过热器壁温计算模型及寿命估算

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1、1999 年第 10 期 电 力 建 设 15 过热器壁温计算模型及寿命估算Calculation Model and Life Estimation of Superheater Wall Temperature张 新 生 熊 立 红 唐 必 光(武汉水利电力大学 、 武 汉 市 ,430072) 摘 要 过热器联箱的引入 、 引 出 方 式 ,管组的结构 、 阻 力 系 数 以 及 热 负 荷 的 差 异 所 引 起 的 热 偏 差 是 导 致 爆 管 的重要因素 ,同时管组材质的选择对其使用寿命也具有决定性的影响 。 华 能 阳 逻 电 厂 4 号 锅 炉 高 温 过 热 器 爆 管 的

2、 原 因 ,正是由于蒸汽引入方式不当 ,由 于 “三 通 效 应 ”的 影 响 造 成 短 时 超 温 ,某些部位选材不当 ,造成在 168 h 试运期间 两次爆管 。为了对过热器壁温状况以及蒸汽流量分配进行较全面的了解 ,对 过 热 器 使 用 的 管 材 寿 命 进 行 估 算 ,编 制了过热器壁温计算程序 ,以对过热器壁温进行监测 。结果表明 ,程 序 计 算 结 果 能 较 好 地 反 映 “三 通 效 应 ”对 过 热 器蒸汽流量及管壁温度的影响 ,对过热器的改造和设计具有一定的参考价值 。 关键词 锅炉 高温过热器 数学模型 壁温 寿命估算高温过热器超温爆管现象是锅炉运行中常见的

3、事故之一 ,它直接影响到锅炉的安全经济运行 ,过 热 器联箱的引入引出方式 ,管 组 的 结 构 尺 寸 、 阻 力 系 数 及 热 负 荷 的 差 异 所 导 致 的 热 偏 差 是 爆 管 的 重 要 原 因 ;同 时 ,管组材质的选择对其使用寿命也具有决定 性的影响 。 本 文 针 对 阳 逻 电 厂 4 号 锅 炉 高 温 过 热 器 的超温爆管问题 ,编 制 了 过 热 器 壁 温 计 算 软 件 ,并 根 据 计 算 结 果 对 爆 管 原 因 进 行 了 分 析 ,对 不 同 材 质 在 高温过热器管的使用寿命进行预测 。1 过热器爆管情况及成因阳逻电厂 4 号 锅 炉 是 由

4、武 汉 锅 炉 厂 设 计 制 造 的 1025 t/ h 亚 临 界 、 自 然 循 环 锅 炉 。 高 温 过 热 器 采 用 立式结构 ,顺流布置于后屏过热器之后 、 高 温 再 热 器 之 前 的 水 平 烟 道 中 ,共 由 38 片 管 排 组 成 ,每 片 8 根 连接于进 、 出 口 联 箱 上 ,见图 1 。 进 、 出 口 联 箱 均 采 用 T 型三通由中部分别引入引出 。该锅炉在 168 h 试运行期间 ,高温过热器曾发生 两次爆管 ,爆管部位均处在中间管排即第 19 、 20 排 8 号管的蒸汽出口端 。破口呈喇叭形 ,边 缘 较 薄 ,管 子 出现明显变色胀粗现象

5、,经 金 相 检 验 ,是 短 时 超 温 所 致 。现场壁温检测表明 ,与 爆 管 部 位 同 管 排 的 1 号 管 ,也呈现一定程度的过热现象 。事故发生后 ,厂 方 组 织 了 专 家 会 诊 ,结 果 认 为 ,爆 管 原 因 是 由 于 “三 通 效 应 ”造 成 第 19 、 20 排 1 、 8 号图 1 过热器联箱结构图管 蒸 汽 流 量 过 小 而 导 致 超 温 ,并 采 取 了 以 下 补 救 措 施 :一是改变 19 、 20 排 1 、 8 号 管 的 蒸 汽 引 入 方 式 ,由 原 来 从 进 口 联 箱 侧 水 平 管 座 引 入 ,改 为 从 联 箱 手 孔

