减小热偏差的措施

11.5.2　减小热偏差的措施

热负荷和流量分布不均匀是引起热偏差的主要原因。尽管不可能完全消除热偏差，但在设计和运行中可通过采取有效措施减小热偏差，使得实际热偏差小于允许热偏差。虽然提高允许热偏差值也能达到安全运行的效果，但却要采用耐更高温度的金属材料，这往往是不经济的。事实上，除了尽量保证锅炉各并联管结构一致外，采取的主要措施应是减小热负荷与流量的不均匀性，并力求使管内的流量与热负荷相适应，即符合热负荷强的管中流量大，热负荷弱的管中流量小的基本原则，力求各并联管的工质出口焓值相接近，以减小热偏差。

在现代大型锅炉中，为了减小由于锅炉炉膛中烟气的温度场分布不均匀对受热面热负荷的影响，采用烟气再循环方式，即将低温烟气送入炉膛上部以均匀沿炉宽的烟气温度。如果在对流过热器管束中形成烟气走廊，即在个别蛇形管之间具有较大的烟气流通截面，则该处的烟气流速加快和气室辐射作用加强，使得走廊两侧管子吸热增多，热负荷不均匀系数增大，故应尽量避免。

根据热负荷分布情况将并联管组进行分组是一种有效的减小热负荷不均匀的方法。对炉膛辐射受热面可把管组或管圈的宽度减小，将其分为若干个独立的并联管组，则在同样的炉膛温度场分布情况下可减少各独立管组管间的热负荷不均匀性。通常要求水平围绕并联管带的高度小于3m，如一组管带流速过高，可将蒸发受热面分成两股或三股并绕，而垂直独立管组的宽度一般为1.5～2.5m。

锅炉投运或大修后，必须做好炉内冷态空气动力场试验和热态燃烧调整试验。在正常运行时，应根据锅炉出力要求，合理投运燃烧器，调整好炉内燃烧。烟气要均匀充满炉膛空间，避免产生偏斜和冲刷屏式过热器。尽量使沿炉宽方向烟气流量和温度分布比较均匀，控制水平烟道左右烟温偏差不能过大。及时吹灰，防止因结渣和积灰而引起的受热不均现象产生。

锅炉的过热器及再热器系统中可能产生的热偏差往往是人们关心的重点。减轻热偏差的主要措施包括^［17］：

将过热器、再热器分级，级间进行中间混合，即减少每一级过热器、再热器焓增Δi_pi，从而减少出口汽温的偏差。对于中压锅炉一般将过热器分成两级，对于高压以上锅炉常将过热器分成三到四级，甚至更多。过热器分级后，每级中工质的焓增量一般不超过250～400kJ/kg，末级过热器焓增一般不超过120～200kJ/kg。因为在工质温度最高的末级过热器中，其比热容最小，使得在同样热偏差的条件下产生的温度偏差最大，采用较小的焓增可以保证过热器工作可靠性。如图11.33所示过热器系统中，低温过热器分为两组，高温过热器分为三组，各组之间采用交叉管和中间混合集箱，这些方法都有助于减小沿烟道宽度对流受热面热负荷的不均匀性。但在再热器系统中一般不宜采用左右交叉，其目的为了减少系统的流动阻力，以提高再热蒸汽的作功能力。

图11.33　过热器分组和交叉混合

在直流锅炉的蒸发受热面中，也可以采用中间混合集箱进行分级布置，减小每级受热面的工质焓增以减小热负荷偏差和流量偏差，并可提高其允许热偏差值，但应特别注意防止中间混合集箱中的汽水混合物的分配不均匀性。

减少屏前或管束前烟气空间尺寸，减少屏间、片间烟气空间的差异。受热面前烟气空间深度越小，烟气空间对同屏、同片各管辐射传热的偏差也越小。用水冷或汽冷定位管固定各屏或各片受热面，以防止其摆动，并使烟气空间固定，传热稳定。

适当均衡并列各管的长度和吸热量，增大部分管段的管径，减少其阻力（一级过热器或再热器按受热条件、壁温工况采用不同材料、不同管径）。

减少炉膛出口烟气残余旋转，减少炉膛出口及水平烟道的左右烟温偏差，减少过热蒸汽、再热蒸汽的左右汽温偏差。例如，在炉膛上部加装分隔屏（前屏）过热器，以减少炉膛出口烟气残余旋转的旋转能量，以减少水平烟道受热面（包括折焰角上部受热面）的左右流动偏差和左右烟温偏差；部分二次风反切，以减少炉膛出口烟气的旋转能量。

垂直上升管中的重位压差可以减小热效流量偏差，对于单行程的垂直管组应该布置工质向上流动的系统，当条件限制必须布置向下流动系统时，则应提高工质的流速以增加阻力，减小重位压差对热效流量偏差的不良影响。若采用垂直上升－下降的流动系统，或水平的蛇形管受热面，都推荐汇集集箱在上，分配集箱在下的连接方式。

为了减小集箱效应产生的流量偏差，应合理选择集箱的尺寸和连接方式，这对过热器和再热器尤其重要。加大集箱直径，采用多点均匀引入和引出的集箱连接系统，可以降低集箱内的工质流速，减小集箱中的压力变化。特别在汇集集箱中，蒸汽经吸热后其比容更大，流速更高，且静压变化系数Kh值也较大，增加直径的方法更有效。另一种方法是在汇集集箱两端并联一根较粗的分流管，以分流部分蒸汽，减小集箱中的流速。

