吳愷，王甲安，呂偉為，徐鴻

電站鍋爐高溫對流受熱面壁溫計(jì)算及氧化膜影響分析

吳愷1，王甲安1，呂偉為2，徐鴻3

（1.華電電力科學(xué)研究院材料技術(shù)部，浙江杭州310030；2.國電河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北邯鄲056400；3.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206）

火電廠鍋爐爆管事故是電廠事故中最常見的情形之一，爆管事故的發(fā)生對電廠的安全性經(jīng)濟(jì)性影響巨大。而此類問題的發(fā)生和鍋爐管壁溫度超溫密不可分，因此若能全面準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測受熱面管壁溫度將對電廠意義重大。但是電廠鍋爐由于爐內(nèi)壁溫測點(diǎn)安裝較困難，另外由于爐內(nèi)溫度高，即使安裝了測點(diǎn)，測點(diǎn)通常壽命不長。通常安裝在爐外大包內(nèi)的壁溫測點(diǎn)只能在一定程度上反應(yīng)管道內(nèi)部介質(zhì)的溫度，而對于最危險(xiǎn)處的壁溫卻無法直接得到。本文針對此問題，對壁溫計(jì)算模型進(jìn)行了分析，利用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了燃燒模擬計(jì)算，使用Delphi語言對該計(jì)算模型編制了相應(yīng)的程序，結(jié)合某電廠2028t/h鍋爐實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，并假設(shè)氧化膜存在對結(jié)果的影響進(jìn)行了再次計(jì)算和分析。能對電廠鍋爐的安全運(yùn)行提供正確的指導(dǎo)，也可為電廠鍋爐管道的及時(shí)檢修提出指導(dǎo)，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

鍋爐；在線監(jiān)測；金屬壁溫；程序模塊；氧化膜

0 引言

在過去的幾十年里，傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、高效的運(yùn)行，參數(shù)及容量在不斷的提高。電站鍋爐四管（水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器）管道外部受到高溫?zé)煔獾臎_刷，內(nèi)部受到高溫高壓蒸汽的侵蝕，長期處于其許用的極限強(qiáng)度下，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，鍋爐爆管事故中再熱器、過熱器爆管造成的損失最大，這樣使得鍋爐管道的安全性大大降低。根據(jù)往年的電力事故資料顯示，鍋爐事故是造成非計(jì)劃停機(jī)的罪魁禍?zhǔn)?，過熱器和再熱器的超溫爆管事故仍然是大容量高參數(shù)電站鍋爐中存在的一個(gè)非常嚴(yán)重的安全隱患。由各種因素引起的受熱面管道熱偏差而導(dǎo)致的超溫爆管事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了鍋爐機(jī)組的性能[1]。因此，若能全面準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測受熱面管壁溫度，從事故源頭找出其原因，保證電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行就變的非常重要。

由于爐內(nèi)高溫受熱面壁溫測點(diǎn)安裝很難實(shí)現(xiàn)。受高溫?zé)煔獾挠绊?，即使安裝了測點(diǎn)，測點(diǎn)通常壽命也不會(huì)很長。工程中常用的方法是在爐頂外引入集箱處的單管外壁上布置測點(diǎn)，認(rèn)為測點(diǎn)處測得的溫度值近似等于過熱器相應(yīng)位置處管內(nèi)蒸汽溫度。但是即使?fàn)t外壁溫測量正?？煽?，爐內(nèi)外換熱條件的巨大差別也會(huì)導(dǎo)致爐外壁溫測點(diǎn)不能如實(shí)反映爐內(nèi)實(shí)際壁溫。特別是在啟動(dòng)或變負(fù)荷階段，鍋爐外的測量結(jié)果比爐內(nèi)實(shí)際壁溫低，無法代表鍋爐內(nèi)部的實(shí)際壁面溫度，只能在一定程度上反映了管道內(nèi)部介質(zhì)的溫度，而最危險(xiǎn)處的壁溫卻是無法直接得到[1]。隨著蒸汽參數(shù)的增加，國內(nèi)很多管壁溫度計(jì)算模型并未考慮氧化膜影響所產(chǎn)生的弊端也日益彰顯。

