623℃超超临界锅炉高温受热面壁温监测优化实践.pdf

第 4 6卷增刊 1 2 01 5年 2月 锅 炉 技术 B0I LER TECHNOLOGY Vo1 ． 4 6，S u pp l e me n t l Fe b ．，2 O 1 5 6 2 3 oC超超临界锅炉高温受热面壁温监测优化实践 卞韶 帅 ， 吕晓东 ，黄德康 ，卞志华 ，刘 平。 1 ．上海明华电力技术 工程有 限公 司，上海2 0 0 0 9 0 ； 2 ．淮沪 电力有 限公 司田集发 电厂 ，安徽 淮南2 3 2 0 8 2 摘要 田集发 电厂二期工程开展了高温受热面壁温校核计算 、 末级再 热器 出 口集箱 T9 2管接 头过渡段壁 温监测和分析 、 实施高温受热面壁温在线监测 系统 等壁 温监测优化 实践 ， 为锅炉在 再热蒸 汽温度 6 2 3℃下安 全 、 可靠 和经济运行提供 了保障 。 关键词 锅炉 ；壁温 ；氧化皮 ；在线监 测 ；再热 汽温 ；6 2 3℃ 中圈分类号 TK 2 2 2 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 ～ 4 7 6 3 2 0 1 5 S 1 0 0 4 8 0 7 0 前 言 近年 来 ， 火 电机 组 正 向着 大 容 量 、 高 参 数 的 超 超 临界 发 电技 术 方 向快 速发 展 ， 这 一 方 面能 提高机组的循环热效率 ， 降低发电能耗和污染物 排放水平 ， 但同时也可能带来高温受热面热偏差 管超 温爆 管 、 加 速管 材蒸 汽 侧 的合 金 氧 化 过程 等 问题 。 田集发电厂二期 以下简称 田集二期 工程 机组作为国内首 台再热汽温达 6 2 3℃ 的高效超 超 临界机组 ， 其设计方案经论证是可行的， 但 由于超 超 临界机组存在锅炉燃烧偏差、 蒸汽侧 氧化皮生成与剥落等难点 ， 要获得成功 的工程实 践 ， 必 须 开 展 系 列 相 关 的 理 论 论 证 、 试 验 研 究 工作 。 为 了确保 再 热 出 口蒸 汽 温 度 提 高 至 6 2 3℃ 后锅 炉 的安全稳 定 运行 ， 首 先 要求 锅 炉 设 计 时正 确计算壁温和管子壁厚 ， 并能 留有足够的安全裕 度 ； 其次 ， 需要确保 锅炉在运行中保持合理 的热 偏差 和管 子壁温 。为此 ， 田集 二期 工 程 首 先 开展 了高温受热面的壁温校核计算工作 ， 其 目的就是 分析锅炉在运行过程 中存在 的危险点并 与设计 计算做比较， 也为壁温测点布置方案调整提供依 据。同时针对末级再热器出 口集箱 T9 2管接头 过渡段进行了专 门的壁温监测和分析； 通过建立 高温受热面壁温在线监测系统， 实时监测受热面 的炉内管子的管壁、 汽温度分布 ， 可指导运行 ， 进 行相应运行参数的调整 ， 为锅炉再热出 口蒸汽温 度 6 2 3℃下安全稳定运行提供保障。 1 基本 理论模 型简 介 1 ． 1高温 受热面 壁温在 线 监测方 法 高温受热面炉内汽 、 壁温的计算方法是在线 监 测 系统 的基 础 。大 型 电站 锅 炉 高 温受 热 面 的 管屏 大多是 由若 干并 联 多 套管 组 成 的 ， 其换 热 方 式十分复杂， 有对流换热 以及屏 间烟气 、 炉膛烟 气 或 管屏前 烟气 空 间 、 内 圈管处 小 烟 室 和屏 后 烟 气空 间对管 屏 的辐射 换 热 等 ， 而且 这 些 热 量对 各 排管 子 的分 配 也 有 很 大 的不 均 匀 性 。某 管 段 A 受到 的吸热 量可 能为 以上几 种热量 之 和 。