汽温变化及其调节的必要性

7.2.2　汽温变化及其调节的必要性

1.汽温变化及其影响因素

各种型式和用途的蒸汽锅炉，其最终产品都是具有一定温度和压力的蒸汽。而蒸汽参数是设计人员按额定参数来设计的，一般来说，锅炉在运行过程中，总是希望锅炉在额定参数下工作。

要保证锅炉能在额定参数下工作，就必须保证锅炉的其它工作条件符合设计工况，例如，燃料特性、给水温度、过量空气系数等。但在实际运行中，锅炉的这些工作条件难免受到各种扰动，扰动的结果总是导致锅炉的蒸汽参数发生变化，也就是导致蒸汽的温度和压力发生变化。因此，我们说锅炉在实际运行中蒸汽参数总是处在不断变化之中。

获得相对稳定或变化很小的蒸汽参数是我们的目的，因此，必须掌握蒸汽参数的变化规律。

饱和蒸汽在过热器中被加热提高温度后即变成过热蒸汽。由热量平衡关系有：

式中：i″_gq为过热器出口蒸汽焓；i_bq为过热器进口饱和蒸汽焓；B为锅炉燃料消耗量；Q_gq为过热器自烟气的吸热量；D_gq过热蒸汽流量；Δi为因减温而减少的焓。

从该式可以看出：当蒸汽压力和饱和蒸汽温度不变时，如果每kg蒸汽从过热器中吸收的热量（即焓增）不变，减温焓也不变，则过热器出口蒸汽温度也不变。

改写上式为

（i″_gq－i_bq＋Δi）D_gq＝BQ_gq

左端＝将蒸汽过热到预定温度所需的热量

右端＝同时间内由烟气传给蒸汽的热量

因此，汽温是否发生变化，决定于流经过热器的蒸汽量（包括减温水量）的多少和同一时间烟气传给它的热量的多少。

如果在任一时间内能保持上述平衡，则汽温将保持不变，当平衡遭到破坏时，就会引起汽温发生变化，不平衡的程度越大，汽温的变化幅度也越大。

对于直流锅炉来说，其过热蒸汽出口焓可表达如下^［9］：

式中：i_gs为锅炉给水焓，kJ/kg；B为燃料消耗量，t/h；G为锅炉给水量，t/h；y为一次汽系统的吸热份额，%；Q_ar，net为燃料低位发热量，kJ/kg；η₁为锅炉热效率，%。

在一定负荷范围内，锅炉效率η₁和一次汽系统的吸热份额y将基本保持不变，如果燃料发热量Q_ar，net、给水焓i_gs（取决于给水温度）不变，直流锅炉出口焓（温度）只取决于燃料量和给水量的比例，只要维持一定的燃水比，就可维持一定的汽温。因此在直流锅炉中，过热汽温的调节主要是通过给水量与燃料量的调整来实现的。考虑到实际运行中锅炉负荷的变化，给水温度、燃料品质、炉膛过量空气系数以及受热面结渣等因素的变化，对过热汽温变化均有影响，在实际运行中要保证比值B/G的精确值是不容易的。特别是燃煤锅炉，控制燃料量是较为粗糙的，这就迫使除了采用B/G作为粗调的调节手段外，还必须采用蒸汽通道上设置喷水减温器作为细调（校正）的调节手段。

在直流锅炉运行中，为了维持锅炉过热蒸汽温度的稳定，通常在过热区段中取一温度测点，将它固定在相应的数值上，这就是通常所谓的中间点温度。实际上把中间点至过热器出口之间的过热区段固定，这相当于锅筒型锅炉固定过热器区段。在过热汽温调节中，中间点温度实际是与锅炉负荷有关，中间点温度与锅炉负荷存在一定的函数关系，那么锅炉的燃水比（B/G）按中间点温度来调整，中间点至过热器出口区段的过热汽温变化主要依靠喷水来调节。

从以上讨论可以看出，影响汽温变化的因素分别来自烟气侧和蒸汽侧。

（1）蒸汽侧的主要影响因素

①锅炉负荷。对流式过热器有

当锅炉的负荷D增加时，燃料消耗量B_j增大，燃烧产物增多，受热面中烟气流速增加，使烟气侧放热系数α₁增大，传热系数K增大，同时由于炉膛出口温度的提高，进入对流过热器的烟温增大，使总的传热温压Δt增加。当负荷D增加与B_j的增加保持一致时，对流过热器的吸热量随负荷增加而提高，出口汽温将会增加。因此，对流式过热器总的汽温变化是随D的增加而增加。

上面讨论的前提条件是，D的增加与Bj的增加保持一致，在实际运行中，D突然增加，B_j不能立即跟上，这时B_j/D减少，汽温反而下降，但这种下降是短暂的，当B_j的变化跟上后，汽温就会升高，就是说，D的增加导致汽温增加总有一个时间滞后现象，但总的趋势仍是D增加，对流过热器的汽温增加。

对于辐射过热器

随着锅炉负荷的增加，辐射式过热器中工质的流量D和锅炉的燃料消耗量Bj按比例增大，但由于每kg燃料的辐射放热量Q_f减小，因而工质的焓增却在降低，即辐射式过热器的出口汽温下降。由此可见，锅炉负荷对辐射式过热器的汽温影响和对对流式过热器的汽温影响是相反的。如果锅炉同时布置这两种过热器，若设计得当的话，就可能使得过热蒸汽的温度变化与锅炉负荷无关，或者得到较为平稳的过热汽温随负荷变化的特性，见图7.21。这就是许多大型锅炉同时布置辐射（半辐射）式过热器和对流过热器的原因之一。

