超临界锅炉炉外壁温测点的测量误差

引言
       目前我国有不少超临界和超超临界锅炉投人运行。这些锅炉的蒸汽温度比亚临界锅炉高出 30－60℃ 。有些超临界锅炉投运一两年就发生过热器管内氧化垢堵塞而超温爆管的事故。同时发现过热器再热器炉外壁温测点所测得的温度比实际温度偏低10－20℃ 。超临界和超超临界锅炉的运行安全性在很大程度上决定于过热器再热器吸热大的偏差管壁温是否超温，这会造成对炉内壁温是否超温的误判。下面对炉外测点测量准确性问题做理论上的探讨，并介绍几家电厂的实测数据。希望能引起有关电厂和锅炉制造厂的重视。
一、炉外壁温测量准确度的重要性
       长期以来有一种误解，认为现代大容量锅炉炉顶都有大罩壳；有些高温部件出口集箱及连接管还处在大罩壳内的保温小室中；炉外壁温测点在大罩壳或保温的小室内，不用再单独加保温，这是一种误解。因为大罩壳或小室处于热平衡状态，美国CE公司对亚临界锅炉大罩壳内部的温度定为454℃；B&W公司则规定为488 ℃。小室内的温度要更高一些。而炉外壁温测点测量的是过热器再热器偏差屏中偏差管的出口蒸汽温度。该温度一般比管组的出口平均温度要高出20~40℃（超临界锅炉的这种温度为590~610℃ ；超超临界压力锅炉则为625~640℃）。这些温度要比大罩壳内或小室内的温度高出50~200℃。有温差就有热流（热流从管内蒸汽通过管壁，到热电偶热接点，再到管外空气），就有热电偶热接点温度与管内汽温之差。锅炉出口汽温愈高，这种温差也愈大。因此测点不用单独加保温的概念是不对的。
       此外，一些耐高温的钢材在高温下其持久强度对温度非常敏感。例如，TP347H 材料在所受应力为69.5MPa，炉内管壁温度为635℃时，其计算使用寿命为5.4万h，只有设计寿命l0万h的一半左右（在该应力下10万h寿命的对应温度为 625℃），属于超温情况。如果炉外壁温测点的测量温度偏低10℃ ，贝日计算的寿命刚好为 l0 万h ，属于不超温。可见测点的测量准确性对于锅炉的运行安全（是否超温的判断）和经济性（高温管段寿命）至关重要。
二、用炉外壁温测量管内蒸汽温度的理论基础
    炉外壁温测点所测量的温度是管内的蒸汽温度。要测量准确，首先应使测点处管子外壁温度尽量接近管内汽温；其次要使热电偶热接点的温度尽量接近管子外壁温度。这要求尽量减小测点处沿管子径向和沿热电偶本身的散热热流。下面对这 2 个散热热流作理论分析。
2.1 管子外壁与管内蒸汽之间的温差
    因为测点处的管外环境温度比管内蒸汽温度低，所以有热流q通过管壁，使管子外壁温度twb低于管内蒸汽温度 tzq (见图1)。偏低的数值可按下式计算：
                
式中：q为管子外壁处热流，kJ/(m2·h);dw、dn为管子外径和内径，m;dwb、dnb 为保温层外径和内径， m ；α1为保温层外壁对环境（大罩壳或小室）的放热系数，kJ/(m2·h·℃）；α2为蒸汽对管子内壁的放热系数，kJ/(m2·h·℃）；λ、λb为管子钢材和保温层的导热系数， kJ/(m2·h·℃）；tzq、thj为管内蒸汽温度和环境（大罩壳或小室）温度，℃。
                    
2.2 热电偶热接点与管子外壁之间的温差
    从热接点处的热平衡来看，从管子外壁流向热接点的热流为卯热接点向环境的散热热流为q1；沿热电偶长度方向的散热热流为q2。
    当达到热平衡时，有如下关系式：
    q=q1＋q2＝αd(twb－trd)     ( kJ/(m2·h))       (3)
    twb-trd＝q/αd=（q1＋q2)／αd    （℃）       ( 4 ) 
式中：αd为热电偶与管壁间的当量放热系数，kJ/(m2·h·℃）;trd为热电偶热接点的温度℃。
    从式（3）、（4）可看出，为使测量准确，即（twb -trd)值小，应尽量减小 q1和q2，并增大αd。这就要求：(l) 为减小q1，应在测点处管外加保温层；(2)为减小q2, 应将从热接点引出的一段热电偶（约150mm）紧贴在管壁上，以减小沿热电偶本身的散热，该段管子也应保温；(3)应在结构上设法尽可能增大。αd值。
    笔者按超超临界锅炉末级过热器和末级再热器的常用参数，计算了在BMCR（锅炉最大连续出力）和50%BMCR 2种工况时有保温及无保温2种情况下的管子外壁与蒸汽温度之间的温差山。计算结果列于表 1 中。计算中采用大罩壳中小室内的环境温度为540℃；保温层的导热系数取用λb=0.42 kJ/(m·h·℃）。从表中数据可看出，保温对减小测量误差的影响很大。因为难于计算热电偶与管子外壁之间的当量放热系数αd，所以表中没有列人热电偶热接点与蒸汽之间的温差△ tr。但是 △ tr肯定要大于△t。因此对于超临界和超超临界锅炉，保温层的厚度应不小于100mm。
       
