林周勇, 連達(dá)得, 陳景東, 張 力, 李樂天, 楊凱鏇

(1. 國能(泉州)熱電有限公司, 福建泉州 362804;2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

省煤器是鍋爐尾部受熱面的關(guān)鍵設(shè)備之一,相比于過熱器、再熱器等位于水平煙道前段的受熱面,省煤器所處煙道的截面積小,管材數(shù)量多且分布密集,管材表面的煙氣流速比其余受熱面更高,磨損問題發(fā)生頻繁。飛灰磨損與機(jī)械磨損是造成鍋爐受熱面管材磨損的主要原因[1-4]。機(jī)械磨損多由管材安裝、檢修過程中的操作不當(dāng)所致,發(fā)生機(jī)械磨損的管材具有位置固定且數(shù)量較少的特點(diǎn)。針對機(jī)械磨損,可以在定期檢修過程中對其進(jìn)行針對性排查,不需要長周期跟蹤監(jiān)視。飛灰磨損[5-8]由攜帶灰粒和未完全燃燒燃料顆粒的高速煙氣撞擊受熱面管材表面使金屬材料不斷損耗所致,其磨損過程具有漸進(jìn)性,并且受熱面任意管材均有磨損風(fēng)險。因此,實(shí)時評估飛灰磨損引起的管材磨損量,對于保障鍋爐尾部受熱面的安全運(yùn)行具有重要意義。

針對飛灰磨損的實(shí)驗(yàn)室測試與數(shù)值模擬研究均取得了一定的成果。程偉良等[9]結(jié)合在線測點(diǎn)數(shù)據(jù)、鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù),得出了關(guān)于飛灰磨損量計(jì)算的一類表征公式。LEE B E等[10]給出了包含飛灰密度、飛灰濃度、灰粒尺寸、灰流溫度等多類實(shí)驗(yàn)參數(shù)在內(nèi)的金屬壁面磨損量計(jì)算方法。馬喬等[11]使用FLUENT軟件中的離散相模型模擬鍋爐管材磨損情形,得到了受熱面不同管材位置處的煙氣流速分布規(guī)律與管材磨損速率。上述研究者基于機(jī)理模型開發(fā)、數(shù)值模擬計(jì)算等方式探究鍋爐運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)與管材磨損量之間的關(guān)聯(lián),但受鍋爐運(yùn)行狀態(tài)波動的影響,機(jī)理模型計(jì)算所需的在線參數(shù)(如鍋爐負(fù)荷、煙氣流速等)與數(shù)值計(jì)算需要輸入的邊界條件(如煙氣溫度、飛灰來流角度等)無法實(shí)時、準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情形之間產(chǎn)生偏差。周夢偉等[12]模擬了某超臨界鍋爐省煤器水平煙道壁面減薄的情形,其計(jì)算磨穿時間為管壁實(shí)際磨穿時間的83%。

為準(zhǔn)確表征省煤器管材磨損量,進(jìn)而預(yù)防與壁厚減薄相關(guān)的管材失效事故的發(fā)生,以某670 MW超臨界機(jī)組鍋爐省煤器管材為研究對象,通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線壁厚監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法驗(yàn)證并校正受熱面磨損量計(jì)算模型,以實(shí)現(xiàn)對省煤器管材狀態(tài)監(jiān)測能力的提升。

1 機(jī)組設(shè)備情況

某電廠670 MW超臨界鍋爐為一次中間再熱直流爐,采用平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒方式,設(shè)計(jì)煤種為煙煤。爐內(nèi)省煤器的部分設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)見表1,其中管材的管徑、初始壁厚、材質(zhì)、管材所處煙道的截面積與管材節(jié)距由省煤器圖紙獲得,煙氣流速、煙氣溫度等在線數(shù)據(jù)由電廠分散控制系統(tǒng)(DCS)采集獲得,管材平均磨損量由電廠提供的壁厚離線檢測數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