本文通過利用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了燃燒模擬計(jì)算，通過編程軟件Delphi建立鍋爐高溫過熱器壁溫計(jì)算模型，計(jì)算得到鍋爐過熱器管道爐外測點(diǎn)處溫度與爐內(nèi)不同位置處的溫度，以及爐內(nèi)計(jì)算值與爐外測量值之間的對應(yīng)關(guān)系，并分析了在氧化膜存在的情況下，其對鍋爐壁溫計(jì)算的影響。

1 壁溫監(jiān)測誤差的理論分析

電站鍋爐的過熱器再熱器一般布置于水平煙道。在水平煙道中，不同時(shí)間不同空間位置下的煙氣側(cè)參數(shù)和蒸汽測參數(shù)都不相同，在沿管道長度方向上不同分段的蒸汽溫度和管道外煙氣溫度都處于不斷變化中，很難采用歸一化的算法。所以在管壁溫度計(jì)算中采用離散化的思想，將鍋爐的管道分成若干管段，其中的每一段可以視其煙氣側(cè)、蒸汽側(cè)參數(shù)相同。對其中的每一個(gè)管段進(jìn)行熱力計(jì)算。每一個(gè)小段的入口條件即為上一個(gè)小段的出口條件，由此可以依次得到整體計(jì)算結(jié)果[3]。

每一段的管壁溫度計(jì)算是按照現(xiàn)有的前蘇聯(lián)1957年和1973年鍋爐計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的，其核心也就是鍋爐的熱偏差計(jì)算，鍋爐四管管道的壁溫計(jì)算公式可以用下式表示：

式中tw—計(jì)算管段管壁的外壁金屬溫度，℃；

tb—計(jì)算管段管壁的平均金屬溫度，℃；

tj—計(jì)算管段管內(nèi)的平均工質(zhì)溫度，℃；

tx—含有氧化膜的管壁平均金屬溫度，℃；

Δt—計(jì)算管段管壁的最高金屬溫度相對于管內(nèi)的工質(zhì)平均溫度的修正項(xiàng)，℃；

Δt1—計(jì)算管段管壁的平均金屬溫度相對于管內(nèi)的工質(zhì)溫度的修正項(xiàng)，℃；

β—計(jì)算管段處管子外徑與內(nèi)徑之比，即β=d2/d1；

μ—熱量均流系數(shù)；

qmax—計(jì)算管段處外壁沿周界計(jì)算截面處單位吸熱量，kW/m2；

λ—計(jì)算管段處管壁所使用鋼材的熱導(dǎo)率，kW/（m2·℃）；

δ—計(jì)算管段處管壁的厚度，m；

α2—計(jì)算管段處管內(nèi)介質(zhì)的對流放熱系數(shù)，m2·℃/kW。

管子計(jì)算截面單位熱負(fù)荷qmax：

式中θ—計(jì)算點(diǎn)煙氣絕對溫度；

ε—計(jì)算點(diǎn)管子的污染系數(shù)；

α1—計(jì)算點(diǎn)煙氣側(cè)對流放熱系數(shù)。

鍋爐管壁溫度計(jì)算模型的準(zhǔn)確性直接影響到鍋爐四管壽命分析故障診斷的準(zhǔn)確性[4]。為此，本文在熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上采用了迭代算法，用鍋爐壁溫計(jì)算的結(jié)果反推鍋爐計(jì)算過程的參數(shù)。將重新計(jì)算出的新參數(shù)值作為下次管壁溫度計(jì)算的初始參數(shù)，依次反復(fù)直到誤差達(dá)到合理的范圍[5]。在具體實(shí)際程序計(jì)算中，為了使程序更好更快的實(shí)現(xiàn)計(jì)算流程，運(yùn)行中設(shè)定一個(gè)傳熱修正系數(shù)Δh，經(jīng)過迭代計(jì)算后的參數(shù)值更加接近實(shí)際過程，大大提高了準(zhǔn)確性。

