加热器端差对经济性影响的分析.docx

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加热器端差对经济性影响的分析

加热器端差对经济性影响的分析

在关于汽轮机组的经济性问题上人们往往把目光放在汽轮机的初终参数上，认为它们的变化对机组的经济性影响较大，这无疑是正确的。

但分析整台机组的经济性仅限于此也是不全面的，还应关注汽轮机的回热系统，因为汽轮机的回热系统也有相当的节能潜力，现代热力发电厂的汽轮机组都无例外的采用了给水回热加热，回热系统既是汽轮机热力系统的基础，也是全厂热力系统的核心，它对机组和电厂的热经济性起着决定性的作用。

一、给水回热加热系统及其优点

给水回热加热指在蒸汽热力循环中从汽轮机数个中间级抽出一部分蒸汽，送到给水加热器中用于锅炉给水的加热，提高工质在锅炉内吸热过程的平均温度，以提高机组的热经济性。

给水回热加热系统是原则性热力系统最基本的组成部分，采用蒸汽加热锅炉给水的目的在于减少冷源损失，一定量的蒸汽作了部分功后不再至凝汽器中向空气放热，即避免了蒸汽的热量被空气带走，使蒸汽热量得到充分利用，热耗率下降，同时由于利用了在汽轮机作过部分功的蒸汽加热给水，提高了给水温度，减小了锅炉受热面的传热温差，从而减少了给水加热过程中的不可逆损失，在锅炉中的吸热量也相应减少。

综合以上原因说明给水回热加热系统提高了机组循环热效率，因此，汽轮机采用回热加热系统对提高机组运行经济性有决定性的作用，而回热加热系统的运行可靠性和运行性能的优劣，将直接影响整套机组的运行经济性。

采用回热加热循环的优点

（1）提高热效率。

由于抽汽的原因，排至凝汽器的蒸汽量减少，冷源损失减少，所以循环热效率提高。

（2）对于锅炉来说，因给水温度提高，锅炉热负荷降低，因此炉内换热面积减少，节约了钢材用量。

（3）由于中间抽汽，使汽轮机末几级的蒸汽流量减少，减少了汽轮机末几级的流通面积，使末级叶片的长度减少，解决了汽轮机末级叶片设计、制造的难题。

（4）由于进入凝汽器的蒸汽量的减少，凝汽器的热负荷减少，换热面积也减少，减少了钢材用量，节省了投资。

二、给水回热加热器

给水回热加热器的分类和结构

加热器的分类

回热加热器是指从汽轮机的某些中间级抽出部分蒸汽来加热凝结水或锅炉给水，以提高热经济性的换热设备。

按传热方式的不同，回热加热器可分为混合式和表面式两种。

混合式加热器是通过蒸汽和被加热的水直接接触、混合进行传热的，因此混合式加热器可以将水加热到该加热器蒸汽压力下的饱和水温度；表面式加热器是通过金属受热面将蒸汽的凝结放热量传给管束内的被加热水，因此存在热阻，一般不能将水加热到该加热器蒸汽压力下的饱和温度。

给水加热器按传热面配置方式，又可以分为一段式、两段式和三段式加热器。

而根据水侧的布置和流动方向的不同，表面式加热器又可分为立式和卧式两种，其中立式加热器又可分为顺置式与倒置式。

卧式加热器内给水沿水平方向流动，立式加热器内给水沿垂直方向流动；立式加热器便于检修，占地面积小，可使厂房布置紧凑。

卧式加热器传热效果好，结构上便于布置蒸汽冷却段和疏水冷却段，因而在现代大容量机组上得到了广泛应用。

在整个回热系统中，按给水压力分，一般将除氧器之后经给水泵升压后的回热加热器称为高压加热器，这些加热器要承受很高的给水压力；而将除氧器之前仅受凝结水泵较低压力的回热加热器称为低压加热器；此外还有回收主汽门、调速汽门门杆溢汽及轴封漏汽来加热凝结水的加热器，称为轴封加热器。

为了提高回热效率，更有效地利用抽汽的过热度，加强对疏水的冷却，高参数大容量机组的高压加热器，甚至部分低压加热器又把传热面分为蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段三部分。

