超臨界鍋爐爐外壁溫測點的測量誤差
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目前我國有不少超臨界和超超臨界鍋爐投人運行。這些鍋爐的蒸汽溫度比亞臨界鍋爐高出 30－60℃ 。有些超臨界鍋爐投運一兩年就發(fā)生過熱器管內(nèi)氧化垢堵塞而超溫爆管的事故。同時發(fā)現(xiàn)過熱器再熱器爐外壁溫測點所測得的溫度比實際溫度偏低10－20℃ 。超臨界和超超臨界鍋爐的運行安全性在很大程度上決定于過熱器再熱器吸熱大的偏差管壁溫是否超溫，這會造成對爐內(nèi)壁溫是否超溫的誤判。下面對爐外測點測量準確性問題做理論上的探討，并介紹幾家電廠的實測數(shù)據(jù)。希望能引起有關(guān)電廠和鍋爐制造廠的重視。
一、爐外壁溫測量準確度的重要性
長期以來有一種誤解，認為現(xiàn)代大容量鍋爐爐頂都有大罩殼；有些高溫部件出口集箱及連接管還處在大罩殼內(nèi)的保溫小室中；爐外壁溫測點在大罩殼或保溫的小室內(nèi)，不用再單獨加保溫，這是一種誤解。因為大罩殼或小室處于熱平衡狀態(tài)，美國CE公司對亞臨界鍋爐大罩殼內(nèi)部的溫度定為454℃；B&W公司則規(guī)定為488 ℃。小室內(nèi)的溫度要更高一些。而爐外壁溫測點測量的是過熱器再熱器偏差屏中偏差管的出口蒸汽溫度。該溫度一般比管組的出口平均溫度要高出20~40℃（超臨界鍋爐的這種溫度為590~610℃ ；超超臨界壓力鍋爐則為625~640℃）。這些溫度要比大罩殼內(nèi)或小室內(nèi)的溫度高出50~200℃。有溫差就有熱流（熱流從管內(nèi)蒸汽通過管壁，到熱電偶熱接點，再到管外空氣），就有熱電偶熱接點溫度與管內(nèi)汽溫之差。鍋爐出口汽溫愈高，這種溫差也愈大。因此測點不用單獨加保溫的概念是不對的。
此外，一些耐高溫的鋼材在高溫下其持久強度對溫度非常敏感。例如，TP347H 材料在所受應(yīng)力為69.5MPa，爐內(nèi)管壁溫度為635℃時，其計算使用壽命為5.4萬h，只有設(shè)計壽命l0萬h的一半左右（在該應(yīng)力下10萬h壽命的對應(yīng)溫度為 625℃），屬于超溫情況。如果爐外壁溫測點的測量溫度偏低10℃ ，貝日計算的壽命剛好為 l0 萬h ，屬于不超溫。可見測點的測量準確性對于鍋爐的運行安全（是否超溫的判斷）和經(jīng)濟性（高溫管段壽命）至關(guān)重要。
二、用爐外壁溫測量管內(nèi)蒸汽溫度的理論基礎(chǔ)
爐外壁溫測點所測量的溫度是管內(nèi)的蒸汽溫度。要測量準確，首先應(yīng)使測點處管子外壁溫度盡量接近管內(nèi)汽溫；其次要使熱電偶熱接點的溫度盡量接近管子外壁溫度。這要求盡量減小測點處沿管子徑向和沿熱電偶本身的散熱熱流。下面對這 2 個散熱熱流作理論分析。
2.1 管子外壁與管內(nèi)蒸汽之間的溫差
因為測點處的管外環(huán)境溫度比管內(nèi)蒸汽溫度低，所以有熱流q通過管壁，使管子外壁溫度twb低于管內(nèi)蒸汽溫度 tzq(見圖1)。偏低的數(shù)值可按下式計算：
式中：q為管子外壁處熱流，kJ/(m2·h);dw、dn為管子外徑和內(nèi)徑，m;dwb、dnb為保溫層外徑和內(nèi)徑， m ；α1為保溫層外壁對環(huán)境（大罩殼或小室）的放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃）；α2為蒸汽對管子內(nèi)壁的放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃）；λ、λb為管子鋼材和保溫層的導熱系數(shù)， kJ/(m2·h·℃）；tzq、thj為管內(nèi)蒸汽溫度和環(huán)境（大罩殼或小室）溫度，℃。
2.2 熱電偶熱接點與管子外壁之間的溫差
從熱接點處的熱平衡來看，從管子外壁流向熱接點的熱流為卯熱接點向環(huán)境的散熱熱流為q1；沿熱電偶長度方向的散熱熱流為q2。
當達到熱平衡時，有如下關(guān)系式：
q=q1＋q2＝αd(twb－trd) ( kJ/(m2·h)) (3)
twb-trd＝q/αd=（q1＋q2)／αd （℃） ( 4 )
式中：αd為熱電偶與管壁間的當量放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃）;trd為熱電偶熱接點的溫度℃。
從式（3）、（4）可看出，為使測量準確，即（twb-trd)值小，應(yīng)盡量減小 q1和q2，并增大αd。這就要求：(l) 為減小q1，應(yīng)在測點處管外加保溫層；(2)為減小q2, 應(yīng)將從熱接點引出的一段熱電偶（約150mm）緊貼在管壁上，以減小沿熱電偶本身的散熱，該段管子也應(yīng)保溫；(3)應(yīng)在結(jié)構(gòu)上設(shè)法盡可能增大。αd值。
筆者按超超臨界鍋爐末級過熱器和末級再熱器的常用參數(shù)，計算了在BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）和50%BMCR 2種工況時有保溫及無保溫2種情況下的管子外壁與蒸汽溫度之間的溫差山。計算結(jié)果列于表 1 中。計算中采用大罩殼中小室內(nèi)的環(huán)境溫度為540℃；保溫層的導熱系數(shù)取用λb=0.42 kJ/(m·h·℃）。從表中數(shù)據(jù)可看出，保溫對減小測量誤差的影響很大。因為難于計算熱電偶與管子外壁之間的當量放熱系數(shù)αd，所以表中沒有列人熱電偶熱接點與蒸汽之間的溫差△ tr。但是 △ tr肯定要大于△t。因此對于超臨界和超超臨界鍋爐，保溫層的厚度應(yīng)不小于100mm。
從上述計算式和計算表可看出：(1)再熱器的蒸汽側(cè)放熱系數(shù)比過熱器小，故測量溫度的偏低值較大；(2)鍋爐低負荷時蒸汽側(cè)的放熱系數(shù)降低，測量溫度的偏低值增大很多；(3)偏差管的出口溫度愈高則測量溫度的偏低值也愈大。
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