表1 省煤器設(shè)計(jì)參數(shù)與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

該省煤器管材在2018年至2022年的每兩年的平均磨損量相差不大,未見隨壁厚減薄磨損速率顯著增加的情形,符合管材磨損的一般規(guī)律[1]。該鍋爐服役12年以來省煤器曾發(fā)生過管材壁厚嚴(yán)重減薄并引起泄漏的事故(見圖1),對機(jī)組的正常生產(chǎn)運(yùn)行造成影響,事后經(jīng)專業(yè)人員檢測認(rèn)為是飛灰磨損所致。因此,準(zhǔn)確表征該機(jī)組省煤器管材磨損狀況對于保障機(jī)組的安全生產(chǎn)具有實(shí)際意義。

圖1 管材磨損部位照片

表2、表3分別給出了煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)與灰成分分析數(shù)據(jù),該鍋爐設(shè)計(jì)、校核煤種均為晉北煙煤,實(shí)際燃用煤種以漳平煙煤為主,三類煤種的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Vdaf)均超過30%,符合典型煙煤特征。其中,實(shí)際煤種的哈氏可磨性指數(shù)(HGI)僅為52.70,為三者中最低,其灰分收到基質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Aar)達(dá)到24.25%,灰成分分析結(jié)果則表明實(shí)際煤種的灰分中含有較多的硅與堿土金屬元素的化合物,因此實(shí)際煤種燃燒產(chǎn)生的煙氣中的飛灰濃度較高,灰顆粒硬度與粒度較大,更易造成省煤器管材的磨損。

表2 煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)

表3 灰成分分析數(shù)據(jù)

2 磨損量計(jì)算方法

根據(jù)目前掌握的670 MW超臨界參數(shù)鍋爐的煤種、灰成分及省煤器管材的相關(guān)參數(shù)種類,對現(xiàn)有計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化,忽略影響較小的參數(shù),并且調(diào)整部分經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的取值方法。得到優(yōu)化后的公式為:

(1)

式中:δ為管材磨損量,mm;a為煙氣中飛灰的磨損系數(shù);η為撞擊頻率因子;m為抗磨性系數(shù);f為煙氣中的飛灰質(zhì)量濃度,g/m3;βf為飛灰濃度修正系數(shù);ω為飛灰流速,m/s;βω為煙氣流速修正系數(shù);n為煙氣流速系數(shù),一般取3.3～4;τ為磨損時間,h;Ct為壁溫修正系數(shù);R90為煤粉細(xì)度。

以上數(shù)據(jù)的取值需要綜合考慮目標(biāo)爐型及其燃用煤種。此外,曾有研究人員使用相關(guān)公式對某200 MW亞臨界鍋爐省煤器的磨損量進(jìn)行計(jì)算[9],認(rèn)為公式具有一定可靠性,但在本文中屬于首次將其用于超臨界鍋爐省煤器磨損量的計(jì)算。

3 磨損量計(jì)算與校正

3.1 磨損量計(jì)算

一般情況下,省煤器前排管受到的煙氣流速沖擊最大,管壁的磨損速率最快,因此以首排管為例計(jì)算管材壁厚磨損速率,該值可用于評估省煤器管材在最惡劣工況下的磨損狀況。

所研究的670 MW超臨界鍋爐省煤器管組懸吊布置在尾部后煙道內(nèi)的低溫過熱器下方,省煤器采用H形鰭片管,管子規(guī)格為Φ44.5×7,材質(zhì)為SA-210C低碳鋼。計(jì)算過程中,煙氣流通截面積取75 m2,煤種的R90為16%,煙氣中飛灰的磨損系數(shù)為1.4×10-8,飛灰顆粒的平均粒徑取2×10-6m,管壁的金屬抗磨性系數(shù)取1.0。煙氣流速系數(shù)與管材材質(zhì)相關(guān),對于碳鋼,煙氣流速系數(shù)一般取3.3,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取自鍋爐設(shè)計(jì)說明書。求得首排管截面處的煙氣流速為10.53 m/s,磨損速率為6.72×10-5mm/h,按照年運(yùn)行時間為5 000 h計(jì)算,兩年的磨損量為0.67 mm。