蒸汽冷却段又称为内置式蒸汽冷却器，它利用蒸汽的过热度，在蒸汽状态不变的条件下加热给水，使离开过热段时的出水温度接近于、或等于、甚至超过该抽汽压力下的饱和温度，以减小加热器内的换热端差，提高热效率。

疏水冷却段又称为内置式疏水冷却器，它是利用刚进入加热器的低温水来冷却疏水，既可以减少本级抽汽量，又防止了本级疏水在通往下一级加热器的管道内发生汽化，排挤下一级抽汽，增加冷源损失。

随着加热器容量的发展，还有的机组将蒸汽冷却段或疏水冷却段布置于该级加热器壳体之外，形成单独的热交换器，称为外置式蒸汽冷却器或外置式疏水冷却器。

混合式加热器和表面式加热器的优缺点比较

混合式加热器的优点:

可将水直接加热到蒸汽压力下的饱和温度，无端差，热经济性高，它没有金属受热面，结构简单，造价低，而且便于汇集不同温度的汽水，并能除去水中含有的气体。

但是，混合式加热器也有其缺点：

每台加热器的出口必须配置升压水泵，有的水泵还需要在高温下工作。

增加了设备和投资，还使系统复杂化。

（3）当汽轮机变工况运行时，升压泵的入口还容易发生汽蚀。

（4）如果单独由混合式加热器组成回热系统投入实际运行，其厂用电量将大大增加，经济性反而降低。

因此，火力发电厂一般只将其作为除氧器。

表面式加热器的缺点：

由于金属受热面存在热阻，给水不可能加热到对应压力下的饱和温度，不可避免地存在着端差，因此，与混合式加热器相比，其热经济性低，金属耗量大，造价高，而且还要增加与之相配套的疏水装置。

优点：

由于表面式加热器组成的回热系统比混合式的回热系统简单，且运行可靠，因而得到了广泛的应用。

常用的表面式加热器为管壳式加热器。

回热加热器的运行

加热器是发电厂的重要辅机，加热器的正常投运与否对电厂的安全经济运行及满发影响很大。

机组实际运行的热经济性，主要决定于设计和制造，但和运行也有很大关系。

低压加热器的运行

加热器运行中要注意监视加热器进、出口水温，加热器汽侧压力、温度，被加热水的流量，疏水水位，加热器的端差等。

加热器运行中应保持正常水位。

水位过高会淹没受热面，影响换热，同时这些凝结的饱和水，在机组负荷突降时，由于抽汽压力的下降会使一部分饱和水汽化，变为湿饱和蒸汽，于是夹带着小水珠的湿饱和蒸汽就有可能倒流入汽轮机内，使叶片受到冲蚀，严重时还会导致机组水冲击。

