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引言
       目前我國(guó)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(guò)熱器管內(nèi)氧化垢堵塞而超溫爆管的事故。同時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱器再熱器爐外壁溫測(cè)點(diǎn)所測(cè)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(guò)熱器再熱器吸熱大的偏差管壁溫是否超溫，這會(huì)造成對(duì)爐內(nèi)壁溫是否超溫的誤判。下面對(duì)爐外測(cè)點(diǎn)測(cè)量準(zhǔn)確性問(wèn)題做理論上的探討，并介紹幾家電廠的實(shí)測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度的重要性
       長(zhǎng)期以來(lái)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(cè)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(guó)CE公司對(duì)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(cè)點(diǎn)測(cè)量的是過(guò)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(guò)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(cè)點(diǎn)不用單獨(dú)加保溫的概念是不對(duì)的。
       此外，一些耐高溫的鋼材在高溫下其持久強(qiáng)度對(duì)溫度非常敏感。例如，TP347H 材料在所受應(yīng)力為69.5MPa，爐內(nèi)管壁溫度為635℃時(shí)，其計(jì)算使用壽命為5.4萬(wàn)h，只有設(shè)計(jì)壽命l0萬(wàn)h的一半左右（在該應(yīng)力下10萬(wàn)h壽命的對(duì)應(yīng)溫度為 625℃），屬于超溫情況。如果爐外壁溫測(cè)點(diǎn)的測(cè)量溫度偏低10℃ ，貝日計(jì)算的壽命剛好為 l0 萬(wàn)h ，屬于不超溫。可見測(cè)點(diǎn)的測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)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(cè)量管內(nèi)蒸汽溫度的理論基礎(chǔ)
    爐外壁溫測(cè)點(diǎn)所測(cè)量的溫度是管內(nèi)的蒸汽溫度。要測(cè)量準(zhǔn)確，首先應(yīng)使測(cè)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(cè)點(diǎn)處沿管子徑向和沿?zé)犭娕急旧淼纳釤崃鳌Ｏ旅鎸?duì)這 2 個(gè)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(cè)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(guò)管壁，使管子外壁溫度t_wb低于管內(nèi)蒸汽溫度 t_zq (見圖1)。偏低的數(shù)值可按下式計(jì)算：
               
式中：q為管子外壁處熱流，kJ/(m²·h);d_w、d_n為管子外徑和內(nèi)徑，m;d_wb、d_nb 為保溫層外徑和內(nèi)徑， m ；α₁為保溫層外壁對(duì)環(huán)境（大罩殼或小室）的放熱系數(shù)，kJ/(m²·h·℃）；α₂為蒸汽對(duì)管子內(nèi)壁的放熱系數(shù)，kJ/(m²·h·℃）；λ、λ_b為管子鋼材和保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)， kJ/(m²·h·℃）；t_zq、t_hj為管內(nèi)蒸汽溫度和環(huán)境（大罩殼或小室）溫度，℃。
                   
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(lái)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(zhǎng)度方向的散熱熱流為q₂。
    當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，有如下關(guān)系式：
    q=q₁＋q₂＝α_d(t_wb－t_rd)     ( kJ/(m²·h))       (3)
    t_wb-t_rd＝q/α_d=（q₁＋q₂)／α_d    （℃）       ( 4 )
式中：α_d為熱電偶與管壁間的當(dāng)量放熱系數(shù)，kJ/(m²·h·℃）;t_rd為熱電偶熱接點(diǎn)的溫度℃。
    從式（3）、（4）可看出，為使測(cè)量準(zhǔn)確，即（t_wb -t_rd)值小，應(yīng)盡量減小 q₁和q₂，并增大α_d。這就要求：(l) 為減小q₁，應(yīng)在測(cè)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。α_d值。
    筆者按超超臨界鍋爐末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器的常用參數(shù)，計(jì)算了在BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）和50%BMCR 2種工況時(shí)有保溫及無(wú)保溫2種情況下的管子外壁與蒸汽溫度之間的溫差山。計(jì)算結(jié)果列于表 1 中。計(jì)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λ_b=0.42 kJ/(m·h·℃）。從表中數(shù)據(jù)可看出，保溫對(duì)減小測(cè)量誤差的影響很大。因?yàn)殡y于計(jì)算熱電偶與管子外壁之間的當(dāng)量放熱系數(shù)α_d，所以表中沒(méi)有列人熱電偶熱接點(diǎn)與蒸汽之間的溫差△ t_r。但是 △ t_r肯定要大于△t。因此對(duì)于超臨界和超超臨界鍋爐，保溫層的厚度應(yīng)不小于100mm。
      