6、 经 由 旁 路 连 接 管 引 入 ,从 而 避 开 了 三 通 附 近 的 涡 流 区 ;二 是 将 过 热 器 管 组 中 过 热 较 严 重 部 位 的 材 质 由 钢 102 改为 TP347 - H ,以提高其耐高温性能 。 为 了 对爆管前后的过热器的壁温状况及蒸汽流量分配有 更全面的了解 ,作 者 编 制 了 过 热 器 壁 温 计 算 程 序 ,对 高 温 过 热 器 壁 温 进 行 监 测 ,并 用 以 估 算 过 热 器 的 使 用寿命 。收稿日期 : 1999 - 05 - 181 + 216 电 力 建 设 1999 年第 10 期2 过热器的壁温计算模型该 模 型

7、由 吸 热 偏 差 模 块 、 流 量 偏 差 模 块 和 壁 温 计算模块组成 。211 吸热偏差计算数学模型管排热负荷不均匀系数可由下式计算 :( x +1) / nqmax 在 最 大 管 子 上 吸 热 量 最 大 处 的 热 负 荷 ;管 壁 金 属 导 热 系 数 ;管 子 壁 厚 ;a2 管 壁 向 被 加 热 介 质 的 放 热 系 数 。214 程序框图及说明根 据 上 述 数 学 模 型 编 写 计 算 程 序 , 程 序 框 图 见rx = n Crxry x d x 图 2 。在 求 解 流 量 偏 差 系 数 的 方 程 组 时 , 采 用 了 以 下式 中 x =

8、( i - 1) / n , 为 计 算 管 排 对 于 全 烟 道 的 相对坐标 ;n 相 对 应 总 管 排 ;i 计 算 管 排 序 号 ;Cr 修 正 系 数 ,管 排 按 全 烟 道 布 置 时 取 1. 0 ;ry x 热 负 荷 不 均 匀 沿 烟 道 宽 度 的 分 布 函 数 。212 流量偏差计算数学模型当并联管组由 n 排 管 子 组 成 时 , 各 排 管 子 流 量 偏差系数可通过以下联立方程组求解 。简 便 方 法 。 即 先 假 定 3 个 第 1 排 管 子 的 流 量 偏 差 系 数 l01 、 l02 、 l03 代 入 方 程 组 计 算 , 然 后 利

9、用 抛 物 线 差 值 法 求 出 符 合 条 件 的 l0 , 最 后 求 出 各 排 流 量 偏 差 系 数 。在 考 虑 “三 通 效 应 ”对 流 量 分 布 的 影 响 时 , 由于三通附近的涡流区流场比较复杂 , 为 简 化 程 序 结 构 , 先忽 略 “三 通 效 应 ”, 求解流量偏差系数和壁温间关系 ,k 0 2l1 = l0 - B 1k1k 0 2l2 = l0 - B 2k2k 0 2l , n - 1 = kn - 1l0 - B n - 1n - 1 1 = 1n 0 l x式中 l0 ,l1 , ,l , n - 1 第 1 , 2 , 3 , , n 排管子的

10、流量偏差系数 ;B 1 , B 2 , , B n - 1 第 2 , 3 , , n 排管子的系数 ;k0 , k1 , , kn - 1 第 1 , 2 , 3 , , n 排管子的流量系数 。213 管壁温度计算模型以 前 苏 联 锅 炉 机 组 热 力 计 算 标 准 (1973 年版 ) 为 基 础 1 , 结合热偏差理论来计算管壁温度 , 其 公 式 如下 : 1 1tb = t + t +qmax ( + a )式 中 tb 管 子 外 壁 温 度 ;t 管 内 计 算 端 面 上 介 质 平 均 温 度 ; t 区 段 中 管 内 介 质 温 度 大 于 平 均 温 度 的 值

