引入或引出，以及从集箱中间经向单管或双管引入和引出的连接系统。其原因在于这样的布置具有管道系统简单，蒸汽混合均匀和便于装设喷水减温器等优点。由于锅炉实际工作的复杂性，要完全消除热偏差是不可能的。特别是在近代大型锅炉中，由于锅炉尺寸很大，烟温分布不易均匀，炉膛出口处烟温偏差可达200～300 ℃，而蒸汽在再热器中的焓增又很大，致使个别管圈的汽温偏差可达50～70 ℃， 严重时可达100～150 ℃以上[19]。但是必须尽量减小热偏差来保证再热器的安全运行。

3.2 热偏差的减轻方法

除了在锅炉设计中应使并联各蛇形管的长度、管径、节距等几何尺寸按照受热的情况合理的分配，燃烧器的布置尽量均匀；在运行操作中确保燃烧稳定烟气均匀并充满炉膛空间，沿炉膛宽度方向烟气的温度场、速度场尽量均匀，控制左右侧烟温差不过大；根据受热面的污染情况，适时投入吹灰器减少积灰和结渣外，目前减少热偏差的主要方法有以下几种。

(1) 沿烟气流动方向，将再热器受热面分成若干级，级间有集箱使蒸汽充分混合。

对某一级来说把受热不同的管子引入同一集箱，再进入另一集箱，蒸汽在经过引出管时(或在集箱内)就会混合起来，并消除前面产生的热偏差，使各级的热偏差不会迭加及累积。

在同样的热偏差下，偏差管中焓增量超出平均焓增的大小为：

δ(Δi)p=Δip-Δipj=(φ-1)Δipj。

(6)

分级以后，由于每一级中工质的平均焓增减小，从而使焓增偏差的绝对值δ(Δi)p减小，并列蛇形管中的热偏差相应减小。显然，级分得越多，热偏差就越小，一般参数越高的锅炉再热器的级数越多。根据经验，将再热器分组后，每一级中工质的焓增量一般不超过250～400kJ/kg，则可使热偏差减小到允许范围。

在蒸汽过热过程中，随着蒸汽温度增加，其比热容不断下降，因而在最末级再热器中，蒸汽比热容最小，使得在同样热偏差的条件下，其温度偏差最大。同时，考虑到末级再热器中蒸汽温度又最高，工作条件最差，因而末级再热器的焓增更要小些，一般不宜超过125～200kJ/kg。这样，对减小末级再热器汽温调节的迟滞性也有好处。

再热蒸汽由于压力低，比热容更小，故各级再热器焓增亦不宜过大。尤其是布置在炉膛和靠近炉膛高热负荷区的再热器或高温对流再热器，否则将产生比过热器更大的汽温偏差。

为了减轻因中间烟温高、流速快、两侧烟温低、流速慢所造成的再热器热偏差，通常沿烟道宽度方向进行分级，即将受热面布置成并联混流方式。把烟道横向分成四段，这样，如果总的沿宽度上的烟气偏差较大，在分为四段后，每段的热偏差就小了。

“交叉”的办法是消除烟道左侧温度不均的有效方法，如图5所示。在交叉时也要把再热器分级，如果是交叉前后各一级，则希望此两级过热器的焓增基本上相同。如果左侧烟气温度高，左侧受热面吸热强，则可以在蒸汽离开第一级再热器时使之左右交叉，原吸热较强的蒸汽流到吸热较弱的右侧，原来吸热较弱的右侧的蒸汽流到吸热较强的左侧。在两级焓增相差不多时，即可将热偏差抵消。

(2)采用各种定距装置。

锅炉最大限度地采用了蒸汽冷却定位管，各种型式的夹紧管及其他定距装置。用以保证屏间的横向节距及管间的纵向节距。并防止在运行中的摆动。可有效地消除管、屏间的“烟气走廊”，减少热力不均现象，如图5所示。

图5 再热器中蒸汽流动交叉说明图

此外，由于沿炉膛宽度方向烟气温度的分布不均匀，中间温度高而两侧温度低，故位于炉膛中间的屏辐射吸热量较大，而且由于传热温压大，对流吸热量也较大。故屏间热偏差较高。为改善各屏受热面之间的吸热不均，有的锅炉屏式受热面采用了沿炉膛宽度方向的不等距布置。

(3)正确选择联箱的结构和连接型式。

如前所述采用U形连接比Z形连接具有较小的流量偏差，采用多点均匀引入和引出的联箱连接型式可使静压变化达到最小。另外加大联箱直径、减小联箱内蒸汽流速也可减小静压变化，从而减少管排的流量不均匀性。

(4)加装节流圈。

根据管圈两端的不同压差在管子的入口处装置不同孔径的节流圈，增加管子的阻力，控制各管内蒸汽流量，使流量不均匀系数趋近于l。加装节流圈还可以减小或消除重位压降引起的静压变化。装置节流圈将增加受热面内蒸汽压降，大容量高参数锅炉再热器允许压降绝对值大，节流圈阻力影响不大。直流锅炉和强制循环锅炉常采用加节流圈的方法来分配流量。

利用流量不均匀来消除吸热不均匀，也就是使热负荷具有较高流速，使蒸汽焓增降低，减少热偏差。如屏式再热器受热较强的外圈管采管径或缩短管圈长度等方法使其管内蒸汽流速增加。辐射式受热面根据壁面热负荷分布情况分成并行的几组，并控制每组中的蒸汽流量。

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