CN103196127A - 一种电站锅炉受热面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站锅炉受热面设计方法，适用于烟气温度偏差固定的受热面，第一步，根据同一断面上的烟气侧温度偏差曲线确定每一屏的烟气温度偏差系数；第二步，根据给定的集箱尺寸和受热面管子从集箱上的引入引出方式，确定蒸汽偏差曲线，获得每一屏的蒸汽偏差系数；第三步，将烟气温度偏差系数和蒸汽偏差系数进行叠加，获得每一屏的综合偏差系数；第四步，在各个受热面吸热总量不变的情况下，通过缩短和加长各屏的长度，来抵消由于烟气偏差和蒸汽偏差所形成的屏间偏差，使得各屏的蒸汽出口温度均匀。

Description

一种电站锅炉受热面设计方法

技术领域

本发明涉及锅炉设备领域，尤其是一种优化的适用于烟气偏差固定的受热面设计方法。

背景技术

在电站锅炉受热面中存在热偏差。热偏差是指并列管组中每根管的工质焓增不同的现象。热偏差的程度可用热偏差系数来表示，受热面并联管中个别管子工质焓增与并联管子的平均焓增的比值。比值为1表示没有偏差；比值大于1表示正偏差，即焓增过大；比值小于1，表示焓增过小。受热面的热偏差产生的原因是工质侧的流向不均和烟气侧的热力不均。造成受热面热偏差的原因是吸热不均、结构不均、流量不均。受热面结构不一致，对吸热量、流量均有影响，所以，通常把产生热偏差的主要原因归结为吸热不均和流量不均两个方面。

（1）吸热不均方面。

1）沿炉宽方向烟气温度、烟气流速不一致，导致不同位置的管子吸热情况不一样。

2）火焰在炉内充满程度差，或火焰中心偏斜。

3）受热面局部结渣或积灰，会使管子之间的吸热严重不均。

4）对流过热器或再热器，由于管子节距差别过大或检修时割掉个别管子而未修复，形成烟气“走廊”，使其邻近管子吸热量增多。

5）屏式过热器或再热器的外圈管，吸热量较其它管子的吸热量大。

（2）流量不均方面:

1）并列的管子，由于管子的实际内径不一致（管子压扁、焊缝处突出的焊瘤、杂物堵塞等）造成并列各管的流动阻力大小不一样，使流量不均。

2）集箱与引进引出管的连接方式不同，引起并列管子两端压差不一样，造成流量不均。现代锅炉多采用多管引进引出联箱，以求并列管流量基本一致。

因此在锅炉设计中，烟气的流动带来的烟气偏差，使锅炉受热面的设计非常困难，有效控制偏差是确保锅炉安全运行的行之有效的方法之一，我们也可以通过优化受热面的设计确保锅炉在受热面具有较大的安全性。

发明内容

本发明涉及一种优化的受热面设计方法，该设计方法基于对烟气偏差的了解，适用于烟气侧温度偏差曲线较为固定的情况。譬如说切向燃烧的锅炉，无论锅炉容量大小，其通过受热面的烟气侧温度偏差曲线基本固定。

为了实现本发明的目的，本发明的技术方案为：

一种电站锅炉受热面设计方法，所述方法仅适用于烟气温度偏差固定,所述设计方法的步骤为：

第一步，根据同一断面上的烟气侧温度偏差曲线确定每一屏的烟气温度偏差系数；

第二步，根据给定的集箱尺寸和受热面管子从集箱上的引入引出方式，确定蒸汽偏差曲线，获得每一屏的蒸汽偏差系数；

第三步，将烟气温度偏差系数和蒸汽偏差系数进行叠加，获得每一屏的综合偏差系数；

第四步，根据每一屏的综合偏差系数，在各个受热面吸热总量不变的情况下，通过缩短或者加长各屏的长度，来抵消由于烟气温度偏差和蒸汽偏差所形成的屏间综合偏差，使得各屏的蒸汽出口温度均匀。

使用该设计方法，能够有效的控制偏差，确保锅炉安全运行的同时，使得锅炉设计更为经济。

附图说明

图1为常规的受热面示意图；

图2为本发明的受热面示意图；

图3为烟气侧温度偏差曲线示意图；

图4为集箱与受热面工作示意图。

附图标记说明：进口集箱1、出口集箱2、集箱上的管接头3、屏上的管子4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于以下的实施例。