圖1 計(jì)算模型數(shù)據(jù)流向圖

2 壁溫計(jì)算軟件的介紹

計(jì)算過熱器再熱器管壁溫度是一個(gè)復(fù)雜的工作。計(jì)算、修正、校核相互嵌套，所以使用編程語言編制相應(yīng)的軟件來進(jìn)行計(jì)算是非常適合也是非常有效的一種方法。面向?qū)ο蟮腄elphi在開發(fā)進(jìn)度上相比較于C++、VB等要快很多，因?yàn)樗押芏嗟拇a編寫成控件方便調(diào)用，減去了很多的工作量。而且Delphi的VCL架構(gòu)是開源的，每個(gè)人都可以查看編譯代碼，這也是其一大好處[6]。

本文設(shè)計(jì)的計(jì)算模型一共有6個(gè)相互調(diào)用的模塊，分別是參數(shù)模塊（結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等）、被調(diào)用函數(shù)模塊、主計(jì)算流程模塊、校核模塊、水蒸氣性質(zhì)模塊。其數(shù)據(jù)流向圖如圖1所示。而計(jì)算軟件的界面體現(xiàn)的人機(jī)交互的便捷性也是非常重要。壁溫計(jì)算軟件的顯示界面如圖2所示。在程序計(jì)算結(jié)束后，可以選擇輸出Microsoft Excel格式的金屬管壁溫度計(jì)算結(jié)果，這樣使得后期分析更加方便。同時(shí)也能提供數(shù)據(jù)庫接口，可以方便使用數(shù)據(jù)庫分析管理。

圖2 壁溫計(jì)算軟件的顯示界面

3 案例分析

本文以某電廠運(yùn)行的亞臨界參數(shù)RBC鍋爐為例。鍋爐額定蒸發(fā)量為2028t/h，此鍋爐采用了前后墻對沖的燃燒方式，并且采用了雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器及NOx噴口的配置方式。過熱器系統(tǒng)是由頂棚管、包墻管、屏式過熱器、低溫過熱器及高溫過熱器組成。高溫過熱器處于鍋爐遮焰角的上方，由入口管組和出口管組組成。入口管組是由管徑Φ51mm，壁厚6～7.5mm，材質(zhì)為SA213T91和12Gr1MoVG的鋼管組成。入口管組由18管圈并繞，橫向截距為300mm，沿水平煙道寬度方向有30屏。出口管組是由管徑Φ51mm、壁厚6～9mm，材質(zhì)為SA213T91和12Gr1MoVG的鋼管組成。出口管組為10管圈并繞，橫向截距為300mm，并使出口管處于中間、入口管處于兩側(cè)的布置方式，這樣以減少煙氣輻射，保護(hù)高溫的出口管束，出口管組沿著水平煙道寬度方向共有60屏。

本文選取了電廠鍋爐2013年3月30日上午8：00的運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。將鍋爐冷灰斗至爐膛出口之間的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，根據(jù)鍋爐實(shí)際尺寸，用GAMBIT軟件建立爐膛結(jié)構(gòu)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對燃燒器及屏式受熱面做相應(yīng)簡化。網(wǎng)格劃分時(shí)跟據(jù)爐內(nèi)燃燒特點(diǎn)合理控制網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和疏密，對燃燒器區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。模擬采用旋流修正的k-ε雙方程模型模擬氣相湍流流動(dòng)，雙步競爭反應(yīng)熱解模型模擬揮發(fā)份析出，揮發(fā)份燃燒采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度模型函數(shù)，焦炭燃燒采用動(dòng)力-擴(kuò)散控制反應(yīng)模型，輻射換熱使用P-1輻射模型，煤粉顆粒跟蹤采用隨機(jī)軌道模型，近壁區(qū)域用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行修正[7]。

計(jì)算得到爐膛縱剖面煙氣溫度分布如圖3所示，爐膛出口縱截面速度分布趨勢如圖4所示，爐膛出口縱截面溫度分布趨勢如圖5所示。從結(jié)果中可以清晰的看出在高溫過熱器入口處，煙道的上部煙氣溫度明顯高于煙道的下部，煙氣速度同樣是上部高于下部。沿著鍋爐寬度方向，煙氣溫度分布并不均勻，而是顯得比較對稱。這是和旋流燃燒器的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)系的，與預(yù)期結(jié)果符合的很好。FLUENT運(yùn)行結(jié)果得知出口處的煙氣平均溫度為1187K，與熱力計(jì)算值1179℃比較吻合。為此可以將出口截面上的溫度進(jìn)行離散處理，劃分為29×14的小矩形區(qū)域，如圖5所示，由此得出每一格區(qū)域的平均煙氣溫度。