为了解决对流过热器和再热器烟道两侧烟温低，中间烟温高引起的热负荷不均匀性，应选择烟道中部管子流量大，两侧管子流量小的集箱连接系统，如分配集箱两端引入，汇集集箱中点引出的方式，从而减少热偏差。

在管子入口单相水处加装节流圈，增大受热面管子的流动阻力，可以同时减小重位压差和集箱效应对流量偏差的影响，还能在不计这两项（如水平蒸发管）时，提高节流圈的阻力，使结构和比容不相同的并联管组的流量不均匀系数趋于1。

在直流锅炉和强制循环锅炉中的管子或管组，尤其是下降流动的蒸发受热面的入口加装节流圈是减小热偏差的有效措施，它可以强制工质流量的合理分配以适应热负荷的不均匀性。

在屏式过热器中，为减少各并联管屏间的热偏差，可在各管屏入口前装设不同节流程度节流圈，以适应各管屏的热负荷。同一片屏中，由于外圈管子最长，且直接受火焰辐射而热负荷最高，可采用合理的集箱连接系统增大该管的进出口压差，或增大该管的直径和缩短该管的长度，也可以减小该管相对于其它管圈的节流程度，则可使该管圈中流量增大，出口焓值降低，从而使热偏差减小。

直流锅炉的炉膛辐射受热面的进口工质焓值i_j对热效流量偏差的影响很大。因此，在设计时应合理选择i_j，以使水平布置受热面的平均工况管的出口焓值避开进入沸腾区（亚临界压力）或接近最大比热区（超临界压力）的焓值，垂直并联管组的平均工况管出口焓值避开热效流量偏差急剧增大的焓值。

在直流锅炉中加装再循环泵，当锅炉低负荷和启动时投入使用，使工质在管内再循环，可以增加炉膛辐射受热面的工质流量，降低其焓增以及管壁温度，减小热效流量偏差，这种有效方法已在超临界压力复合循环锅炉中得到广为应用。

复习思考题

1.锅炉的水循环方式有哪些，是如何区分的，各种循环方式的特点是什么？

2.受热管垂直向上流动有哪几种主要流型？水平流动的流动结构有什么特点？

3.何谓均相流动模型及分相流动模型？

4.影响汽液两相流体在管内流动时的截面含汽率的因素有哪些，影响作用是什么？

5.何谓热偏差及热偏差系数，与哪些因素有关？

6.影响并联管组各管热负荷不均匀的主要因素有哪些？

7.集箱效应是如何形成的，对并联管内流量的分配有什么影响？

8.什么是热效流量偏差？试述流量不均匀系数的影响因素及其影响作用。

9.试述减小热偏差的措施。

10.管内强迫对流换热沿管长分为哪些区间？

11.试述管内各换热区间的沸腾换热机理、放热系数的变化规律以及对管壁温度的影响。

12.什么是第一类传热及第二类传热恶化？两类传热恶化各有何特点？

13.水平管发生传热恶化时有何特点？

14.如何判别两类传热恶化，为什么在第二类传热恶化中会出现恶化时的含汽率与热负荷无关现象？

15.热负荷及其分布规律对传热恶化有何影响？

16.超临界压力下管内换热有何特点？

17.防止或推迟传热恶化的措施有哪些？

18.如何计算各类换热区间的放热系数？

主要参考文献

1.中国动力工程学会.火力发电设备技术手册，第一卷：锅炉.北京：机械工业出版社，2000

2.樊泉桂，超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行特性分析.锅炉技术，2006.37（5）：p.5－10

3.冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算，第三版.北京：科学出版社，2008

4.容銮恩，袁镇福.电站锅炉原理.北京：中国电力出版社，1997

5.黄承懋.锅炉水动力学及锅内传热.北京：机械工业出版社，1982

6.林宗虎，陈立勋.锅内过程.西安：西安交通大学出版社，1990

7.车得福，李会雄.多相流及其应用.西安：西安交通大学出版社，2007

8.林宗虎.气液两相流和沸腾传热.西安：西安交通大学出版社，2003

9.电站锅炉水动力计算方法编写小组.JB/Z　201－83电站锅炉水动力计算方法.1984

10.林宗虎，徐通模.实用锅炉手册.北京：化学工业出版社，1999

11.林宗虎，张永照.热水锅炉手册.北京：机械工业出版社，1994

12.陈学俊，陈听宽.锅炉原理，第二版.北京：机械工业出版社，1991

13.王妍芃，徐宝全，王树众等.水平并联管系统中两相流流量分配特性的可视性研究.西安交通大学学报，1998.32（7）：p.63－67

14.王妍芃，徐宝全，章燕谋等.水平并联管系统中两相流流量分配的理论及实验研究.西安交通大学学报，1996.30（5）：p.92－98

15.徐宝全，王妍芃，章燕谋等.水平U型和Z型集箱系统的两相流流量分配特性实验研究.动力工程，1997.17（4）：p.33－39

16.车得福.双相流体在分叉管及分配集箱中分配特性研究.^{［学位论文］}.西安交通大学，1985

17.华东六省一市电机工程（电力）学会编.锅炉设备及其系统.北京：中国电力出版社，2000