图7.21　过热器焓增与锅炉负荷的关系

1—对流过热器；2—辐射过热器；3—总焓增

图7.22　高压锅炉的过热汽温与锅炉负荷的关系

图7.22为10MPa锅炉在不同的辐射吸热量比例下过热汽温的变化特性。可以看出，当辐射吸热量比例为57%时的温度变化最平稳，几乎不随锅炉负荷而变。

原则上，再热汽温的变化特性也同过热汽温变化类似，但其进口汽温随汽轮机负荷降低而降低，因此需要吸收更多的热量。此外，由于再热器布置在较低烟温区，且再热蒸汽的比热容又较小，故再热汽温的波动较大。采用滑压运行可以减少再热蒸汽温度随负荷而变化的数值。

②给水温度的影响。给水温度降低，锅炉工质的总吸热量将增加，因而需要增加燃料消耗量，这样会使对流过热器前的烟气温度和烟气流速增加，从而使对流过热器的吸热量增加，汽温升高。而对辐射式过热器的汽温影响不大。所以，给水温度的降低一般总是导致过热汽温的升高。在一般情况下，锅炉给水的温度变化不大，但在某些情况下，如高压加热器解列，突然停止工作将使给水温度显著降低，这时对过热汽温会有较大的影响。根据运行经验，给水温度每降低10℃，将使过热汽温增加约4～5℃。国内有些电厂，由于高压加热器未投入运行，使给水温度低于设计值约60℃，这将引起过热气温升高约30℃。

③饱和蒸汽湿度的变化。若某种原因使饱和蒸汽的带水量即饱和蒸汽的湿度大大增加，由于增加的水分在过热器中汽化要多吸收热量，在燃烧工况不变的情况下，用于使干饱蒸汽过热的热量相应减少，因而将引起过热蒸汽温度下降。

④减温水的变化。若系统采用减温器，当减温水的温度和流量发生变化时，就会引起汽温相应变化。

（2）烟气侧的主要影响因素

①燃料性质的变化。燃料性质的变化，主要是煤中水分和灰分的变化，也要影响到过热汽温。如果水分和灰分增加时，燃料发热量降低而必须增加燃料消耗量，从而使对流过热器受热面的烟气流速增加，加强了对流传热，对流过热器的蒸汽吸热量增加，出口汽温将有所增高；对于辐射过热器，由于炉膛温度降低而使辐射吸热量减少，其出口汽温将要降低。一般情况下，水分增加1%时，过热汽温约增加1℃；而灰分对汽温的影响则比较复杂。如果灰分增多，炉膛受热面结渣或积灰污染严重，会使炉内辐射传热量减少，过热区进口烟温提高，使对流热器的汽温上升，但过热器本身也会因灰分增多而导致受热面的污染，使过热器传热能力下降，工质温度将会降低。如果燃料种类改变，过热汽温的变化将会更大。例如，由煤粉炉改烧重油时，因为重油火焰的发光性和炉膛热有效系数均比煤粉炉的火焰大，使炉膛吸热量增加，因而辐射式过热器的吸热量增加，而对流过热器的吸热量则会下降。

总之，燃料性质的变化对汽温的影响是较为复杂的。

②过量空气系数。炉膛过量空气系数的变化对过热汽温也有显著的影响。如过量空气系数增加，则由于炉膛温度水平降低而使辐射传热量减少，故辐射过热器的出口气温将要降低。在对流过热器中，过量空气系数增加后，烟气量增大，受热面中的烟气流速增加而使对流吸热量增大，因而对流过热器的出口汽温将会升高，而且沿烟气流程愈往下游，由此而增加的比例愈大。对于屏式过热器，过量空气系数的变化对汽温的影响较小。一般的锅炉过热器系统是以对流换热为主，所以随着过量空气系数增加，将使过热汽温升高。根据运行经验，过量空气系数增加10%，汽温可增加10～20℃，而低温过热器中汽温增加的量要比高温段中增加的量要大得多。但是，需要指出的是，改变炉膛过量空气系数虽然能使过热汽温变化，可是不能用来作为调节过热汽温的手段。因为增加过量空气将使排烟热损失增大，而过量空气系数过低，可能使燃烧不完全，增加不完全燃烧损失，因而都是不合理的。

此外，还有许多影响因素，如制粉系统、燃烧器的型式和布置、煤粉细度、配风方式、乏气位置，等等。运行中，炉膛结渣，火焰中心移动，炉膛上部或过热器区域发生局部再燃烧，等等。

2.汽温调节的必要性

运行中锅炉的过热汽温和再热汽温的变化是不可避免的，因此，为保证锅炉本身以及有关设备的安全性和经济性，必须进行调节以获得稳定的蒸汽温度。

汽温过高会加快金属材料的蠕变，还会使过热器蒸汽管道等产生额外的热应力，缩短设备的使用寿命，当发生严重超温时，甚至会造成过热器爆管，在化学工业生产工艺流程中，超温可能使化学反应失效，在食品轻工生产工艺流程中，超温要能使产品变质甚至报废。汽温过低会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧，严重时将会发生水击，威胁汽轮机的安全，还会使得整个电厂的热效率下降，在化学工业生产工艺流程中，蒸汽温度偏低可能使化学反应不完全或根本不能进行。在食品、轻工生产工艺流程中，蒸汽温度偏低会形成不合格的产品。

为此各国都对蒸汽温度的允许偏差都明确的规定，同时还规定了允许汽温变化速度、持续时间，等等。