圖3 爐膛縱剖面溫度流場圖

運(yùn)行過程中的危險(xiǎn)點(diǎn)是在整個(gè)汽水流程中外壁金屬溫度的最高點(diǎn)。在整個(gè)汽水流程中，鍋管道內(nèi)介質(zhì)溫度最高的地方是在高溫過熱器出口段和高溫再熱器管組。本文壁溫計(jì)算就以高溫過熱器出口管組作為算例進(jìn)行。按照鍋爐高溫過熱器結(jié)構(gòu)特性，沿著管組汽水流程方向?qū)㈠仩t高溫過熱器出口管組頂棚以下的U型結(jié)構(gòu)部分分為24段，沿著蒸汽流程依次為垂直下降段第1～10段，水平段第11～14段，垂直上升段第15～24段。因?yàn)榇怪鄙仙嗡褂玫牟馁|(zhì)是不同的，前2700mm材質(zhì)為12Cr1MoVG，剩余部分材質(zhì)為SA-213T91，其分段結(jié)合焊口實(shí)際分析，并非均勻取得。

通過運(yùn)行壁溫計(jì)算程序，在此工況下得到的結(jié)果如下：

圖4 爐膛出口縱截面煙氣速度分布圖

圖5 爐膛出口縱截面煙氣溫分布圖

沿著爐膛寬度方向上各屏最外圈的管壁溫度總體上顯示為比較對稱的變化規(guī)律，這和煙氣場的溫度分布情況很相似。高過出口管屏從左側(cè)爐墻向右側(cè)爐墻的方向依次進(jìn)行編號（編為第1～60屏），其中第4～6屏和第49～52屏的管壁溫度在整個(gè)高溫過熱器出口管組中是最高的，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。其原因主要是受旋流燃燒對沖布置方式的影響，管壁外部的煙氣場各個(gè)方向的熱力不均性造成的。沿著爐膛寬度方向最高壁溫曲線如圖6所示。

圖6 高溫過熱器出口段沿著煙道寬度方向最高外壁溫度變化圖

對于同一管圈上的各根管子的金屬管壁壁溫差異是由于其所處的位置以及幾何結(jié)構(gòu)差異造成的。在高溫過熱器同屏中，壁溫最高處為最外圈的管子，因其受屏前（后）輻射的影響最大。對比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況吻合的很好。

受煙氣直接沖刷的最外側(cè)管子沿著流程方向管壁溫度一直增加，在沿程方向第10段（U型結(jié)構(gòu)左下彎頭）處的壁溫達(dá)到極大值，隨后壁溫下降，然后又緩慢增加。壁溫變化情況如圖7所示。

圖7 第5屏最外側(cè)管壁沿著流程方向溫度變化情況

4 氧化膜影響的計(jì)算及分析

在亞臨界鍋爐中管內(nèi)壁氧化膜并不明顯，故此計(jì)算沒考慮氧化膜的影響是合理的。但是在超臨界超超臨界機(jī)組中，以及在水化學(xué)處理并不理想的電廠中，氧化膜的存在確實(shí)會(huì)對鍋爐超溫爆管產(chǎn)生巨大的影響[8]。

本文在此基礎(chǔ)上，假設(shè)鍋爐管內(nèi)壁上附著有一層均勻的氧化膜，其由管內(nèi)介質(zhì)中的溶質(zhì)沉積而成，增加了導(dǎo)熱熱阻。蒸汽側(cè)氧化層是管內(nèi)壁金屬和高溫水蒸氣氧化的產(chǎn)物，一般由三層物質(zhì)（富鉻尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物（（Fe，Cr）2O3），F(xiàn)e3O4及Fe2O3）或雙層物質(zhì)構(gòu)成。本文對氧化層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，將其視為由單一磁鐵礦Fe3O4組成。氧化膜的厚度為0.1mm，氧化膜的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5（W·m-1·K-1）。