11、 ;管 子 外 径 与 内 径 的 比 值 ;热 散 射 系 数 ; 图 2 管壁温度计算框图1999 年第 10 期 电 力 建 设 17 然后根据此关系和现场提供的壁温数据来反算流量 偏差系数 。在 输 入 结 构 参 数 时 , 可 根 据 过 热 器 联 箱 的 引 入 引出方式 ( U 形 、 Z 形 、 T 形 或 L 形 ) 来 具 体 确 定 ,使 得软件具有较好的通用性 。215 壁温计算结果分析采用上述软件 ,作 者 对 阳 逻 电 厂 4 号 锅 炉 高 温 过热器的第 19 、 20 排 8 号 管 的 壁 温 及 管 内 蒸 汽 温 度 进行了计算 。 在 不 考 虑

12、 “三 通 效 应 ”的 情 况 下 ,壁 温 和蒸汽出口温度分别为 573 和 539 ,而 锅 炉 厂 的 设计温度分别为 575 和 541 ,说 明 软 件 所 采 用 的 数学模型是正确的 。利用软件计算结果可拟合出流量偏差与壁温间 关系曲线 ,见图 3 。 对 于 发 生 爆 管 的 第 19 、 20 排 8 号 管 ,因爆管前未设置壁温测点 ,无 法 得 知 其 爆 管 时 真 实 温 度 , 但 从 金 相 分 析 结 果 推 测 , 其 温 度 在 700 720 之 间 。 此 时 管 内 流 量 偏 差 系 数 为 0. 24 。 说 明 管内蒸汽流量很小 。图 4 是

13、 沿 联 箱 长 度 的 静 压 分 布 曲 线 ,从 图 中 可 见 ,第 19 排 8 号 管 的 入 口 静 压 比 其 他 管 排 要 小 得 多 ,这 是 由 于 三 通 线 型 不 良 ,产 生 涡 流 ,使 管 子 入 口 处静压降低 ,在此微小压差下 ,管 内 蒸 汽 流 量 必 然 减 少 ,最终导致超温爆管 。3 过热器的寿命估算311 估算方法金属长期承受高温高压会产生连续增长的永久 变 形 ,即蠕变 。 其 蠕 断 时 间 和 所 承 受 的 温 度 及 压 力 有 关 ,拉 逊 - 米 勒 公 式 是 计 算 管 材 寿 命 常 用 的 公 式 之 一 2 ,其 表

14、达 式 如 下 :T ( A + lg) = P()式 中 T 绝 对 温 度 , K;蠕 断 时 间 , h ;A 与 材 料 性 质 有 关 , A 取 18 25 ; P() 热 强 参 数 , 是应力的函数 。312 原钢种寿命估算高温过热器 8 号 管 原 钢 号 为 钢 102 ( 12CrMo) , 属于贝氏体型钢 。 在 压 力 为 17. 26 MPa 时其对应的 热强参数为 P() = 23 500 ,由 此 得 出 不 同 管 壁 温 度 所对应的蠕断时间 (如 表 1 所示 ) 。从 表 1 的 数 据 可 见 ,钢 102 可 在 600 620 的 高温下长期使用

15、,当壁温超过此范围时 ,寿 命 将 大 大 缩短 。 对 于 高 温 过 热 器 的 第 19 、 20 排 管 子 ,由 于 “三 通 效 应 ”的 影 响 ,当 壁 温 在 700 720 之 间 ,流 量 偏图 3 流量偏差系数与壁温的关系图 4 改造前进口联箱静压分布表 1 钢 102 蠕断时间t b/ 560 580 600 620 640 / h 1163 106 3155 105 8129 104 2107 104 5149 103t b/ 660 680 700 720 / h 1154 103 456 142 46差系数为 0. 19 0. 24 时 ,此时钢材蠕断时间只有 46 142 h ,这正是其在 1 68 h 试运行期间爆管的原因 。313 新钢种寿命估算新