3.2 磨損量比較

將電廠鍋爐專業(yè)金屬監(jiān)督臺賬中獲取的部分省煤器管材的壁厚檢測數(shù)據(jù)換算為管材磨損數(shù)據(jù)(以下稱為磨損量實(shí)測值),再與通過模型計(jì)算得到的這些管材所在管排處的磨損量計(jì)算值進(jìn)行對比,評估計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。部分管材的磨損量實(shí)測值、計(jì)算值及二者的誤差率(磨損量計(jì)算值與實(shí)測值之差的絕對值與磨損量實(shí)測值的比值)列于表4。

表4 省煤器部分管材磨損量的實(shí)測值與計(jì)算值統(tǒng)計(jì)

由表4可知:省煤器管材磨損量計(jì)算值明顯低于各排管材的磨損量實(shí)際值,誤差率的平均值達(dá)到18%,并且位于所處尾部煙道前段的管材磨損量計(jì)算值較大,誤差率更高,其中第24屏第1管(即首排管)的磨損量計(jì)算值與其誤差率分別達(dá)到0.62 mm和22.5%,二者皆為同項(xiàng)最大值。上述情形是由省煤器前排管束受到更多的高速灰粒碰撞,這些部位的磨損速率更快所致。同時,發(fā)生嚴(yán)重磨損的管排位置與管束間節(jié)距密切相關(guān),當(dāng)管束間節(jié)距與管徑之比為2時,省煤器管束的嚴(yán)重磨損段出現(xiàn)在前10排[13],并且隨著節(jié)距的增大,嚴(yán)重磨損段將逐漸后移,這與該鍋爐省煤器的磨損狀況基本符合。隨著管排與省煤器煙道進(jìn)口距離的增大,飛灰濃度會相對地減少,飛灰顆粒對管材的沖擊速度降低,管材磨損速率減小,因而磨損量計(jì)算值與實(shí)測值的誤差率也逐漸減小至12%。

因此,兩類磨損數(shù)據(jù)之間存在較大誤差的主要原因是磨損量計(jì)算模型對于處于尾部煙道不同位置的管材磨損速率的表征能力不足,導(dǎo)致磨損計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)的磨損規(guī)律與管材嚴(yán)重磨損段等實(shí)際情形存在偏差。為提高模型表征能力,提升計(jì)算精度,采用兩類校正方法對磨損量計(jì)算值進(jìn)行修正。

3.3 磨損量修正

3.3.1 計(jì)算結(jié)果修正法

開發(fā)的磨損量計(jì)算結(jié)果修正法流程見圖2,需要設(shè)定誤差率允許上限[9]。

圖2 磨損量計(jì)算結(jié)果修正法流程

若磨損量計(jì)算值與實(shí)測值的誤差率高于誤差率允許上限,則將磨損量實(shí)測值與計(jì)算值的比值代入式(1)中,得到:

δ′=δl

(2)

式中:δ′為使用計(jì)算結(jié)果修正法得到的磨損量計(jì)算值;l為磨損量實(shí)測值與計(jì)算值之比。

表5為省煤器管材磨損量實(shí)測值與修正后的計(jì)算值對比。經(jīng)上述方法修正后各管材的磨損計(jì)算值與實(shí)測值的誤差率均低于10%,平均誤差率約為3.2%,表明針對性地修正磨損量計(jì)算值對于準(zhǔn)確表征管材磨損狀況具有實(shí)際意義。