經(jīng)計(jì)算，第一屏最外側(cè)管沿著流程方向的管壁溫度分布如圖8所示，沿著煙道寬度方向最高外壁溫度變化曲線圖如圖9所示。

和沒氧化膜情況對比，有氧化膜的管壁溫度整體有上升趨勢，這說明由于氧化膜的存在，管內(nèi)溫度較低的蒸汽不能使管壁溫度降低，從而導(dǎo)致受熱面管道長期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，使其熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力增加，甚至導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致管道的失效。而且超溫和氧化膜生長速率是互相促進(jìn)的，超溫會(huì)使氧化膜快速生成，而氧化膜的存在會(huì)使超溫更加嚴(yán)重。

圖8 含有氧化膜管壁沿著流程方向溫度變化情況

圖9 含有氧化膜管壁沿著煙道寬度方向最高外壁溫度變化圖

5 結(jié)語

通過計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

（1）管壁溫度并非是隨著工質(zhì)溫度的升高而升高，而還和煙氣側(cè)的煙溫、煙速等眾多因素有關(guān)。

（2）最危險(xiǎn)的屏的確定在很大程度上受鍋爐煙氣場分布影響，同時(shí)水動(dòng)力循環(huán)中的集箱效應(yīng)、流量偏差等也都會(huì)有一定影響。同屏中最外圈的管子受屏前（后）輻射的影響在同屏中最危險(xiǎn)。同根管子沿著工質(zhì)流程方向，在U型結(jié)構(gòu)下部彎頭處的溫度會(huì)達(dá)到極大值，隨后下降，最后又緩慢增加。所以在同根管子中金屬壁溫最可能超溫的地方出現(xiàn)在下部彎頭處和出口處。

（3）在有氧化膜附著的情況下，爐外溫度反應(yīng)爐內(nèi)壁溫情況會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，特別是在存在氧化膜的超（超）臨界鍋爐中氧化膜影響分析尤為重要。

（4）鍋爐煙氣溫度場和速度場的計(jì)算始終是熱力計(jì)算的難點(diǎn)，其主要原因是在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中使用的煤種并非完全設(shè)計(jì)煤種，摻燒低品質(zhì)煤種使得運(yùn)行條件更加苛刻，煙氣流場變得更加復(fù)雜。

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Tube Wall Temperature Calculation and Oxide Film Effects Analysis on Hightemperature Confection Heating Surface of Utility Boiler

WU Kai1，WANG Jia-an1，LV Wei-wei2，XU Hong3
（1.Material Technology Department，Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Guodian Hebei Longshan Power Generation Co.，Ltd，Handan 056400，China；3.School of Energy，Power and Mechanical engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Power plant boiler pipe rupture accident is one of the most common situations in power plant.Tube-burst accident has had a huge impact on the safety and economy in Power plant.The occurrence of such problems are inextricably linked with the boiler tube wall over-temperature，so it is great significance to comprehensively accurately and reliably monitor the tube wall temperature of heat exchangers in power plants.But due to the power plant boiler furnace wall temperature measuring point is difficult to install.Even if installed，the high temperature in the furnace usually makes it not long life.For the most dangerous place，the wall temperature cannot directly obtain.Aimed at this problem，this author analyze the wall temperature calculation model，combined with power plant example of 2028 t/h boiler，use Delphi language to compile the corresponding program for the calculation model，use numerical simulation software Fluent to simulate combustion calculation and assumes the oxide film existence to calculate and analysis the effect again.This paper has significant engineering practical value，it can provide the correct guidance on the safety operation of power plant boiler，and also can put forward the guidance for power plant boiler pipe reparations.

boiler；on-line monitoring；metal wall temperature；programming module；oxide film

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.005

TM621.2

B

2095-3429（2015）01-0020-05

2014-10-15

修回日期：2014-11-18

吳愷（1989-），男，甘肅人，工學(xué)碩士，主要從事火電廠無損檢測方面的研究工作。