第２８卷，总第１６２期 ２０１０年７月，第４期 《节能技术》 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．２８，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１６２ Ｊｕ１．２０１０，Ｎｏ．４ 过热蒸汽温度变化对锅炉经济和安全影响研究 丁利。楼波 （华南理工大学电力学院，广东 广州 ５１０６４０） 摘要：在分析了电厂锅炉蒸汽温度的变化规律基础上，定量计算了过热蒸汽温度变化对机组 经济性和安全性的影响。以３００ ＭＷ燃煤电站锅炉计算表明：主蒸汽温度从５３５ｏＣ上升到５６５ｏＣ 时，机组标准煤耗由３４１．２０ ｇ／ｋＷ・ｈ下降到３３７．７０ ｇ／ｋＷ・ｈ；主蒸汽温度在正常运行温度５５０℃基 础上每天超温２小时，当超温１℃运行一年后机组主蒸汽管道平均理论寿命减少３７ ｈ，当超温１５℃ 运行一年后机组主蒸汽管道平均理论寿命将减少１ １８３ ｈ。 关键词：锅炉；过热蒸汽温度；循环效率；标准煤耗；使用寿命 中图分类号：ＴＫ２２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６３３９（２０１０）０４—０２９４—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｄ Ｓｔｅａｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｏｉｌｅｒ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ＤＩＮＧ Ｌｉ，ＬＯＵ Ｂｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｂｏｉｌｅｒ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ－ ｈｅａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｉｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ３００ ＭＷ ｆｉｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｂｕｒｎｅｄ ｂｏｉｌｅｒ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ５３５￣Ｃ ｕｐ ｔｏ ５６５￣Ｃ ｍａｋｅｓ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ３４１．２ ｇ・ｋＷ一 ｈ—ｄｏｗｎ ｔｏ ３３７．７ ｇ・ｋＷ一 ｈ。。．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｖｅｒ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｆｏｒ ｔｗｏ ｈｏｕｒｓ ａ ｄａｙ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ５５０￣Ｃ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ ｐｉｐｅ ｒｅｄｕｃｅｓ ３７ ｈ ａｎｄ １ １８３ ｈ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ １ ｃＩ＝ａｎｄ １５￣Ｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｉｌｅｒ；ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｙｃｌｅ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ｓｅｒｖｉｃｅ ｆ１； 蒸汽温度是大型燃煤机组控制的主要参数，对 机组的经济性和安全性影响很大，是锅炉安全、经济 定负荷范围内，要求其蒸汽温度维持额定值，偏差在 一１０～＋５℃范围。 运行的主要参数之一。锅炉蒸汽温度升高会引起受 热面金属材料超温，金属的热强度下降而破坏；而汽 在锅炉运行过程中，影响蒸汽温度变化的因素 很多，包括烟气侧的燃料性质、过量空气系数、燃烧 温下降，又将影响机组朗肯循环的效率¨ 。机组 负荷在６０％～１００％额定负荷甚至３０％～１００％额 器运行方式等，蒸汽侧的影响因素有锅炉负荷、减 温水量、给水温度等 。所以正常运行时，汽温也 难免波动，必须采取非常有效的调温措施才能保证 收稿日期２０１０—０５—１２ 修订稿日期２０１０—０６—０８ 汽温符合要求。 本文运用Ａｎｓｙｓ软件对蒸汽温度变化下的过热 作者简介：丁利（１９８５～），男，硕士研究生，主要从事锅炉研究。 ・２９４・ 器管进行机械应力和热应力分析，并计算分析过热 蒸汽温度变化对电厂机组运行的经济性和安全性 影响。 １ 蒸汽温度调节的经济性 对应于具有过热的朗肯循环，主蒸汽温度下降， 则吸热过程的平均有效温度 降低，放热过程的平 均有效温度 不变，循环热效率叼＝１一 Ｊ ２，必然降 』１ 过热蒸汽温度。℃ 低，导致热耗增大。以某电厂３００ ＭＷ机组为例，其 图２过热蒸汽温度变化对标准煤耗影响 蒸汽参数：过热蒸汽初压Ｐ ＝１７ ＭＰａ，背压Ｐ：＝ ５ ＭＰａ，初温ＴＩ＝５５０￣Ｃ。温度变化过程，锅炉效率 ２蒸汽温度调节的安全性 为０．９３，管道热效率为０．９９，汽轮机效率为０．９，机 ２．１ 过热器管受力及寿命分析 械效率为０．９９５，发电机效率为０．９８８，而且保持不 现在过热器设计寿命一般为２×１０ 小时。当 变。计算主蒸汽温度变化时，机组循环效率、标准煤 运行壁温超过规定上限温度，导致钢的蠕变极限和 耗的变化。 持久强度下降，高温性能变差，最终导致爆管。过热 姆 ｈ１一ｈ２ ，，、 器超温分为长期过热和短期过热两种＿４ Ｊ。长期过 ｄ 弘 ｌ ｌ Ｏ Ｏ ９ ９ ８ ８ ７ ＂驺 热是指超温温度不大的情况下金属材料长时间在应 ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ １，） Ｏ ５ ｂ。。＝ 兰，＿ （２） 力和超温温度的作用下导致爆管。短期过热则是金 ｒ／ｂｒ／ｐｒ／ｅ 属在短期内因温度升高而在应力作用下爆破，其超 式中叼ｄ——循环效率，％； 温一般在４５℃以上，甚至超过了钢管材质临界点下 ｈ。——过热蒸汽的初始温度对应的焓值，ｋＪ／ Ａｃｌ。短期过热情况发生时，如果减温水系统反应 ｋｇ； 迅速，减温水量足够的话，可以控制过热器管壁超 ——汽轮机做功后主蒸汽的焓值ｋＪ／ｋｇ； 温。这里主要讨论过热汽温超温对金属材料寿命的 ６ 。——标准煤耗ｇ／ｋｗｈ； 影响。 ——冷凝后主蒸汽的焓值ｋＪ／ｋｇ； 叼 ——锅炉效率，％； 叼。——管道热效率，％； 叼 ——绝对电效率，％。 当初始过热蒸汽温度Ｔ１＝５５０￣Ｃ时，由公式（Ｉ） 得：叼。＝４４．４８％，以初始过热蒸汽额定温度５５０￣Ｃ 为基准，上下各升高或降低１５￣Ｃ的变化的范围内 图３有限元模型 （５３５￣Ｃ一５６５￣Ｃ）求机组的循环效率、标准煤耗如图 １、图２所示。