    大型鍋爐過熱器爆管是造成機組強迫停機的重要因素之一，而大多數的爆管都是由管壁超溫引起的。因此，為了準確了解鍋爐屏式過熱器（屏過）的壁溫分布情況，在大別山電廠超臨界600MW機組鍋爐屏式過熱器上進行了爐內外壁溫測試，實時采集了爐內壁溫及爐外壁溫的變化數據，找出了屏式過熱器爐內外壁溫的關系，并用Z小二乘法擬合出二者的關聯模型，并進行了三維壁溫分布計算分析。利用所擬合的屏式過熱器爐內外壁溫的關聯模型及爐外可長久保留的測點測量出的溫度t0，可以預測發生超溫管段的爐內溫度。此外，利用該模型還可驗證屏式過熱器三維管壁溫度計算程序結果的可靠性。
    伴隨著鍋爐蒸汽參數提高及容量增大，過熱器和再熱器系統成為大容量鍋爐本體設計中*的受熱面，這兩部分受熱面內工質的壓力和溫度都很高，且大多布置在煙溫較高的區域，受熱面溫度接近管材的極限允許溫度。鍋爐容量的日益增大，使過熱器和再熱器系統的設計和布置更趨復雜。在爐膛出口以及各高溫受熱面進口截面上，煙氣速度及煙溫的分布偏差越來越大，使與過熱器并列屏片和同屏的各個并列管間的吸熱偏差及管壁所承受的壁溫差也越來越大。由于蒸汽流經管內溫度不斷升高，而管外的煙氣溫度沿煙道橫截面分布不均，且沿煙氣流向在不斷傳熱，因而管內各處溫度都有不同，使得有的管段溫度高于整個管內的平均溫度，這也是高溫受熱面管過熱或爆管的主要原因。
    要進行大型鍋爐高溫受熱面管壁的監測和壽命預測，必需獲得管子各處的溫度分布。在現有測試條件下，還無法對高溫受熱面爐內壁溫進行長期實時監測，只能通過測定爐外壁溫去推定爐內壁溫。為此，需要進行鍋爐過熱器內外壁溫對比試驗，并利用試驗數據進行屏過的壁溫計算。
    一、試驗方案
爐內壁溫測量及爐內外壁溫對比試驗需要選定過熱器不同管排及內外圈管子，在其上面安裝爐內壁溫測點，在各種典型工況下進行爐內壁溫測量及爐內外壁溫對比試驗，得到爐內管壁溫度分布。
    大別山電廠超臨界600MW機組HG-1970/25.4-YM4型鍋爐為一次中間再熱、變壓運行帶內置式再循環泵起動系統，鍋爐的前后墻布置了30只低NO 2，軸向旋流燃燒器（LNASB），采用對沖燃燒方式，配中速磨煤機正壓直吹制粉系統。
    屏過位于爐膛上前部，標高50.55m至爐膛頂部，有30組管屏，每片管屏28根管子。
    屏過系統內布置有爐外壁溫測點30個，主要用于測量及監視鍋爐過熱器各級受熱面出口工質的溫度及主蒸汽溫度。在屏過布置爐內壁溫測點3個，分別位于左起第2片屏第1根、第8片屏第3根、第13片屏第1根管子的標高58m處。采用愷裝型熱電偶測量爐內壁溫。
    新安裝的爐內壁溫測點接入電廠MIS的Oracle數據庫中，數據采集時間間隔為2min。
    二、試驗結果與分析
    （1）屏過受爐膛火焰直接輻射，在機組滿負荷運行工況下，測得屏過區域爐內管壁溫度在620～740℃ 范圍內變化，爐外管壁溫度在500～540℃ 范圍內變化（圖1），從爐內外測點測試結果可知，屏過爐內測點溫度變化均比爐外溫度變化劇烈。

    （2）屏過區域爐內標高58m處左起第8排爐內管壁溫度Z高（圖1），表明爐膛上部及爐膛出口處存在一定程度的煙氣殘余旋轉。
    （3）測得爐內溫度高于爐外溫度100～200℃，其中以屏過第8屏的爐內外溫差Z大（圖2）。