即 Q 一Qf h f 0 r Qfb ⋯ Qd Qf a n e ， Qf h Q ” 1 式 中 Q 炉 膛 烟气 或 管 屏 前 烟 气 空 间 的 辐射 换热 ， k J ／ k g ； Q 管屏间烟气的辐射换热， k J ／ k g ； Qd 对 流换热 ， k J ／ k g ； Q 管 屏 后 烟 气 空 间 的 辐 射 换 热 ， k J ／ k g ； Q f 管 屏 下 烟 气 空 间 的 辐 射 换 热 ， k J ／ k g ； Q 内 圈 管 处 小 烟 室 的 辐 射 换 热 ， k J ／ k g 。 已知管 段 A 的进 口汽温 及 管段 A 的蒸 汽 流 量即可得出管段 A的出 口汽温 。高温受热面某 收稿日期 2 0 1 40 71 5 作者简介 卞韶帅 1 9 7 7 一 ， 男。 硕士 ， 高级工程师 ， 主要从事火 电厂锅炉高温受热面安全性 能监测等方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增刊 1 卞韶帅 ， 等 6 2 3℃超超 临界锅炉高温受热 面壁温监测优化实践 4 9 片屏 中任意一根管子是 由若 干不 同种类 的管段 串联 而成 的 ， 这些 管 段 可 能处 于 首 排管 、 末排 管 、 中 问管 、 紧贴 管 、 悬 空 管 或 两 边 节 距 不 等 的各 种 不 同传热 特 性 的管 段 等Ⅲ 。这 根 管 子 的 总 吸 热 量 即为各种 类型 管段 的吸热 量之 和 。 而管子中某一截面处沿周 向热负荷最大点处 的炉内管壁金属 温度 管壁热阻均分点 的温度 为 1 1 一 q ⋯ O 『 j 玄 2 式 中 一 一 计算 截 面的管 内蒸 汽温度 ，℃ ； I9 管径 比 ； 均流 系数 ； 一一 管壁 厚度 ， r f l ； 管材的导热系数 ， k J ／ [ m。 h K3 ； a 计算 点 管 内 蒸 汽 对 管 壁 的 放 热 系 数， k J ／ [ m h K ] ； q ⋯ 计 算 点 上 管 子 外 壁 周 界 最 大 热 负 荷 ， k J ／ I n h 。 这样 ， 根据 锅炉 外代 表 性 的测 点所 反 映 的实 时 工况 ， 通 过对 受热 面 传热 和 水 动 力特 性 的精 密 计算 ， 就 可 以在 线得 到 锅 炉 内每 根 管子 沿 长 度 的 壁 温和汽 温分 布l_ 2 ] 。另 外 ， 高 温 受 热面 蒸 汽 侧 氧 化皮 的增厚 将导 致 管 壁导 热 性 能 的恶 化 ， 使 管 壁 的运 行温 度提 高 。因此 ， 壁 温 在 线计 算 中亦 必 须 考虑 氧化皮 厚度 分布 对管 壁温度 的影 响 。 1 ． 2 高温 受热 面氧化 皮 生长模 型 高温受热面管内蒸汽氧化生成的氧化物可分 为靠近基 材 的 F e - C r 尖 晶层 ， 其 上 的 F e 。 O 4 层 ， 最 外 的不 连续 的 F e O。 层 。一般 可 把合 金 蒸汽 氧 化 皮看 作 双 层 ， 即 内 层 的 F e - C r尖 晶 层 和 外 层 的 F e 。 4 层 。氧化皮的生长规律Ⅲ可表述为 d 。 一 1 ／ y k 2 k 。 k t 3 口 k 。 一 AP 而 4 式 中 Y 氧 化皮 内外 层厚度 比例 因子 ， 一 般 取 1 ， 可 根 据 现 场 割 管 扫 描 电 镜 分 析 修 正 ； 愚 。 压 力修 正 因 子 ， 与 蒸 汽 压 力 有 关 ， 根 据 实验及 现 场数据 拟和 ； k o ． 