如图1为常规的受热面示意图，按照常规方法设计，屏1至屏8所有的屏都是相同的设计，宽度相同，高度相同，材料相同。

在同一断面上，烟气温度并不相同，存在烟气温度的波峰和烟气温度的波谷，该类烟气温度的偏差曲线可以通过数值模拟获得或实际经验获得。如图3所示。

受热面屏间的偏差是由于烟气偏差和不同屏管子在集箱上的引出位置的不同引起的。当集箱的口径确定，引入引出方式确定后其屏间蒸汽偏差曲线也基本确定。

受热面同屏的偏差是由于同屏的不同管之间内外圈管的吸热和流通面积、管子长度的不同引起的。

在进行受热面设计时必须同时考虑屏间的偏差和同屏的偏差，才能真正确保受热面的安全性。

如果采用常规的设计方法，对于同一断面上的不同屏的受热面是不进行差异化考虑的，虽然仅有有限的几片屏处于最高烟气偏差区域，但是所有的受热面设计时选取的烟气偏差也必须是该断面上最大的烟气偏差，这样设计不经济。另外，在考虑烟气偏差的同时，考虑可能存在的蒸汽侧的偏差（包括同屏的蒸汽偏差和屏间的蒸汽偏差），如果将两种偏差不进行有效叠加，而将两种偏差单独考虑选材设计，其最终的结果是虽然确保了受热面的安全性，但丧失一定的经济性。

下面对本发明所涉及的设计方法进行详细说明：

实施例1

实施例：在水平烟道内，以8个屏为例，假设每个屏大小相同，材料相同，与集箱的引入引出方式相同。

第一步，根据同一断面上的烟气侧温度偏差曲线确定每一屏的烟气温度偏差系数；

如图3所示为烟气侧温度偏差曲线示意图，另外以下为了便于理解，设想了一个表格，将大致的数据放入表格中。

表1

位置	屏1	屏2	屏3	屏4	屏5	屏6	屏7	屏8
									烟气温度℃	1120	1130	1150	1125	1105	1120	1150	1100
烟气温度偏差系数α	0.9956	1.0044	1.0222	1	0.9822	0.9956	1.0222	0.9777

如表1，求出八个屏外侧烟气的平均温度是1125℃，偏差系数大致可理解为某屏外侧的温度与平均温度的比值。如，屏4的温度是1125℃，偏差系数为1，即没有偏差；屏3的温度最高，为1150℃，是正偏差，工况最恶劣；屏8的温度最低，为1100℃，为负偏差，工况最不恶劣。

当然实际设计过程中的计算要比上述要复杂一些，但基本原理是一样的。

第二步，确定蒸汽偏差曲线（在给定集箱尺寸和引入引出方式后即可获得流量偏差曲线），获得每一屏的蒸汽偏差系数。

集箱尺寸表征为长度、内半径。工质进入集箱的引入方式多种，如两端引入、两端引入加中间部分引入，多根小管子引入，等等；对应的工质出集箱的引出方式也有多种，如两端引出，两端引出加中间部分引出，多根小管子引出）。当集箱尺寸确定，引入引出方式确定，蒸汽偏差系数就确定了。假设集箱引入方式为两端引入，根据我们实际设计的经验，我们大致假设了如下表的蒸汽偏差系数：

表2

位置	屏1	屏2	屏3	屏4	屏5	屏6	屏7	屏8
									蒸汽偏差系数β	0.97	0.98	1	1.02	1.03	1	0.98	0.97

如表2，蒸汽偏差系数的大致含义是：假设8个屏的总流量是800吨/小时，平均每屏的流量是100吨。偏差系数β为1时，没有偏差，即屏3和屏6的流量为100吨/小时，屏1的偏差系数为0.97，属于负偏差，流量为97吨/小时，屏5为正偏差，流量为103吨/小时。流量大时，带走的热量多，屏的温度下降多。

