【摘 要】过热器受热面中的工质是高温高压的蒸汽，而受热面又处于烟气温度较高的区域，工作条件比较恶劣。因而受设计、制造、运行等诸多方面因素的影响，过热器受热面经常发生超温现象。本文通过分析发现影响过热器超温的原因，为防止电站锅炉过热器超温提前采取预防措施或做出有针对性的检修计划，同时也可以在超温问题出现后采取正确的措施。

【关键词】电站锅炉；过热器；超温

0 前言

发展大容量高参数锅炉是我国电力工业发展的一项重要技术政策。锅炉蒸汽参数的提高，使得过热器系统成为大容量锅炉本体设计中必不可少的受热面。这部分受热面内工质的压力和温度都相当高，且大多布置在烟温较高的区域，因而其工作条件在锅炉所有受热面中最为恶劣，受热面温度接近管材的极限允许温度；而锅炉容量的日益增大，使过热器系统的设计和布置更趋复杂，电站锅炉中过热器超温问题也日益突出。许多电厂在发现过热器超温威胁爆管后不得不牺牲机组运行的经济性，使锅炉做降温运行但是即便如此，仍不能彻底解决其超温问题。本文系统全面的探讨过热器超的原因，通过分析发现影响过热器超温的原因很多，有设计、施工、检修、运行、制造、管理和煤种等诸多方面，而且这些因素又相互作用。因此往往不是由单一因素造成，而是几个因素同时存在并交互作用的结果。

1 锅炉设计及制造对过热器超温的影响

1.1 设计原因

1.1.1 热力计算不当

1）炉膛的传热计算不当

从锅炉炉膛的传热计算计算目的而言，使用炉膛传热计算有两个目的，第一是，进行各受热面的热平衡计算，了解各级受热面的进出口烟温和汽温，第二是，了解炉膛中受热面的热负荷分布、烟温分布、烟温介质及流速分布等。适合于以上的目的有以下两类炉膛传热计算方法。

（1）零维模型法

该方法又称常规的炉膛传热计算方法，使用该方法只能计算出一个炉膛出口烟温，以确定各级受热面的热平衡，其中有代表性的影响较大的有以下几种：

①1890年由Hnason和Orrok提出了的经验关系式[1]。

②Mullikin根据辐射传热的Stefan-Boltzmann定律提出的炉内辐射传热计算公式[2]。

③前苏联中央汽轮机锅炉研究所（ЦКТИ）以ГУРBИЧ为首的研究小组在综合了大量的试验数据的基础上，提出了锅炉炉膛传热计算的半经验方法，称为ЦКТИ法[3]。

（2）多维模型方法

从实际需要方面，由于锅炉向大容量高参数发展后，计算和分析时不仅要知道炉膛出口烟温，还需要了解炉内温度分布，热流分析，流速均等，由于计算技术随着电脑的发展，原先描述燃烧过程和传热过程的微分方程，已经可以通过电脑进行数值计算，根据不同的假设及模拟方法，主要有以下的多维模型，区域法（将炉膛划分成若干体元和面元）；蒙特卡诺法（用概率拟跟踪每个能束的发射，吸收，发射和反射）；扩散近似法（用有限差分法求解）；热流法（将微元体界面上复杂的半球空间热辐射简化成垂直于界面的均匀热流；球形谐波法（用有正交性质的球谐函数将辐射强度展开）；离散传递法（能束穿过内部网格时辐射强度变化用一个计算模型表达进行模拟）；离散坐标法（将辐射强度的方向变化进行离散）等等。

2）管壁温度计算中的系数选择不当

（1）互辐射因数

辐射因数的计算是整个壁温计算的一个重要环节。以前在用辐射因数时，常常采用查曲线图的方法，这样会带来一些缺陷：一是，不便于计算大量管子的壁温；二是，查图的准确性不是很高。根据辐射因数的定义，我们可以推导出计算各排管子辐射因数的公式，这样可以大大简化计算的过程，节省整个壁温计算的时间，可缩短工程设计和改造的周期[4]。

（2）沿烟道宽度方向的吸热不均匀系数

为了计算沿炉膛宽度方向分布的各片过热器和再热器的各管壁温，就需要确定沿烟道宽度方向的吸热不均匀系数，以便准确计算出各管的壁温分布。但是，到目前为止，对因炉膛出口烟气残余旋转所引起的超温问题，研究工作还没有取得实质性突破，还不能很好地从理论上计算出沿烟道宽度方向地吸热不均匀系数，现在还只能通过理论分析和实测数据相结合的方法来进行确定。

（3）沿屏高度方向的吸热不均匀系数

沿屏高度由于烟气流动偏差，存在沿高度方向上的吸热不均匀系数，关于吸热不均匀系数的理论计算很少，主要根据一些实测数据整理得到的沿高度的吸热偏差系数。

（4）屏底部烟窗与前部烟窗平均辐射热负荷之比

对于半大屏，存在前烟窗和底部烟窗，它们都对屏有辐射传热。一般情况下，根据热力计算得到炉膛平均辐射热负荷，然后计算出前部烟窗的辐射热负荷，最后再求出底部烟窗的辐射热负荷。