温 度相关 的 比例常 数 ； A Ar r h e n i u s 常数 ， 与材料 的抗 氧化性 有 关 ， 根据 实验及现场数据 获取 ， m／ h ； Q 激 活能 ， 与 材 料 的抗 氧 化 性 有 关 ， 根 据 实验及 现 场数据 获取 ， k J ／ mo l ； R通用气体常数 ， k J ／ too l K ； ，f 氧化皮 生长 温度 ， K； t 氧 化皮 生长 时 间 ， h ； 氧 化皮 生长 速率指 数 ， 一般 可 按抛 物 线 规律取 2 。 值 得 注意 的是 氧 化 皮 生 长 温 度 采 用 氧 化 皮 表面 温度更 为合 适 。 考 虑 到氧化 皮厚 度模 型计 算 时 需 要 初始 化 ， 另外也 需 要 通 过 检 修 测 厚 等 机 会 对 模 型进 行 完 善 修正 ， 以提 高 模 型预 测 的 准确 度 。对 式 3 两 边 求微 分 ， 经 整 理 ， 可 得 氧化 皮 厚 度 的 计 算 模 型 表述式 为 d 。 ． 1 一 1 ／ y k 。 { 丽 1 ／ y k 2 x △ ] ～ ‰ ／ 式 中 d 。 m ～一 第 k次 计算 的氧 化皮厚 度 ， m； d ㈩ 厂一 第 k 1 次 计 算 的 氧 化 皮 厚 度 ， l z m； A t 第 忌 1 次计算 与 第 k次计算 间 的时间 间隔 ， h 。 其余参数说明见式 3 。 1 ． 3 高 温受热 面 氧化皮应 力在 线计 算模 型 高 温 受 热 面 管 内壁 氧化 皮 中 的主 要 应 力 状 态可 表述 为_ 5 ] 盯 总一 外 部 应 力 生 长 应 力 温 变 应 力--a rg j 3 6 式 中 d 外 部 应 力 一来 自运 行过 程 的外部 应 力 ， 如 内 部蒸 汽压力 ， MP a ； 生 长 应 力一 一合金 蒸 汽 氧 化 过程 本 身 产 生 的 应 力 ， 包括本 征 生长应 力 和几 何 生长应 力 ， 本 征 生长应 力 需要 通 过 实验 测得 ， 几何 生长 应 力则 可 以通 过相应 模 型计算 ， MP a ； 口 温 变 应 力 一 一 在 温 变 过 程 中， 由 于 氧 化 物 各 层 、 基 材 间不 同的热膨 胀 系数 而 产生 的应力 ， MP a ； 蠕 变 释 放 应 力 一 一 由基 材 或 氧 化 皮 在 时 问 相 关 的 蠕变 变形 中产 生的应 力 ， MP a 。 按 照 汽 、 壁 温 的 在 线 监 测 方 法 ， 每 根 锅 炉 管 子按 材质 、 弯 头 等分 为 若 干 个 计 算 点 ， 每 个 计 算 点既 是汽 、 壁温 计算 点 也是 应 力 、 应 变 计 算 点 ， 计 算点 的截 面几何 模 型如 图 1 所 示 对氧化皮 应 力计 算 模 型 进 行 了适 当 的简 化 。 整个模 型包含 3层 ， 即从 烟 气 侧 到蒸 汽侧 分 别 为 合金基 材 、 F e ～ C r 尖 晶层 ，F e 。 O 与 F e O 。 合 层 。 考虑每一层都为厚度一致、 成分均匀的单层结构。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉技术 笫 4 6卷 考 虑到 F e 。 一般 不连续 成一层 ， 最 内层 按 F e 。 O 和 F e 。 合 层考 虑 ， 其 热膨 胀 系 数 等 参 数 均 根据 F e 。 和 F e 。 的比例取相应参数 的加权 平均值 。 本文暂不考 虑 塑性 变 形 以及 蠕 变效 应 的影 响 ， 假 设 金属 和氧化皮均 为始终 处 于弹性 阶 段 的各 向同 性 材料 。