    （4）機組負荷在400MW 以下時一般投運下層燃燒器，燃燒火焰中心較低，過熱器爐內管壁溫度相應也較低，一般在600℃以下；機組負荷在400MW以上時，屏過爐內管壁溫度會上升至600℃以上。屏過爐內外的管壁溫度均隨負荷的變化而變化，并在一定條件下呈正比的關系。但是，在機組起動調整過程中的某些工況下，屏過的溫度波動幅度比較大，有時甚至超過滿負荷時過熱器所達到的爐內Z高壁溫，這與機組負荷的波動幅度較大、風量過小以及工質流量過小有關。
    三、爐內外壁溫的關聯模型
    按俄羅斯鍋爐機組熱力計算標準，各管段的計算壁溫按下式進行計算：

式中：t為計算截面中部件的介質溫度，℃ ；β為管子外徑與內徑之比，按鍋爐管實際結構確定；μ為熱量分流系數，按1998年熱力計算標準8～19節選取；q₀為計算截面處管段單位面積吸熱流量，kW/㎡；δ為管壁壁
厚，按鍋爐管實際結構確定，m；λ_M 為金屬材料的導熱系數，各種材料的λ_M隨溫度的變化按久λ_M=A（t_cT－t）＋B考慮，式中A、B為系數，t₀為計算的原始溫度，℃；α2為管子內壁對工質的放熱系數，kw/（㎡·℃）。
    對于過熱器某確定的管段，該處的工質溫度應是該段過熱器管壁的中間溫度，但在實際運行過程中其無法通過試驗得到，能夠測量到的是該段出口處工質的溫度閣。對過熱器某段確定的管子的爐內溫度，可根據過熱器爐內外壁溫數據，建立出爐內外壁溫的數學關聯模型。
    采取Z小二乘法對試驗數據進行擬合，設其擬合曲線為S（χ），則誤差平方和：

    本文選定屏過爐內溫度Z高的左起第8片屏作為擬合關聯模型的對象，通過對屏過爐內外溫差數據與機組主要運行參數（實際負荷、水煤比、主蒸汽溫度）試驗數據進行分析，擬合得到屏過爐內外壁溫關聯模型：
                   △t=0.0154W十9.0704θ十0.391t_M一100.93              （3）
式中：△t為末級過熱器爐內外溫差，℃；W為機組的實際負荷，MW；θ為機組的水煤比；t_M為機組的主蒸汽溫度，℃。
    利用屏過爐內外壁溫關系式，由爐外壁溫推導出的爐內壁溫值與試驗測試值Z大誤差小于士6℃ 。
    四、屏過的三維壁溫計算
    擬合出的超臨界600MW機組直流鍋爐屏過爐內壁溫計算公式，對于編制其三維管壁溫度計算程序有模型參照作用，能夠提高三維管壁溫度計算程序的準確性。
    鍋爐屏過的三維管壁溫度計算需要逐級、逐根、逐點地進行，借助 MATLAB數學軟件采用MATLAB7.0編制了鍋爐屏過三維壁溫計算程序，其中包括運算主程序、運算子程序、數據庫3部分。
    在程序計算中考慮到各管段位置不同造成的管段受熱條件的差異，從熱偏差的理論以及三維模型的角度考慮了煙氣的輻射和對流情況。在流量、受熱條件、煙溫分布、煙速分布和管段吸熱量不同的情況下，以微元段為單位進行熱力計算。
    按照鍋爐實際運行工況要求，對屏過進行1-BM-CR、2-TRL和3-50%BMCR（滑壓）3種工況下的壁溫計算，得到不同工況下屏過的壁溫分布。選取了具有代表性的第2、8、13片屏，繪制出壁溫分布圖，具體溫度分布見圖3～圖5。


    計算結果和測量結果比較見表1。當有部分測點溫度誤差較大時，調節初始上爐膛區的煙氣溫度場系數，直到Z后計算所得溫度與實際測量的溫度誤差在容許范圍內。

600MW機組鍋爐屏式過熱器壁溫測試及三維計算

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