    从上述计算式和计算表可看出：(1)再热器的蒸汽侧放热系数比过热器小，故测量温度的偏低值较大；(2)锅炉低负荷时蒸汽侧的放热系数降低，测量温度的偏低值增大很多；(3)偏差管的出口温度愈高则测量温度的偏低值也愈大。[page]
三、热电偶测点的结构和施工要求
    (1)有些施工单位采用集热块，将热电偶固定在集热块中，集热块只用点焊固定在管壁上。集热块的作用是形成一个内部等温腔室，只有集热块的三面与管壁满焊（除了引出热电偶的一面以外）才能最大地加大与管壁的接触面积,使集热块腔室内的温度最大限度地接近管子外壁温度，从而提高测量准确性。 
    (2)有些集热块结构用螺钉将热电偶热接点压紧在管壁上，以为这样可以提高测量准确性。实际上这样做反而使热接点增加了一个散热的通道（因为螺钉的头部面积大，而且伸出集热块）。螺钉愈粗、愈长，则测量的偏低误差也愈大。
四、试验结果
   在谏壁电厂，2004年对一台300MW亚临界锅炉的末级过热器、末级再热器和后屏过热器3个管组炉外壁温测点（测点处没有保温）的测量偏低值进行了计算和统计，分别为 l0℃、12℃和9℃。2005年初对测点加保温后，偏低值分别减小到1℃ 、3℃和0.5℃。
    在泰州电厂1000MW超超临界锅炉上还作了深入的统计工作。图2、3是泰州电厂1、2号锅炉末级过热器沿宽度各屏第8管和屏式过热器第6管的实测出口温度分布（为了进行比较，图中的测量值均已推算到相同的设计值）。可以看出，2号炉的末级过热器和屏式过热器的平均值（测点保温）明显比1号炉（测点未保温）高出6℃和12℃左右。
            
       常州电厂600MW 超临界锅炉在投运以前就重视过热器再热器炉外测点的保温和结构的优化。在2006年投运后，根据过热器再热器炉内壁温在线监测系统的监测结果，除了再热器管组有3℃左右的偏低以外，末级过热器和屏式过热器都没有偏低。
五、炉外壁温测点参考结构推荐
    可门电厂600MW超临界锅炉在2007年以前，由于炉外测点未保温，测量温度偏低很多。在2008年初锅炉大修时，电厂将所有炉外测点全部重新装设，并加以完善保温。大修后根据在线监测系统的监测结果，末级过热器、高温再热器和屏式过热器3个管组的炉外壁温测量温度基本没有偏低。
            
    图4是笔者推荐供参考的炉外壁温测点结构。其要点是：(1)保温、(2)集热块与管壁3面满焊、(3) 热电偶引线前段贴紧管子、(4)压紧螺钉不直接接触热接点。
           
    需说明的是，合理的测点结构只能使测量误差尽可能减小，并不能使测量误差减小到0，由于实际上不可能使测点处的散热热流减小到0。从表1可看出，超临界和超超临界锅炉的末级过热器和末级再热器由于偏差管出口温度高，其炉外壁温测点的保温层厚度必须加大到100mm以上才能使测量误差（热电偶热接点与蒸汽的温差）小于2-4℃。偏低值减小到这种程度后，再采用先进的过热器再热器炉内壁温在线监测系统，则这种测量偏低值可以由系统的软件进行修正。
六、结语
    (l) 理论分析和实炉试验以及统计都表明，如果超临界和超超临界锅炉的过热器、再热器测点不单独保温，结构和装设方法不合理，会有l0℃以上的测量值偏低误差。这种误差会影响到高温管屏的安全运行和使用寿命。 
    (2) 合理的炉外壁温测点结构可以将测量误差减小到2-4℃。 
    (3) 采用过热器再热器高温管屏炉内壁温在线监测系统对于锅炉安全和经济运行是很有必要的。该系统能修正炉外壁温测点的测量偏低差，还具有显示所有管子炉内各点壁温及减小管屏的温度偏差等多项功能，是常规壁温测量所无法达到的。