表5 省煤器管材磨損量實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果修正法的計(jì)算值對比

3.3.2 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法

采用磨損量計(jì)算結(jié)果修正法可以有效地提高計(jì)算結(jié)果的精度,但是并未使機(jī)理模型本身的表征能力得到實(shí)質(zhì)性的提升。因此,開發(fā)了通過修正式(1)中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)磨損量計(jì)算值與實(shí)測值趨于一致的方法。式(1)中磨損量計(jì)算值與煙氣流速系數(shù)之間呈正相關(guān),該系數(shù)取決于管材材質(zhì),一般為3.3～4,在計(jì)算首排管磨損量時將其取為3.3。故根據(jù)計(jì)算值低于實(shí)測值的情形,計(jì)算了煙氣流速系數(shù)大于3.3時的多種情形。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正后的計(jì)算結(jié)果誤差率統(tǒng)計(jì)見表6,煙氣流速系數(shù)分別為3.30、3.38、3.40時,對應(yīng)的磨損量計(jì)算值與實(shí)測值的平均誤差率分別為18.04%、3.14%、10.43%。

表6 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正后的計(jì)算結(jié)果誤差率統(tǒng)計(jì)

通過在合理范圍內(nèi)調(diào)整磨損量計(jì)算模型中的煙氣流速系數(shù),可以有效地提升模型的表征能力,進(jìn)而提高計(jì)算精度,并且在不斷增大煙氣流速系數(shù)的過程中,存在使管材磨損量計(jì)算值與實(shí)測值的絕對誤差平均值最小的情形。當(dāng)煙氣流速系數(shù)取3.38時,平均誤差率可以降至3.14%,優(yōu)于計(jì)算結(jié)果修正法的修正結(jié)果。

3.3.3 實(shí)際驗(yàn)證

為驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法相比于計(jì)算結(jié)果修正法的修正效果是否更優(yōu),并且是否具有一定的普適性,選取同廠另一臺670 MW超臨界鍋爐的省煤器管材磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,該鍋爐省煤器的管徑、壁厚、材質(zhì)等結(jié)構(gòu)參數(shù)與前述省煤器一致。選取具有連續(xù)批次壁厚檢測數(shù)據(jù)的管材計(jì)算其近一個檢修周期內(nèi)的磨損量,再分別采用2種修正方法進(jìn)行優(yōu)化,其中在使用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法時對煙氣流速系數(shù)重新進(jìn)行尋優(yōu)。優(yōu)化前后的磨損量及誤差率見表7,磨損量計(jì)算值(n=3.30)與實(shí)測值的平均誤差率為12.35%,采用計(jì)算結(jié)果修正法的平均誤差率為4.89%,采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法(n=3.41)的平均誤差率為3.81%。修正后的磨損數(shù)據(jù)相比于計(jì)算結(jié)果修正法所得結(jié)果更符合實(shí)際情形。通過實(shí)際應(yīng)用證明經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法是有效的,并且修正效果優(yōu)于計(jì)算結(jié)果修正法。

表7 2種修正方法的效果對比

4 結(jié)語

通過對現(xiàn)有管材磨損量計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化,給出了以鍋爐在線數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ)的簡化的管材磨損量計(jì)算模型,并且根據(jù)模型計(jì)算了某670 MW超臨界鍋爐省煤器管材的磨損量,結(jié)果表明管材磨損量計(jì)算明顯低于各排管材的磨損量實(shí)測值,并且對于越接近首排管位置的管材,二者間的誤差率越大,這與管材自身所處工況、磨損量計(jì)算模型中關(guān)鍵參數(shù)的選取和低溫腐蝕等失效問題的綜合影響有關(guān)。

為提高模型表征能力,進(jìn)而提升計(jì)算精度,采用計(jì)算結(jié)果修正法與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法降低磨損量計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差率。采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正法時,在逐步調(diào)整計(jì)算模型中煙氣流速系數(shù)的過程中,存在使管材磨損計(jì)算值與實(shí)測值的平均誤差率達(dá)到最小值的情形,此時磨損量計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差率減小至3.14%,其修正效果優(yōu)于計(jì)算結(jié)果修正法。研究結(jié)果可以為同類超臨界鍋爐省煤器壁厚監(jiān)測提供可靠依據(jù)。