对于 温度 场 温 变场 、 氧 化皮 几 何 尺 寸 可按上文 模 型先 行计 算 。这 样 ， 基 于 热 弹性 力 学 理论进行建 模并可求 出应力场 的解 析解 j 。 图 l 氧化皮应力计算模型 2 高温受热面壁 温校核计算分析 通 过 高温 受 热 面 壁 温 核算 能够 更 深 入 的 了 解其 设计特 性及 薄 弱环 节 ， 找 出其 在 运行 过 程 中 可能 存在 的危 险点 ， 并 为壁 温测 点 布 置 方案 提 供 依据 。本文 对 田集二 期 工程 末 级 过热 器 、 末 级 再 热器 的 同屏与屏 间 流量 偏 差 、 同屏 与 屏 间热 偏 差 分布 进行 了计算 ， 根 据 经验 的烟 气 侧 吸热 偏 差 分 布 ， 核算 了偏差 屏各 工况 下 的 汽 、 壁 温分 布 ， 并 与 设计 计算结 果 比较 ， 以评 估 材料 强 度 及蒸 汽 侧 氧 化皮 脱落 概率 等 。 由于篇 幅关 系 ， 下 文 仅列 出末 级 过 热器 和 末 级再 热器 的的危 险点 。末级 过 热 器偏 差 屏 热 负 荷偏 差 1 ． 2 ， 流 量 偏 差 1 ． 0 ， 约 在 左 侧 第 1 4屏 左 右 危 险管 子各计 算点 壁温核 算结果 如 图 2 。 计算点位置， m 蒸汽进 口一 出 口 图 2 末级过热器偏差屏第 7 根壁 、 汽温分布 1 0 0 BM CR 末级 再热 器偏 差屏 热负 荷偏 差 1 ． 2 ， 流量偏 差 1 ． 0 4 5 ， 约在 左侧第 5 屏 左右 危 险管子 壁 温校 核计算 结果 如 图 3 。 计算点位置／ m 蒸汽进 口一 出口 图 3 末级再热器偏差屏第 1根壁 、 汽温分布 10 0 BM CR 经过 计算 分析得 出以下结论 1 田集 二 期 工程 锅 炉 末 级过 热 器 、 末 级 再 热 器在设 计 上 通 过 将 外 圈管 采 用 内径 较 粗 的管 子 ， 中间吸 热量 较 小 的管 子 采用 较 细 的 管 子 ， 通 过 各管之 间 的流量 偏 差来 补偿 吸热 方 面 的偏 差 ； 将末 级再 热 器 冷 段 的外 圈管 与 热 段 的 内 圈 管 交 换等措施 ， 起到了减小 同屏热偏差 的作 用 ， 理论 同屏 热偏 差均 可控 制在 1 ． 1 5以内 。 2 田集二 期 T程 锅 炉 末 级 过热 器 、 末 级再 热器在设计上通过选择适合 的集箱／ 三通直径 和 集箱的引入、 引出方式 ， 屏间流量偏差较小 ， 各屏 之 间流量 分布 较均 匀 。 3 根据制 造厂提供 的壁温计算 书分析 ， 高温 过热器 的设 计屏 问热偏 差 含蒸汽 侧流 量偏 差 在 1 ． 1 7左右 ， 末级再 热 器 的设计 屏 间热偏 差 在 1 ． 1 5 左右 。 4 在 B MC R工况、 烟气侧热负荷偏差 1 ． 2 、 蒸 汽侧流 量偏 差 1 ． 0的情 况下 ， 末级 过 热 器偏 差 屏 第 7 ～8根 的第 6计算 点 HR 3 C 4 2 X 7 壁 温 已 接 近其允 许 的最高值 ， 其壁 温裕 量较小 。 5 在 B MC R工 况 、 烟气侧 热负荷 偏差 1 ． 2 、 蒸 汽侧流 量偏差 1 ． 0 4 5的情 况 下 ， 末 级 再 热 器偏 差 屏第 1 、 4根 的第 1 6计 算 点 T9 2管接 头 6 3 ． 5 mm6 ． 5 mm 壁 温 已接 近 AS ME 标 准 规 定 的 T9 2材料最 高许 用温度 6 5 0℃ 。 