1.1.2 炉膛设计高度偏低

根据炉膛高度与火焰中心位置的关系式知道，火焰中心位置提高将导致过热器超温。

1.1.3 三通结构的因素

近年来，大容量电站锅炉运行中所发生的过热器超温问题，分析发现这跟目前电站锅炉的过热器集箱系统多采用三通结构引入引出、管组采用并联形式所造成的蒸汽侧较大的流量偏差有很大关系。随着锅炉容量的增大，过热器的结构也越来越复杂，在集箱的同一截面上往往布置多根支管组成一片屏，引入引出管也多采用径向布置的三通结构。

1.1.4 切圆燃烧技术因素

国内外大容量锅炉广泛采用四角切圆燃烧技术这种燃烧方式使得炉膛整体作为一个大型旋风燃烧室，炉内气流一边旋转，一边燃烧，上游直接点燃下游煤粉气流，由旋转形成的炉膛中心低压区卷吸炉内介质形成燃料、空气和烟气的良好混合，并且强烈地燃烧；这种旋转气流流动轨迹呈螺旋状上升，到达炉膛出口后仍具有一定的旋转强度，火焰流程相对长些，有利于煤粉燃烬。但是，也正由于这种强烈的旋转，引起对流烟道两侧的烟速差和烟温差，使烟道内热负荷分布不均匀。

1.1.5 同屏热偏差

同屏热偏差是指各管焓增与整个屏各管的平均焓增之比。在前苏联年的计算标准中，认为同一片屏中各根管子的进出口汽温是一样的，实际上同屏各管出口汽温有很大的偏差，如果没有进口联箱则进口汽温也可能不一样。

1.1.6 调温装置设计不合理

大容量电站锅炉的汽温装置不合理主要包括：

1）减温水系统设计不合理

某些锅炉在喷水减温系统设计中，往往用一只喷水调节阀来调节一级喷水的总量，然后将喷水分分为左右两个回路。这时，当左右侧的燃烧工况或汽温有较大偏差时，就无法用调整左右侧喷水量来平衡两侧的汽温。

2）喷水减温器容量设计不合适

喷水式减温器一般设计喷水量约为锅炉额定蒸发量的3%～5%，但配200MW机组的锅炉由于其汽温偏离设计值问题比较突出，许多电厂均发现喷水减温器容量不够。如邢台电厂、沙角A电厂和通辽电厂等都将原减温水管口放大，以满足调温需要。

3）挡板调温装置问题

挡板调温可改变烟气量的分配，也可以作为一种调温的手段，但在烟气挡板的实际应用中也存在一些问题比如挡板开启不太灵活、再热器侧和过热器侧挡板开度较难匹配。

1.2 制造原因

由于制造工艺、现场安装等质量问题造成过热器超温也时有发生。如联箱中间隔板焊接不良，联箱中蒸汽短路，部分管子流量减少；蛇形管制造、安装焊口的质量不合格，个别管子通球率低，造成流量不均；管子弯头椭圆度和管壁减薄超标等，降低了管子寿命；空气预热器、炉本体漏风也会加剧超温。运行中空气预热器漏风严重，可使燃烧器配风不足，造成燃烧偏斜，燃烧过程加长，加剧超温；炉底漏风、炉本体漏风严重，造成炉膛出口烟温、烟气量增加，加剧超温[5]。

2 锅炉运行对过热器超温的影响

2.1 炉内燃烧工况的影响

2.1.1 炉内空气动力工况的因素

随着锅炉容量的增大，炉内气流情况对过热器系统的影响就相应增大。如果运行中炉内烟气动力场和温度场出现偏斜，则沿炉膛宽度和深度方向的烟温偏差就会增加，从而使水平烟道受热面沿高度和宽度方向以及尾部竖井受热面沿宽度和深度方向上的烟温和烟速偏差都相应增大；而运行中一次风率的提高，有可能造成燃烧延迟，炉膛出口烟温升高。

2.1.2 火焰中心位置提高的因素

炉膛火焰中心位置的提高可以减少炉膛受热面的吸热量而提高炉膛出口烟温，使过热器的热负荷升高，在管内工质吸热量不变时，引起管壁超温。同时还会使飞灰软化，容易粘结在屏式过热器和对流过热器上，引起过热器的结渣。另外，由于火焰中心的提高，使燃料燃烧不完全，部分可燃物在水平烟道的受热面上积存，达到一定条件时发生再次燃烧，造成过热器热负荷不均，再燃烧部位热负荷高，其它部位热负荷低，容易产生热偏差，引起超温。