水位过低或无水位运行，蒸汽将通过疏水管流入下一级，排挤下一级的抽汽，造成整个机组回热经济性下降，同时高速汽流冲刷疏水管还会加速管道的损坏。

发生这种现象后，在相邻的两个加热器中，汽侧压力低的加热气出口水温比正常时高，这时应检查疏水调整门是否正常，以便及时处理。

为防止蒸汽从空气管进入下一级加热器，在空气管上均装有适当的节流垫。

加热器受热面结垢后，将直接影响传热效果。

结垢的原因往往是凝汽器铜管泄漏，循环水进入凝结水侧，使凝结水硬度增加，而排污或化学处理又不彻底，使蒸汽品质和凝结水品质下降，造成加热器结垢。

因此，运行中必须监视凝结水的硬度。

加热器内积存空气，同样会影响传热效果，因为这些空气会在管束表面形成气膜，使热阻增大，严重的阻碍了加热器的热传导，降低了加热器的换热效率。

特别是工作压力低于1个绝对大气压的加热器，由于管道、阀门等不严密处，可能漏入空气，应通过真空系统水压试验找出泄漏处，并予以消除。

另外加热器长期停运也容易积聚大量的空气。

加热器运行中还要注意监视其端差，差值越小说明加热器的工作情况就越好。

运行中发现加热器端差增大时，可以从以下几个方面分析：

（1）加热器受热面结垢，使传热恶化。

（2）加热器内积聚空气，增大了传热热阻。

（3）水位过高，淹没了部分管束，减少了换热面积。

（4）抽汽门或止回阀未全开或卡涩，造成抽汽量不够，抽汽压力低。

（5）旁路门漏水或水室隔板不严使水短路。

低压加热器的停运

低压加热器的停运有正常运行中的停运和紧急故障停运。

正常停运后，如果停运的低压加热器处于饱和湿蒸汽区，将有可能使抽汽口处气缸积聚疏水，造成后级动叶的水冲蚀甚至损坏；如果停运的低压加热器处于高压轴封溢汽的回收点，则加热器停运后，轴封漏汽将进入低压缸，会对低压缸的运行工况造成影响。

另外，加热器的停运还会影响机组的出力，若不减小汽轮机的进汽量，则相应加热器抽汽口以及各级的通汽量将增大，特别是末级隔板和动叶的受力情况将有较大的增加，严重时会造成末级叶片的损坏。

因此，各汽轮机制造厂家对回热系统停运后的汽轮机组的带负荷情况均有明确的限制，机组运行中必须按其要求严格控制负荷，以确保机组的安全运行。

而低压加热器的紧急故障停运是指低压加热器发生满水现象时，端差增大，出口水温降低，情况严重时汽侧压力的摆动或升高造成抽汽管道和加热器本体冲击、振动，需要紧急切除加热器运行。

高压加热器的运行

高压加热器可以随机投运，也可以在一定负荷下热态投运。

因为在随机投运中，负荷低，高压加热器疏水无法送入除氧器回收，疏水水位调整困难，而直排疏水又造成大量的汽水和热量的损失，因此大型机组一般在启动中达到一定负荷时才投入高压加热器。

高压加热器正常运行中，要保持水位正常，严禁无水位和高水位运行，水位自动调节装置应正常。

高压加热器无水位运行时：

（1）蒸汽通过疏水管进入下一级高压加热器，从而减少下一级的抽汽量，影响回热经济性。

（2）由于疏水的两相流动使疏水调节阀、疏水管发生严重的冲蚀，直接影响了高压加热器的安全运行。

（3）高压加热器无水位运行时，蒸汽带着被凝结的水珠流经加热器管束尾部，造成该部位管束的冲刷，尤其是对有疏水冷却器的高压加热器，无水位运行将使管束侵蚀成孔洞，从而发生泄漏现象。

高压加热器水位过高，使管束换热面积减小，给水温度下降，影响回热经济性；容易造成保护动作，而且一旦保护失灵，汽轮机将有进水的可能。

因此，在高压加热器运行中严禁无水位或高水位运行，对高压加热器水位要进行严密监视。

高压加热器汽侧排空门在高压加热器运行当中应一直保持全开，将汽侧空气排至除氧器。

因为空气聚集在换热面上，不仅影响着高压加热器的传热效果，同时还会引起高压加热器的腐蚀。

定期记录高压加热器的出入口温度和抽汽压力。

如发现给水温度降低，应及时查明原因。

比如检查高压加热器水位是否过高，汽侧排空门是否误关，高压加热器旁路门（三通门）是否不严，出入口门是否未全开，高压加热器进汽门、抽汽止回阀是否未全开等。

对给水温度降低这一情况可以根据汽轮机抽汽口压力与加热器汽侧压力之差的变化来分析。

如果发现两者的压力差增加，则说明进汽被节流；如汽侧压力等于或高于抽汽压力，则说明水位过高。

要注意发电机组负荷与高压加热器疏水自动调节阀的开度关系。

当负荷未变，调节阀开度增加时，高压加热器管束可能出现泄漏，这时要立即确证高压加热器是否内漏，如泄漏，应立即停止高压加热器运行。

此外，还要对高压加热器的保护、自动调节装置要进行定期试验，保证其动作可靠；要对高压加热器的水侧、汽侧安全门进行定期校验，同时如有可能应进行定期活动试验；应对高压加热器的水质进行定期化验；要严密监视高压加热器的运行状况，当汽轮机汽耗量过大，给水流量大于设计值，抽汽量增加及单个高压加热器的汽侧停运使后一级加热器入口温度降低，抽汽量增加发生时，即可认为高压加热器超负荷运行。