第三步，将烟气温度偏差系数和蒸汽偏差系数进行叠加，获得综合偏差系数；

假设屏的长度为10000毫米，屏长单位毫米。

表3

如何叠加呢，有多种叠加的计算方式，举个简化的例子来说明吧。

例如屏1的烟气温度偏差系数α为0.9956，即它的温度相对于8个屏的平均温度是偏低的，如果把它的长度变长，即屏对工质的阻力增大，流量就下降，吸热量下降，屏的温度就会上升，增加足够的长度即可让屏的温度达到平均温度（注：屏加长的同时，屏的吸热面也相应变大，吸热量也会增加，为了简化说明，此处暂不考虑该影响）。消除偏差系数α，即屏的温度达到8个屏的平均温度，根据经验，屏长与α成反比。假设标准屏长为10000毫米，当α=0.9956时，消除偏差系数α后对应的屏长L=10000/α=10044毫米。

屏1的蒸汽偏差系数β为0.97，即它的流量相对于8个屏的平均流量是偏低的，那么如果把它的长度变短，即屏对工质的阻力减小，流量就增大，吸热量增加，屏的温度相应上升（注：此时屏的吸热面积也变小，吸热量也会变小，为了简化说明，此处暂时不考虑该影响）。消除偏差系数β，即让屏的流量等于8个屏的平均流量，根据经验，屏长与β成正比。假设标准屏长为10000毫米，消除偏差系数β后对应的屏长L=10000β=9700毫米。

叠加后，即消除偏差系数α和β后，屏长L=9700+10044‐10000=9744毫米。

综合偏差系数大致等于β/α，屏1的综合偏差系数等于0.97/0.9956=0.9743，即消除偏差系数α和β后，屏长L=10000×0.9743毫米=9743毫米，与9744毫米接近，在允许的误差范围内。

当然实际叠加过程中的计算要比上述叙述要复杂一些，但基本原理是一样的，而且是考虑各种各样因素的影响，不仅仅考虑了偏差系数α和β，还考虑了屏增加或缩短的同时对吸热面积的影响情况，当然还有其他因素，本发明只是举例说明了叠加的方法和因素。

第四步，通过缩短和加长屏的长度，来抵消由于烟气偏差和蒸汽偏差所形成的屏间偏差，获得较为均匀的出口温度。

表4

根据表4中，消除偏差系数α和β后的屏长，对标准屏长进行增长或缩短，即可获得较为均匀的出口温度。例如屏1，可以从10000毫米，调整到9744毫米。

本发明所使用的设计方法是针对同一断面上存在的烟气偏差，且其烟气偏差特性是基本固定的特性进行受热面个性化的设计，即对同一断面上烟气温度高的区域受热面和烟气温度低的区域的受热面采用不同的设计原则，确保在保留足够的安全裕度的同时具有更高的经济性。

本发明所采用的设计方法是首先根据同一断面上烟气侧温度偏差曲线确定每一屏的烟气温度偏差系数，同时根据蒸汽偏差曲线（给定集箱尺寸和引入引出方式即可获得流量偏差曲线）获得每一屏的蒸汽偏差系数，将烟气温度偏差系数和蒸汽偏差系数进行叠加，获得每一屏的通过的流量，由于偏差的存在，其每一屏的受热面虽然相同，即阻力相同，但通过每一屏的流量并不相同，导致其出口温度存在偏差。在获得了偏差系数后，我们可以通过缩短和加长屏的长度，调整不同屏的阻力，来抵消由于烟气偏差和蒸汽偏差所形成的屏间偏差，获得较为均匀的出口温度。

采用本发明所使用的方法可以在确保每一屏屏都具有足够安全裕度的同时，获得较好的经济性，因为并不是每一屏屏都是按照最恶劣的工况进行设计。

当然每一片屏的设计都个性化会增加设计的难度，我们也可以在个性化设计的基础上将类似的屏进行标准化的设计，以期将安全性、经济性和标准化进行有序结合。当然不考虑标准化也是允许的。

通过计算同一断面上烟气偏差和屏间的蒸汽偏差的系数，调整受热面的长短，进行偏差的调整，获得较为均匀的出口温度。由于不同屏的高度并不相同，需要确保最终（实际上）的受热面面积和理论上的设计计算的面积相同。如果不同，需要重新进行热力计算后重新进行选材计算。

实施例2

实施例2与实施例1的前三步相同。在获得了综合偏差系数后，提高偏差大的屏的材料档次来抗住可能存在的偏差，此种方法并没有消除实际存在的偏差，但个性化的设计可以在确保安全性的同时确保一定的经济性。

