爐膛出口煙溫計算方法的研究

徐 芳，李 寶

(1．東北電力大學(xué)，吉林吉林132012;2．吉林石化公司電石廠，吉林吉林132022)

爐膛出口煙氣溫度作為電站鍋爐設(shè)計計算和校核計算中一個重要參數(shù)，它的計算精確與否對整個熱力計算過程起著重要作用。中國300 MW和600 MW的鍋爐普遍存在著過熱器管壁超溫、爆管、結(jié)焦等嚴(yán)重問題，爐膛出口煙溫計算不準(zhǔn)確與爐膛出口煙溫實(shí)測值同設(shè)計值存在較大偏差有關(guān)。當(dāng)爐膛出口煙溫比設(shè)計值高很多時，就會造成各級過熱器吸熱量明顯增多，出現(xiàn)過熱器管壁溫度超出設(shè)計值，減溫水量顯著增加，嚴(yán)重時還會造成過熱器管壁爆裂的事故和結(jié)焦現(xiàn)象［1－2］。目前爐膛出口煙溫計算方法均是利用簡化的理論模型，并且依據(jù)大量試驗和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充修正，但是存在一定的局限性［3］。因此，本文對幾種爐膛出口煙溫計算方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析比較，為鍋爐設(shè)計和運(yùn)行的準(zhǔn)確計算提供可靠依據(jù)。

1 爐膛出口煙溫計算的標(biāo)準(zhǔn)方法

爐膛出口煙氣溫度為

式中:θl″為爐膛出口煙氣溫度;Ta為理論燃燒溫度;a1為爐膛黑度;ψ為爐膛平均熱有效系數(shù);F1為爐墻總面積;Bj為計算燃料消耗量;為煙氣平均熱容量;φ為保溫系數(shù)。M為爐膛火焰中心位置系數(shù)。

爐膛火焰中心位置系數(shù)為

式中:A、B由燃料和燃燒方式?jīng)Q定的參數(shù);Xr為燃燒器的相對高度;Δx為考慮爐內(nèi)火焰最高溫度位置偏離燃燒器布置水平面的修正值。

該爐膛出口煙氣溫度方法為1973年前蘇聯(lián)熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法(下面簡稱標(biāo)準(zhǔn)方法)，這一方法應(yīng)用于較小容量鍋爐時，其計算的準(zhǔn)確性較好，但應(yīng)用于高參數(shù)、大容量鍋爐時，爐膛出口煙溫的計算值與實(shí)測值偏差較大［4］。前蘇聯(lián)學(xué)者通過大量實(shí)測證實(shí)，對容量600 t/h以上的鍋爐，實(shí)測的爐膛出口煙溫比按1973年標(biāo)準(zhǔn)方法計算的數(shù)值可高出100～130℃，對鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成嚴(yán)重的影響。其原因歸于以下幾方面:

1)對爐內(nèi)溫度場不均勻性的處理欠合理，只考慮了沿爐膛高度方向的溫度不均勻性，而沒有計及爐膛截面上的溫度不均勻性的影響。

2)火焰和爐壁對輻射都具有選擇性，采用“雙灰體”模型產(chǎn)生誤差較大。

3)沒有考慮爐膛幾何形狀對爐膛出口煙溫的影響。

4)該方法中的關(guān)系式均以前蘇聯(lián)200 MW容量以下的鍋爐爐內(nèi)傳熱實(shí)驗數(shù)據(jù)總結(jié)出來的，與大容量鍋爐不相符合。另外，實(shí)驗過程采用前蘇聯(lián)的煤種，與中國的煤種存在一定差異。

對上述諸多因素同時進(jìn)行修正，問題過于復(fù)雜，也很難進(jìn)行，所以各種改進(jìn)計算方法基本上主要考慮部分對其進(jìn)行修正。

2 爐膛出口煙溫標(biāo)準(zhǔn)方法的修正方法

2.1 杜波夫斯基方法(簡稱杜氏方法)

爐膛出口煙氣溫度為

式中:T0為爐膛火焰假想溫度，根據(jù)經(jīng)驗T0=1 470 K;Bo為波爾茲曼常數(shù)