高压加热器的停运

高压加热器的停运可分为随机停运，带负荷停运和事故停运。

具备随机滑参数停运条件的高压加热器，应随机组的停运而停运加热器。

当需要带负荷停运时，应严格控制温降率，按操作规程对其停运。

和低加相比，高压加热器发生事故较多，若高压加热器不投入运行将会使机组的煤耗增加，而高压加热器的停运，将使给水温度降低，造成超高参数直流炉的水冷壁超温及汽包炉的过热汽温升高。

因此，停用某加热器时，为保证相应抽汽段以后汽轮机的各级不过负荷，应该根据机组的具体情况减少负荷。

除氧器的运行

锅炉给水除氧是由除氧器来实现和完成的。

除氧器是回热系统中的一个混合式加热器，是用汽轮机的抽汽来加热需除氧的锅炉给水的。

其作用有两方面：

一是提高给水品质，除去给水中的溶氧和其他气体，防止设备腐蚀；二是提高给水温度，并汇集排汽、余汽、疏水、回水等，以减少汽水损失。

而在机组投运后，由于各种原因，除氧器的抽汽点参数有时偏离设计值，甚至比设计值低得多。

除氧器的低压运行，对除氧器本身来说，可能影响不大，但却对高加的运行造成了很大的损害。

除氧器的出口水温和除氧器抽汽口压力有关，在正常情况下，除氧器的出口水温基本上就是抽汽口压力对应的饱和温度。

如果抽汽口压力过低，除氧器偏离设计值低压运行，其直接的后果就是除氧器的出口水温过低，使高加长期处于超负荷运行，对邻近除氧器的高加运行产生影响，造成加热器的损坏。

回热系统的影响因素

汽轮机的回热系统主要是由高压加热器、低压加热器、除氧器和各种水泵及相关管道所构成，而回热加热器是汽轮机回热系统的核心组成构件，其运行状况直接影响到回热系统乃至整个热力系统的热经济性，主要表现在加热器端差（包括运行中的加热不足）、压损、散热损失、切除加热器和给水部分旁路等因素对机组经济性的影响，在这些因素中，加热器端差的大小是反应加热器性能优劣的主要指标，端差越小，则加热器的热经济性越高。

加热器端差及热损失产生的原因

加热器端差又有上端差和下端差之分，其中上端差是指加热器内蒸汽压力下所对应的饱和温度与加热器出口水温之差；下端差是指离开加热器壳侧的疏水出口温度和进入管侧的给水进口温度之差。

考虑到加热器上端差对机组经济性的影响远比下端差大，如无特殊说明，一般文献中加热器端差均指上端差，因而本文也只对加热器上端差进行分析讨论。

图是加热器热交换过程在T-S图上的表示方式。

过程线1-2是给水被加热的升温过程；3-4是加热蒸汽凝结放热过程；

是加热器的端差。

在设计中有技术经济选定的端差，在运行设备中，由于各种原因产生给水加热不足谓之运行端差。

经济上合理的端差值应由技术经济计算比较来决定，即比较当端差值降低时得到的燃料节省和加热器换热面金属消耗的增加费用。

燃料越贵，金属越便宜，则降低端差越有利。

一般表面式回热加热器的出口端差约为3～5℃。

端差的存在和变化，虽没有发生直接的明显的热损失，但却增加了热交换的不可逆性，产生了额外的冷源损失，降低了装置的热经济性。

分析加热器端差对机组热经济性影响的意义

在再热机组中，高加的端差变化通常不但影响新蒸汽等效焓降，而且还会通过影响再热器的吸热量进而影响循环吸热量。

加热器端差增大，一方面导致加热器出力下降，使能级较低的抽汽量减少，汽轮机的排汽量增大;另一方面使上一级加热器的负荷增大，使能级较高的抽汽量增加，降低汽轮机的作功能力；而高压加热器端差过大又使循环吸热量增加，这些因素导致汽轮机的循环效率下降，影响机组运行的经济性。

