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引言
????? ?目前我國有不少超臨界和超超臨界鍋爐投人運(yùn)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(yùn)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(diǎn)所測得的溫度比實(shí)際溫度偏低10－20℃ 。超臨界和超超臨界鍋爐的運(yùn)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(diǎn)測量準(zhǔn)確性問題做理論上的探討，并介紹幾家電廠的實(shí)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(zhǔn)確度的重要性
???? ? 長期以來有一種誤解，認(rèn)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(diǎn)在大罩殼或保溫的小室內(nèi)，不用再單獨(dú)加保溫，這是一種誤解。因?yàn)榇笳謿せ蛐∈姨幱跓崞胶鉅顟B(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(diǎn)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(diǎn)，再到管外空氣），就有熱電偶熱接點(diǎn)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(diǎn)不用單獨(dú)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(qiáng)度對溫度非常敏感。例如，TP347H 材料在所受應(yīng)力為，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(diǎn)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(diǎn)的測量準(zhǔn)確性對于鍋爐的運(yùn)行安全（是否超溫的判斷）和經(jīng)濟(jì)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(diǎn)所測量的溫度是管內(nèi)的蒸汽溫度。要測量準(zhǔn)確，首先應(yīng)使測點(diǎn)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(diǎn)的溫度盡量接近管子外壁溫度。這要求盡量減小測點(diǎn)處沿管子徑向和沿?zé)犭娕急旧淼纳釤崃鳌Ｏ旅鎸@ 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?yàn)闇y點(diǎn)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：
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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(dǎo)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，℃。
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2.2 熱電偶熱接點(diǎn)與管子外壁之間的溫差
??? 從熱接點(diǎn)處的熱平衡來看，從管子外壁流向熱接點(diǎn)的熱流為卯熱接點(diǎn)向環(huán)境的散熱熱流為q1；沿?zé)犭娕奸L度方向的散熱熱流為q2。
??? 當(dāng)達(dá)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(dāng)量放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃）;trd為熱電偶熱接點(diǎn)的溫度℃。
??? 從式（3）、（4）可看出，為使測量準(zhǔn)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(diǎn)處管外加保溫層；(2)為減小q2, 應(yīng)將從熱接點(diǎn)引出的一段熱電偶（約150mm）緊貼在管壁上，以減小沿?zé)犭娕急旧淼纳幔摱喂茏右矐?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(dǎo)熱系數(shù)取用λb= 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?yàn)殡y于計算熱電偶與管子外壁之間的當(dāng)量放熱系數(shù)αd，所以表中沒有列人熱電偶熱接點(diǎn)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。
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??? 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(fù)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。
三、熱電偶測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和施工要求
??? (1)有些施工單位采用集熱塊，將熱電偶固定在集熱塊中，集熱塊只用點(diǎn)焊固定在管壁上。集熱塊的作用是形成一個內(nèi)部等溫腔室，只有集熱塊的三面與管壁滿焊（除了引出熱電偶的一面以外）才能最大地加大與管壁的接觸面積,使集熱塊腔室內(nèi)的溫度最大限度地接近管子外壁溫度，從而提高測量準(zhǔn)確性。
??? (2)有些集熱塊結(jié)構(gòu)用螺釘將熱電偶熱接點(diǎn)壓緊在管壁上，以為這樣可以提高測量準(zhǔn)確性。實(shí)際上這樣做反而使熱接點(diǎn)增加了一個散熱的通道（因?yàn)槁葆數(shù)念^部面積大，而且伸出集熱塊）。螺釘愈粗、愈長，則測量的偏低誤差也愈大。
四、試驗(yàn)結(jié)果
?? 在諫壁電廠，2004年對一臺300MW亞臨界鍋爐的末級過熱器、末級再熱器和后屏過熱器3個管組爐外壁溫測點(diǎn)（測點(diǎn)處沒有保溫）的測量偏低值進(jìn)行了計算和統(tǒng)計，分別為 l0℃、12℃和9℃。2005年初對測點(diǎn)加保溫后，偏低值分別減小到1℃ 、3℃和0.5℃。
??? 在泰州電廠1000MW超超臨界鍋爐上還作了深入的統(tǒng)計工作。圖2、3是泰州電廠1、2號鍋爐末級過熱器沿寬度各屏第8管和屏式過熱器第6管的實(shí)測出口溫度分布（為了進(jìn)行比較，圖中的測量值均已推算到相同的設(shè)計值）。可以看出，2號爐的末級過熱器和屏式過熱器的平均值（測點(diǎn)保溫）明顯比1號爐（測點(diǎn)未保溫）高出6℃和12℃左右。
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?????? 常州電廠600MW 超臨界鍋爐在投運(yùn)以前就重視過熱器再熱器爐外測點(diǎn)的保溫和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在2006年投運(yùn)后，根據(jù)過熱器再熱器爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，除了再熱器管組有3℃左右的偏低以外，末級過熱器和屏式過熱器都沒有偏低。
五、爐外壁溫測點(diǎn)參考結(jié)構(gòu)推薦
??? 可門電廠600MW超臨界鍋爐在2007年以前，由于爐外測點(diǎn)未保溫，測量溫度偏低很多。在2008年初鍋爐大修時，電廠將所有爐外測點(diǎn)全部重新裝設(shè)，并加以完善保溫。大修后根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，末級過熱器、高溫再熱器和屏式過熱器3個管組的爐外壁溫測量溫度基本沒有偏低。
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??? 圖4是筆者推薦供參考的爐外壁溫測點(diǎn)結(jié)構(gòu)。其要點(diǎn)是：(1)保溫、(2)集熱塊與管壁3面滿焊、(3) 熱電偶引線前段貼緊管子、(4)壓緊螺釘不直接接觸熱接點(diǎn)。
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??? 需說明的是，合理的測點(diǎn)結(jié)構(gòu)只能使測量誤差盡可能減小，并不能使測量誤差減小到0，由于實(shí)際上不可能使測點(diǎn)處的散熱熱流減小到0。從表1可看出，超臨界和超超臨界鍋爐的末級過熱器和末級再熱器由于偏差管出口溫度高，其爐外壁溫測點(diǎn)的保溫層厚度必須加大到100mm以上才能使測量誤差（熱電偶熱接點(diǎn)與蒸汽的溫差）小于2-4℃。偏低值減小到這種程度后，再采用先進(jìn)的過熱器再熱器爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測系統(tǒng)，則這種測量偏低值可以由系統(tǒng)的軟件進(jìn)行修正。
六、結(jié)語
??? (l) 理論分析和實(shí)爐試驗(yàn)以及統(tǒng)計都表明，如果超臨界和超超臨界鍋爐的過熱器、再熱器測點(diǎn)不單獨(dú)保溫，結(jié)構(gòu)和裝設(shè)方法不合理，會有l(wèi)0℃以上的測量值偏低誤差。這種誤差會影響到高溫管屏的安全運(yùn)行和使用壽命。
??? (2) 合理的爐外壁溫測點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以將測量誤差減小到2-4℃。
??? (3) 采用過熱器再熱器高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測系統(tǒng)對于鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是很有必要的。該系統(tǒng)能修正爐外壁溫測點(diǎn)的測量偏低差，還具有顯示所有管子爐內(nèi)各點(diǎn)壁溫及減小管屏的溫度偏差等多項(xiàng)功能，是常規(guī)壁溫測量所無法達(dá)到的。
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