2.2 大型電站鍋爐爐膛出口煙溫計算方法(簡稱

廣泛應(yīng)用法)

爐膛出口煙氣溫度為

式中qH為水冷壁壁面熱強(qiáng)度

2.3 杜氏改進(jìn)公式

爐膛出口煙氣溫度為

3 3種修正方法的分析與比較

3.1 3種方法的共同優(yōu)點(diǎn)

1)考慮了爐膛橫斷面上溫度場的非等溫性對爐內(nèi)換熱的影響。

2)實(shí)驗過程采用大容量鍋爐機(jī)組，對大容量鍋爐具有適應(yīng)性。

3.2 3種方法共同存在的問題

1)從推導(dǎo)過程來看，3種方法均借助了1973年標(biāo)準(zhǔn)方法，不可避免的存在標(biāo)準(zhǔn)方法的相同問題。

2)從實(shí)驗方法來看，在不同燃料條件下，通過大量試驗測得的qf/qfj與Thy之間的關(guān)系曲線獲得關(guān)系式時，依然利用前蘇聯(lián)的煤種，中國的煤種與前蘇聯(lián)存在著較大差異，缺乏中國動力煤工業(yè)實(shí)驗基礎(chǔ)。

3.3 3種方法的比較

1)杜氏方法在推導(dǎo)過程將θ″lj等同于θ″l，并且作了一些會造成誤差的統(tǒng)計簡化，出現(xiàn)了個別明顯失誤，因而計算結(jié)果偏低。

2)廣泛應(yīng)用法在杜氏公式基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來，與杜氏方法存在相同問題。不同之處在于廣泛法引入一個新的玻爾茲曼準(zhǔn)則數(shù)Bo*，并且根據(jù)大量計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出新的玻爾茲曼準(zhǔn)則數(shù)與玻爾茲曼準(zhǔn)則數(shù)存在下列關(guān)系式:Bo≈1.227Bo*。由于在杜氏方法的基礎(chǔ)上增加了統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以在準(zhǔn)確性方面有所降低。廣泛法引入水冷壁壁面熱強(qiáng)度qH這一概念，便于比較各種鍋爐的設(shè)計參數(shù)，與運(yùn)用美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)計算方法相比較，具有很強(qiáng)的實(shí)用性［4］。

3)杜氏改進(jìn)公式避免了杜氏公式中出現(xiàn)的誤差的簡化統(tǒng)計及個別明顯的失誤，準(zhǔn)確性有所提升，能很好的體現(xiàn)煤種變化對爐膛出口煙溫變化的影響［5］。

4 結(jié)論

1)爐膛出口煙溫計算方法在試驗過程中采用了大容量機(jī)組并考慮了爐膛橫斷面上溫度場的非等溫性對爐內(nèi)換熱的影響。

2)爐膛出口煙溫的修正方法均借助了1973年前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)方法，不可避免的存在標(biāo)準(zhǔn)方法的相同問題。

3)要根本解決爐膛出口煙溫計算不準(zhǔn)的問題，就要用中國鍋爐機(jī)組、煤種，采用大量的試驗，結(jié)合適當(dāng)?shù)暮喕Ｐ图敖?jīng)驗公式，才能得到適合中國實(shí)際情況的爐膛出口煙溫計算公式。

［1］ 楊曉芳．關(guān)于某電廠過熱器保護(hù)的探討［J］．鍋爐制造，2009(3)．

［2］ 祝華東，紀(jì)濤．爐膛受熱面結(jié)焦故障的處理［J］．石油化工自動化，2002(2)．

［3］ 周克毅，趙震，曹漢鼎．爐膛出口煙溫計算方法的分析與比較［J］．動力工程，1999(5)．

［4］ 樊泉桂，巍鐵錚．大功率鍋爐爐膛換熱計算校準(zhǔn)方法的研究與應(yīng)用［J］．華北電力學(xué)院學(xué)報，1990(4)．

［5］ 唐必光．大容量鍋爐爐膛換熱計算的一個新方法［J］．動力工程，1992(6)．