因而定量分析加热器端差对机组热经济性的影响，对热力系统的设计优化、节能改造、现场运行管理有重要的意义。

因此，对加热器端差变化造成的机组经济性的影响进行定量的分析、计算是十分必要的。

加热器端差减小，机组热经济性提高，每台加热器对机组热经济性的影响程度也是不一样的，1号高加、3号高加、6号低加的端差变化对机组经济性的影响较大，不同容量机组加热器端差变化对机组经济性的影响程度也不一样，根据不同机组、不同加热器，按实际情况选择不同的加热器端差以及对某些端差影响机组热经济性较大的加热器加强监视与运行维护是可取的。

三、回热加热器端差增大的原因分析及改进措施

根据上述计算可以看出加热器端差变化确对机组热经济性有较大影响，计算结果表明了加热器端差减小可以提高机组热效率，降低热耗和标准煤耗率，节约煤炭，验证了加热器端差越小，机组的热经济性越高，加热器端差越大，机组的热经济性越低。

因此，要利用加热器端差对机组经济性的影响来实现对火电机组的节能改造，就必须找到加热器端差增大的原因，并提出切实可行的改进措施，以减小加热器的端差，实现火电机组的节能。

回热加热器端差增大的原因分析

不同机组，不同加热器，不同的运行情况下，加热器端差增大的原因也是不同的，具体情况要具体分析。

下面是我对加热器端差增大的可能原因作的简要总结：

（1）回热加热器泄漏堵管，影响加热器的传热效果，导致上下端差加大。

其泄漏、堵管原因如下：

加热器设计、制造存在缺陷。

主要表现在加热器内部管束与管板之间采用机械胀管、管口焊接的方式，胀接力与胀接长度不够，制造工艺、质量较差。

加热器泄漏后，堵管工艺不良。

主要表现在泄漏管在堵管前与管堵头未进行绞孔拂配．焊接前未进行预热处理，焊接工艺差。

加热器启停时，给水温度变化速度超标。

其中高压加热器是火力发电厂承压最高的容器。

承受着过热蒸汽和锅炉给水间的温差和压差，其工作条件很恶劣，其中又以管束与管板连接处的工作条件最为恶劣。

在高压加热器投运和解列过程中，若控制不当，管束与管板连接处会受到很大的热冲击，这种应力过大或多次交变，会损坏连接处结合面，造成管子端口泄漏。

（2）实际运行参数与设计值偏离较大，如给水流量、给水入口温度等。

由于机组在设计或制造上存在缺陷，或由于运行调整和系统泄漏的原因，机组运行的热力性能指标达不到设计值，使得机组在偏离设计值较大的工况下运行。

在额定负荷下，进汽量是一定的，而热量也是一定的，当给水流量增大时温升下降．从而导致加热器上下端差增大。

（3）加热器水位的影响。

回热加热器在“基准”水位运行是保证加热器性能的最基本条件。

当水位不方便监视且不能实现水位自动调节时，加热器常维持低水位或无水位运行。

当水位降低到一定程度时，疏水冷却段水封散失，蒸汽和疏水一起进入疏水冷却段，疏水得不到有效冷却，导致端差增大，经济性降低；更严重的是由于蒸汽冷却段的出口在疏水冷却段的上面，水封丧失后造成蒸汽短路，从蒸汽冷却段出来的高速蒸汽会冲刷蒸汽冷却段、凝结段．最后在疏水冷却段水封进口形成水中带汽的汽液两相流，冲刷疏水冷却段，引起管子振动而损坏。

同时，在低水位或无水位运行时，由于抽汽通过疏水窜入下一级加热器，使得大量高品位的蒸汽进入低品位区进行加热，能级的降低导致了蒸汽能量发生了贬值，低压抽汽被迫排挤回汽轮机做功，最终使得机组经济性下降。

（4）加热器管束表面结垢，使传热恶化。

加热器长期运行后，会在管子内外表面形成以氧化铁为主的污垢，增大了传热热阻，导致管子内外温差增大，降低了传热效果，增加了压力损失，使回热加热器出口温度降低，造成回热加热器给水端差增大。