    從上述計(jì)算式和計(jì)算表可看出：(1)再熱器的蒸汽側(cè)放熱系數(shù)比過(guò)熱器小，故測(cè)量溫度的偏低值較大；(2)鍋爐低負(fù)荷時(shí)蒸汽側(cè)的放熱系數(shù)降低，測(cè)量溫度的偏低值增大很多；(3)偏差管的出口溫度愈高則測(cè)量溫度的偏低值也愈大。
三、熱電偶測(cè)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(gè)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(cè)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(cè)量準(zhǔn)確性。實(shí)際上這樣做反而使熱接點(diǎn)增加了一個(gè)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(zhǎng)，則測(cè)量的偏低誤差也愈大。
四、試驗(yàn)結(jié)果
   在諫壁電廠，2004年對(duì)一臺(tái)300MW亞臨界鍋爐的末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器和后屏過(guò)熱器3個(gè)管組爐外壁溫測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)處沒(méi)有保溫）的測(cè)量偏低值進(jìn)行了計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，分別為 l0℃、12℃和9℃。2005年初對(duì)測(cè)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(jì)工作。圖2、3是泰州電廠1、2號(hào)鍋爐末級(jí)過(guò)熱器沿寬度各屏第8管和屏式過(guò)熱器第6管的實(shí)測(cè)出口溫度分布（為了進(jìn)行比較，圖中的測(cè)量值均已推算到相同的設(shè)計(jì)值）。可以看出，2號(hào)爐的末級(jí)過(guò)熱器和屏式過(guò)熱器的平均值（測(cè)點(diǎn)保溫）明顯比1號(hào)爐（測(cè)點(diǎn)未保溫）高出6℃和12℃左右。
           
       常州電廠600MW 超臨界鍋爐在投運(yùn)以前就重視過(guò)熱器再熱器爐外測(cè)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(guò)熱器再熱器爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，除了再熱器管組有3℃左右的偏低以外，末級(jí)過(guò)熱器和屏式過(guò)熱器都沒(méi)有偏低。
五、爐外壁溫測(cè)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(cè)點(diǎn)未保溫，測(cè)量溫度偏低很多。在2008年初鍋爐大修時(shí)，電廠將所有爐外測(cè)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(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，末級(jí)過(guò)熱器、高溫再熱器和屏式過(guò)熱器3個(gè)管組的爐外壁溫測(cè)量溫度基本沒(méi)有偏低。
           
    圖4是筆者推薦供參考的爐外壁溫測(cè)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)。
          
    需說(shuō)明的是，合理的測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)只能使測(cè)量誤差盡可能減小，并不能使測(cè)量誤差減小到0，由于實(shí)際上不可能使測(cè)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(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器由于偏差管出口溫度高，其爐外壁溫測(cè)點(diǎn)的保溫層厚度必須加大到100mm以上才能使測(cè)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(guò)熱器再熱器爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則這種測(cè)量偏低值可以由系統(tǒng)的軟件進(jìn)行修正。
六、結(jié)語(yǔ)
    (l) 理論分析和實(shí)爐試驗(yàn)以及統(tǒng)計(jì)都表明，如果超臨界和超超臨界鍋爐的過(guò)熱器、再熱器測(cè)點(diǎn)不單獨(dú)保溫，結(jié)構(gòu)和裝設(shè)方法不合理，會(huì)有l(wèi)0℃以上的測(cè)量值偏低誤差。這種誤差會(huì)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(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以將測(cè)量誤差減小到2-4℃。
    (3) 采用過(guò)熱器再熱器高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)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(cè)點(diǎn)的測(cè)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(cè)量所無(wú)法達(dá)到的。