第四步，通过计算同一断面上烟气偏差和屏间的蒸汽偏差的系数，调整受热面的选材，进行偏差屏的设计，偏差大的屏选用好材，偏差小的屏选材可以略差。

如表4，屏的综合偏差小于1的为负偏差，大于1的为正偏差，不管是正偏差还是负偏差，综合偏差与1的差的绝对值越大，屏内工质的温度越高，工况越差。这里的偏差大是指综合偏差与1的差的绝对值。例如，屏的综合偏差系数为1.0486，屏5的综合偏差与1的差为0.0486，在8个屏中绝对值最大，工况最差。因此，综合偏差为1左右的屏为基础选取一个基础材料，绝对值最大附件的选一个好的材料，绝对值在中间附件的选一个中等材料。例如，基础材料可以选普通不锈钢，牌号如SA-213TP347H；中等材料选精细不锈钢，牌号如SA-213TP347HFG；好的材料选超级不锈钢，牌号如SA-213.δ304H。

这里选材的标准以耐高温为主要参数标准，兼顾导热性，耐压，耐磨性及寿命长短；依此标准，普通不锈钢，精细不锈钢，超级不锈钢，材料依次变好。

实施例3

实施例3与实施例1的前三步相同。

第四步，在获得了偏差系数后，我们可以通过集箱上开孔的大小，调节每片屏的设计阻力，从而调节每片屏的工质流量，来抵消由于烟气偏差和蒸汽偏差所形成的屏间偏差，获得较为均匀的出口温度。

如图4所示，工质从两端进入进口集箱1，在集箱上开有孔，孔上焊有管接头3，管接头3连接受热面的管子4。开孔大，管接头内径也相应大。工质在受热面上加热后进入出口集箱2，从出口集箱两端流出。当开孔变大时，管接头的内径也相应变大，流体在此处的阻力变小。

当屏的综合偏差系数为负偏差时，一定程度上表明屏的阻力大，需要增大集箱上的开孔（集箱上的开孔与屏的管子是相连的），开孔变大阻力减小，流速会增加，流量增大，吸热量增加，温降增加，使得屏在安全范围内。当屏的综合偏差系数为正偏差时，表明屏的阻力小，需要减小集箱上的开孔，开孔变小阻力增大，流速会减小，流量减小，吸热量减小，温降减小，屏仍然在安全的范围内。

实施例4

实施例4与实施例1的前三步相同。可以考虑将实施例1和实施例3结合起来，即将屏的长度调整和集箱开孔调整结合起来。

第四步，根据每一屏的综合偏差系数，在各个受热面吸热总量不变的情况下，通过调整集箱上开孔的大小和调整屏的长度，综合调节每片屏的设计阻力，从而调节每片屏的工质流量，来抵消由于烟气偏差和蒸汽偏差所形成的屏间综合偏差，使得各屏的蒸汽出口温度均匀。

综合调整的好处是，不会使得各个屏的长短差异过大或者集箱上的开孔差异过大。

实施例5

实施例5与实施例1的前三步相同。还可以考虑将实施例1、实施例2和实施例3结合起来，即将屏的长度调整、材料差异的调整和集箱开孔调整结合起来。

第四步，根据每一屏的综合偏差系数，在各个受热面吸热总量不变的情况下，通过调整集箱上开孔的大小、屏的材料差异和调整屏的长度，综合调节每片屏的设计阻力，从而调节每片屏的工质流量，来部分抵消由于烟气偏差和蒸汽偏差所形成的屏间综合偏差，使得各屏的蒸汽出口温度均匀；同时将未抵消的部分综合偏差通过调整受热面的选材（调整屏的材料差异），进行偏差屏的设计，偏差大的屏选用好材，偏差小的屏选材可以略差。

Claims (1)

1.一种电站锅炉受热面设计方法，所述方法仅适用于烟气温度偏差固定，其特征在于：

第一步，根据同一断面上的烟气侧温度偏差曲线确定每一屏的烟气温度偏差系数；

第二步，根据给定的集箱尺寸和受热面管子从集箱上的引入引出方式，确定蒸汽偏差曲线，获得每一屏的蒸汽偏差系数；

第三步，将烟气温度偏差系数和蒸汽偏差系数进行叠加，获得每一屏的综合偏差系数；

第四步，根据每一屏的综合偏差系数，在各个受热面吸热总量不变的情况下，通过缩短或者加长各屏的长度，来抵消由于烟气温度偏差和蒸汽偏差所形成的屏间综合偏差，使得各屏的蒸汽出口温度均匀。

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