2.2 高压加热器投入率低

据调查，我国大容量机组的高压加热器投入率普遍较低，有的机组高加长期停运。对于200MW机组，高压加热器投与不投影响给水温度80℃左右。计算及运行经验表明，给水温度每降低1℃，过热蒸汽温度上升0.4～0.5℃。因此，高加停运时，汽温将升高32～40℃。可见，给水温度变化对蒸汽温度影响之大。江西景德镇电厂SG220-100-1型煤粉锅炉的高压加热器长期投运不正常，给水温度为150～160℃，一直未达到设计要求的215℃，使过热蒸汽温度升高，造成了超温。

运行表明，因高加解列，对本来运行正常的锅炉将引起超温或减温水量大大超限；对原来汽温偏低的锅炉，虽会使汽温有所提高，但由于煤耗率增加，将使机组运行的经济性降低。

2.3 锅炉运行压力的因素

目前多数300MW、600MW电厂锅炉都在低于设计压力下运行，锅炉降压运行，使得蒸发吸热与过热吸热的比例发生变化。这种运行方式使锅炉蒸发段所需的吸热量增大，过热段所需的吸热量减少，要求增加燃料量来满足蒸发吸热，燃料量的增加使过热器超温。如黄台电厂7号炉，设计时，主汽压力为17.3MPa；运行时，当机组负荷在270～290MW，主汽压力仅有14MPa，约低3.3MPa。

2.4 水处理因素

积盐积垢等由于水处理不严格，炉水品质不好，加之汽水分离不良，饱和蒸汽中带水现象严重，而水中溶盐远远大于蒸汽带盐，往往造成过热器内产生结垢现象。其次，过热器管内可能同时产生严重的积盐现象。这些盐分沉积在过热器管内壁，使管壁传热不良、局部超温。

2.5 负荷变化的因素

锅炉负荷变化时，对流式过热器和辐射式过热器的汽温变化特性相反，负荷升高时，对流过热器的出口汽温增加，辐射过热器的汽温降低。后屏过热器是半辐射半对流式的过热器，其汽温特性介于对流过热器和辐射过热器之间。通过分析及计算发现：在一定的负荷范围内，屏式过热器存在低负荷时壁温反而高的现象。

2.6 二级减温水大小的因素

而在稳态运行时，二级减温水的大小直接影响着分隔屏的入口汽温，二级减温水量大，分隔屏的入口汽温就高，相应的，分隔屏的出口温度也高。因此，在平时运行时二级减温水量大也是造成分隔屏超温的原因之一。

2.7 煤种差异的因素

我国大容量锅炉绝大部分处于非设计煤种下运行，主要表现在实际用煤与设计煤种不符、煤种多变和煤质下降等。燃料成分对汽温的影响是复杂的。一般说来，直接影响燃烧稳定性和经济性的主要因素是燃料的低位发热量和挥发份、水分等。此外，灰熔点及煤灰组份与炉膛结焦和受热面粘污的关系极为密切。

2.8 受热面粘污

国产大容量锅炉有的不装吹灰器（前期产品），或有吹灰器不能正常投用，往往造成炉膛和过热器受热面积灰，特别在燃用多灰份的燃料时，容易造成炉膛结焦，使过热器超温。对于原来汽温偏低的锅炉，如过热器积灰，将使汽温愈加偏低。因此，吹灰器能否正常投用，对锅炉过热器的安全和经济运行有一定影响。

2.9 运行管理

在实际运行中，由于运行人员误操作及检修时未按有关规定进行或未达到有关要求从而导致过热器超温的问题也时有发生。某些电厂的运行人员只求机组运行可靠，而没有做到压红线或靠红线运行的现象也普遍存在，这必将使得机组运行的经济性下降，应引起有关部门的足够重视。

另外，某些电厂对于设备的维护和检修工作重视不够，且存在将能投入的保护、自动装置的任意解除的现象，这也必将对过热器超温产生影响。

3 结论

过热器超温的直接原因大致可归纳为由于热力计算偏差造成整体长期过热；管内工质流量整体偏低；在结构设计中，受热面积、热量分布、流量分布匹配不协调，造成局部过热炉膛出口截面烟温分布不均匀。

如果我们能够系统全面的掌握锅炉过热器超温的原因，便可以提前采取预防措施或做出有针对性的检修计划，同时也可以在超温问题出现后采取正确的措施，甚至还可以对在今后的过热其设计和材料选择，起到一定的指导作用。

【参考文献】

[1]Owens，D.H.，Dyadic Approximation method for Multivariable Control-Systems Aanalysis with a Nuclear-Reactor Application，IEE Proc[J].1973，120（07）：801-809.

[2]Owens，D.H.， Feedback and Multivariable Control Systems[M].Peter Peregrines，London 1978.

[3]Mayne D.Q.， The Design of Linear Multivariable Systems，Automatic[J].1973，9（02）：201-207.

[4]容銮恩.燃煤锅炉机组[M].中国电力出版社，北京，1998.

[5]Curtis D.Johnson，Process Control Instrumentation Technologe[M].科学出版社，北京，2002.

[责任编辑：陈双芹]