6 考虑需 要一 定 的壁温 裕 度 ， 锅 炉运 行 时 ， 末级过热 器屏 问烟 气侧 热 负荷 偏 差宜 控 制 在 1 ． 2 以下 ； 末级再热 器屏间烟气侧热 负荷偏 差需要控 制 在 1 ． 2以下 。 田集 二期 工 程 对 锅 炉末 级 再 热 器 炉 外 壁 温 测点 的布 置也做 了优 化 ， 主 要包括 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增刊 1 卞韶帅 ， 等 6 2 3℃超超临界锅炉高温受热面壁温监测优化实践 1 沿 炉膛 宽度方 向 ， 末 级再 热器 所 有 8 2排 管 屏 的 1号管 全部 安 装 壁温 测 点 ； 除在 炉宽 左 右 各 1 ／ 4位置安 装 1片 全管 屏 壁 温测 点 外 ， 同时 依 据 兀 型锅炉 的烟 温偏差 经验 ， 在烟 温较 高 的左侧 增选 2片全管屏 壁温 测点 。 2 壁温 测点 安装采 用 了优化 的集 热块 结 构 和安装 工艺 。 3末级再 热器 出 口集箱 T 9 2过渡 段 的壁 温 监 测 与分 析 田集 二 期 工 程 末 级再 热 器 出 口散 管 材 质 已 经 提升 为 S A一2 1 3 S u p e r 3 0 4 H， 末级 再 热 器 出 口 集箱 为 P 9 2材 料 ， 受 限于 焊 接 工 艺 ， 集 箱 接 管 座 过 渡段 只能 采用 T9 2材料 ， 因此末 级 再热 器 炉 外散 管 和 集 箱 之 间 的 T 9 2管 接 头过 渡 段 是 影 响 受热 面安 全 的最 薄 弱 环 节 。末 级 再 热 器 出 口集 箱管 接头 的壁 温变 化 比较 复 杂 ， 取 决 于管 子 射 流 与集箱主流 的流速 比值、 集箱结 构尺寸等 ， 需要 进行试 验 与理论 研究 。 田集二期 锅 炉 在 T 9 2过 渡 段 增 加 了 临时 壁 温测 点 ， 安 装 在 烟 温 较 高 的 左 侧 管 屏 上 ， 在 代 表 管 子 的管接头 到集 热块 固定壁 温 测 点 间安装 了 4 个 临时 测 点 。临 时 壁 温 测 点 用 热 电偶 丝 直 接 碰 焊在 管壁 上 ， 具有 较 高 的 测 量精 度 经 校 准 测 试 其误 差绝对 值 均 小 于 2℃ ， 这 样 既 可 检 测 过 渡 段 T9 2 管 壁温 度 ， 又可对 比集 热 块 固定 测点 的壁 温测值 。 由 图 4 ～ 5 的 实 际 试 验 结 果 表 明 1 在启 动初期 ， T9 2材料 的壁 温 比上 游 S u p e r 3 0 4 H 集热 块 壁温 测点要 低 2 O℃ ～ 3 O℃ 左 右 ， 但 随 着 再热 蒸 汽压 力及 流量 的增 加 ， 这 个差 值 越 来 越 小 直至 两 者基 本相 同 ， 这 与锅 炉 启 动初 期 再 热 器 流量 小 有关 。同时也说 明集热块壁温测 点安装符合要 求 ， 所测 出壁温数值是准确 的。 2 末级再热器 出 口集箱 管 接 头 壁 温 与管 子正 常 壁 温 测 点 间 的 温差 很小 5℃ ， 末 级 再 热器 出 口集 箱 管 接 头 强度 校核 时 应 按 末 级 再 热 器 各 管 的 最 高 出 口汽 温 在考虑 热偏 差 的情 况 下 进 行核算 。 图 4 启动过程 中第 5屏第 1根壁温变化趋 势 图 5 6 6 0 Mw 运行过程中第 5 屏 第 1根壁 温变 化趋 势 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m