（5）空气积聚使传热效率降低。

加热器中不凝结气体的来源是加热器停用、检修时滞留在加热器壳侧和水侧的空气，以及抽汽或疏水带入或析出的不凝结气体。

不凝结气体对加热器热力性能的影响有：

在某些死区积聚形成不凝结气体覆盖层，减少了传热面积；在管子外壁凝结水膜周围形成一个气体层，使传热热阻增加；不凝结气体的分压力升高，导致蒸汽的分压力下降，使凝结过程的有效饱和温度下降，降低其对数平均温差。

由于上述影响，不凝结气体的存在降低了传热效果并最终增大了加热器的端差。

（6）高加三通阀内漏。

高加进、出水三通阀下限行程未调试好或阀门严密性差，会导致部分给水短走大旁路，影响高加出口水温，进而影响加热器端差。

（7）加热器水室短路。

高压加热器的水室靠焊接的水室隔板将水室分成进水室和出水室。

如果水室隔板焊接质量不过关，必将导致部分高压给水不流经加热钢管而“短走旁路”。

随着高加运行时间的积累，缝隙逐渐变大，高加出口温度便会缓慢下降，进而导致加热器端差的变化。

降低回热加热器端差的改进措施

在机组的实际运行过程中，由于各回热加热器端差增大的具体原因不同，因此我们面对不同的情况所采取的处理措施也不一样。

我们通常采取的措施主要如下有：

回热加热器管束或管板泄漏是回热加热器运行中最常碰到的问题，如果发现加热器管系泄漏时要立即停运加热器，减少管子的损坏数量，减轻损坏程度，并制定详细的检修措施、步骤和工艺。

对于端口泄漏，应刮去原有焊缝金属再进行补焊，并进行适当的热处理，消除热应力；对于管子本身泄漏，应先查清管束泄漏的形式及位置，并选用合适的堵管工艺，堵塞管子的2个端口。

当加热器泄漏严重、堵管数量超过极限值的时候，应更换加热器管芯。

注意加热器水位的调整和监视，使其在正常范围，并检查疏水调节阀是否正常，及时更换泄漏的疏水调节阀。

若运行中加热器筒体内实际水位与水位计显示的水位有出入，可以通过水位调整试验来确定最低水位。

当机组运行工况稳定以后，维持各参数不变，逐渐提高加热器水位，同时监视好疏水温度的下降情况，当疏水温度下降到接近稳定时说明已无蒸汽进入水封，再加上适当裕量即可定出最低水位值。

有效地排放不凝结气体。

在回热加热器投入运行前，打开回热加热器上的全部排空气门，等回热加热器运行正常后再按照规定关闭空气门，保留排汽到除氧器的空气门。

运行中要保证放空气管路系统的畅通。

为保证排汽节流孔前后压差，不宜将各排汽管并联接到除氧器，应分别将各加热器排汽管接到除氧器。

严格按照规定的温升及温降速率启、停回热加热器，防止热冲击。

一般情况下，回热加热器的温升率不应大于3℃／min，温降率不宜大于1．7℃／min。

运行时要尽量避免严重过负荷工况运行。

过负荷运行时，高压加热器进汽量加大．蒸汽在过热蒸汽冷却段中速度增大很多．激发局部管束振动，易造成局部管束疲劳损坏。

严格控制锅炉给水pH值和含氧量，减少钢管表面的腐蚀。

回热加热器出厂前必须做水压试验，合格后方能出厂。

由于加热器水室短路，部分给水并未与蒸汽进行热交换，造成了给水温度的下降。

厂家应提高制造质量，焊接工艺应采用亚焊。

同时，一旦发现水室隔板焊接质量有问题，应及时处理。

确保高加旁路阀无内漏。

当高加端差增大，且高加大旁路阀后的温度测点明显低于高加出口水温时，则可能发生给水旁路阀泄漏，应及时联系检修人员进行处理，检查该阀门的严密性。

专业点评：

1、本文根据加热器端差变化对机组经济性影响进行了分析，提出了改善加热器端差的

相关措施，供运行人员交流、学习。

2、我厂机组未设置1号高加、3号高加及6号低加，希望运行分析结合本厂实际，对

影响机组安全、经济运行的问题进行分析，提出完善措施，以进一步提高机组安全、

经济运行的性能。