可见在额定温度附近，随主蒸汽温度 ＮＯＤＡＬ ＳＯＬＵⅡＯＮ 的升高循环效率逐渐增大、标准煤耗逐渐降低。 ＳＴＥＰ＝ｌ ＳＵＢ＝Ｉ ＴＩＮＥ＝ｌ ＳＥＱＶ（ＡＶＧ） ＤＭＸ＝２２２Ｅ—ｏ４ 姆 ＳＭＮ－－４０７６１ｌ９ ＳＭＸ－－４０８１６８ 图４过热器管应力场 ２．２计算有限元模型以及网格划分 过热蒸汽温度，℃ 运用Ａｎｓｙｓ软件有限元计算分析蒸汽温度变化 图１ 过热蒸汽温度变化对循环效率影响 对过热蒸汽管应力的影响。为了简化计算，假设沿 着管子的轴向没有轴向温差，且管子内外壁所受的 ・２９５・ 热载荷是轴对称分布的。这样，就可以建立二维平 面模型来计算管子的温度场和应力场。有限元模型 及网格划分如图３所示。该过热器管子材料为 １２ Ｃｒ Ｍｏ，最大应力值位于人ＶＩ段内壁，因这时工质 的温度最低，热应力有着较高的水平。管件的内壁 统一施加第三类边界条件，外壁则施加第二类边界 条件。工质侧对流换热系数通过流动工质雷诺数和 普朗克数的实验关联式来计算，介质温度取工质入 口温度。热流密度则根据受热面的总吸热量以及其 总吸热面积来确定。 番 靛 篱 过热蒸汽初始温度，℃ 图５蒸汽温度与主蒸汽管道寿命关系 ２．３有限元计算及结果分析 通过有限元软件Ａｎｓｙｓ，绘得过热器管应力场 见图４，其中内外壁温差Ａｔ＝０．２４７￣Ｃ，管外蒸汽热 流密度为１ ８５０ Ｊ／（ｓ・ｍ ），工质侧对流换热系数为 １ ０４０ Ｗ／（Ｉｎ ・ｏＣ），弹性模量１．７５ Ｘ １０“，泊松比 ０．３，管壁导热系数为３４（Ｗ／ｍ・ｏＣ），介质计算压力 为１７ ＭＰａ。从应力云图可以得出，对于干净的管 子，正常内外壁的温差不到１ ｏＣ，也决定了总应力中 热应力处于次要地位，以汽压产生的机械应力为主。 图中反应管段入口处总应力为４Ｏ．８ ＭＰａ。根据平 均理论寿命公式 。 ｌｇ（ｔ／ｌＯ ）＝ｌｇ（盯５１０／ｏ－ 。）／（ ８ｌ０／ｏｒ２×１０ ）（３） 式中 ——平均理论时间，ｈ； ——工作应力，ＭＰａ； ５０——一定温度下１０ ｈ持久强度平均值， ＭＰａ； ，×１０ ——一定温度下２×１０ ｈ持久强度平 均值，ＭＰａ。 当 ＝５５０￣Ｃ， ：４３．３ ＭＰａ时， ５】０＝６８ ＭＰａ， ｏｒ ×１０ ＝５８ ＭＰａ，代入公式（３）得：平均理论寿命 ｔ＝７１４ ７１６ ｈ。在主蒸汽压力几乎不变的情况下，机 械应力几乎不变，但在蒸汽温度变化后，管子的许用 应力发生变化，平均理论寿命发生变化。过热蒸汽 温度的改变对金属材料寿命的影响见图５。 以正常运行工况５５０ｃＩ＝为准，机组每天超温 ・２９６・ １ ｏＣ，即在５５１℃下运行２ ｈ，一年后（按３６５天计算） 机组的平均理论寿命将减少３７ ｈ。在此基础上，计 算其他超温环境下机组运行一年后的平均理论寿命 减少情况如图６所示。 套 饕 篓 娶 温度差，℃ 图６主蒸汽超温对蒸汽管道寿命的影响 由图５可见，在额定温度附近，过热蒸汽温度的 变化对金属材料寿命的影响呈指数函数分布，随温 度的升高，管子的平均理论寿命逐渐降低，且超温越 大，变化趋势越平缓。图６中可以看出，机组在额定 工况下每天超温运行２ ｈ，一年后蒸汽管道的平均理 论寿命减少明显。且超温引起的主蒸汽管道寿命变 化也呈指数函数分布。超温越大，管道的平均理论 寿命减少趋势越快。超温１ ｏＣ，材料平均理论寿命 减少３７ ｈ；到超温ｌ５℃，材料平均理论寿命减少 １ １８３ ｈ。因此，为保障机组稳定安全运行，必须采 取必要的调温措施减少超温现象发生。 ３ 结论 本文运用Ａｎｓｙｓ软件，在过热蒸汽温度变化时 对过热器管进行应力分析，并计算温度变化对机组 经济性和金属材料寿命的影响，得出以下结论： （１）机组循环效率随过热蒸汽温度的上升逐渐 增大，但标准煤耗逐渐降低。温度从５３５℃上升到 ５６５￣Ｃ时，循环效率由４４．２５％变化到４４．７ｌ％；标准 煤耗由３４１．２ ｇ／ｋｗｈ下降到３３７．７ ｇ／ｋＷｈ。因此， 防止主蒸汽温度过低，使机组在正常温度下运行不 仅可以保证机组循环效率，而且可降低煤耗，节省成 本，保证经济性。 （２）计算分析得出，随温度的升高，主蒸汽管道 平均理论寿命逐渐减少，超温越大，减少方向上的变 化趋势越平缓。机组在正常运行工况５５Ｏ℃下每天 超温运行２ ｈ，一年后金属材料理论寿命减少显著， 变化规律呈指数分布。且超温越大，相对于正常运 行时，管道的平均理论寿命减少趋势越快。超温 １℃，材料平均理论寿命减少３７ｈ；到超温１５℃，材 （下转第２９９页） 表２排烟热损失模拟值与实算值的比较 ｌ ２ ３ ４ ５ ６ １３．２０ ７ ６．６６ ８ １３．７７ ９ １Ｏ．２７ ｌ０ ９．２５ ｌｌ １０．４８ １２ ６．６ｏ 实测值（％） 模拟值（％） 绝对误差（％） ｌ３．１８ ｌ０．４３ ｌ３．０６ ９．２９ １３．５５ １４．５６ １１．５４ １４．４４ １０．３１ １３．２７ １．３８ １．１１ １．３８ １．０２ ０．２８ ｌ３．３３ ０．１３ ７．３６ ０．７０ １４．４４ ０．６７ １Ｏ．３４ ０．０７ ９．３９ ０．１４ １０．６４ Ｏ．１６ ７．４１ Ｏ．８１ 算方法具有较高的可靠性和准确性，能满足现场测 试排烟热损失的要求。 （２）应用快捷模拟方法计算排烟热损失，可以 减轻现场测试的工作量，减少油质分析环节，提高工 作效率。 （３）快捷模拟计算方法可以根据现场实测的几 个重要参数来快速计算锅炉排烟热损失，这为锅炉 实现现场效率测试提供了一种思路，同时也方便现 场工作人员根据此模拟方法来快速调节锅炉运行参 序号 数，使得排烟热损失尽量降到最佳值。 参考文献 ［１］李茂东，黎华，钟志强．工业锅炉能耗现状分析与 图２排烟热损失模拟值和实算值的曲线 由表２可知，排烟热损失模拟值和实测值的绝 对误差均小于２％，完全满足现场测试精度要求；由 图２可知，在现场实测，该快捷模拟计算方法具有较 高的准确性，满足现场快速获取排烟热损失的要求。 节能措施［Ｊ］．石油和化工设备，２００９，（７）：６７—６９． ［２］史培莆．工业锅炉节能减排应用技术［Ｍ］．北京： 化学工业出版社，２００９，７０—７５． ［３］ＧＢ／Ｔ １０１８０—２００３工 锅炉热工性能试验规程 ４结论 ［ｓ］ （１）应用ＭＡＴＬＡＢ来快速模拟排烟热损失的计 （上接第２９６页） 料平均理论寿命减少１ １８３ ｈ。因此，在机组运行 中，严格控制主蒸汽温度超温现象，对于保证金属材 料的使用寿命具有重要意义。 （３）通过分析蒸汽温度变化影响，充分证明了 经济与安全性分析［Ｊ］．华东电力，１９９５，（５）：３８—３９． ［２］陈德．浅谈再热蒸汽温度调节方式对循环热效率 的影响［Ｊ］．内蒙古电力技术，２００６，２４（５）：３５—３６． ［３］徐玲芬．锅炉运行中蒸汽温度的调节［Ｊ］．云南电 力技术，２００７，３５（１）：４１—４２． 机组主蒸汽温度过高过低都会影响机组正常运行， 必须采取非常有效的调温措施，保证汽温正常，使机 组安全经济的运行。 参考文献 ［１］吴跃民，王永成．１ ０００ ｔ／ｈ直流锅炉降气温运行的 ［４］王莹．大型电站锅炉过热器爆管原因综述及对策 ［Ｊ］．中国电力，１９９８，３１（１０）：３８—３９． ［５］周顺深．火电厂高温部件剩余寿命评估［Ｍ］．北 京：中国电力出版社，２００６，１２１—１２２． ・２９９・
