鍋爐蒸汽側(cè)氧化膜對(duì)過(guò)熱器金屬壁溫的影響分析

姚余善，李代智，周克毅

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096；2.江蘇省工程咨詢中心，江蘇南京210003）

鍋爐蒸汽側(cè)氧化膜對(duì)過(guò)熱器金屬壁溫的影響分析

姚余善1，李代智2，周克毅1

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096；2.江蘇省工程咨詢中心，江蘇南京210003）

針對(duì)大型燃煤鍋爐高溫受熱面沿寬度方向受熱不均從而引發(fā)受熱面超溫的問(wèn)題，以某600 MW超臨界燃煤鍋爐末級(jí)過(guò)熱器為研究對(duì)象，結(jié)合高溫受熱面蒸汽側(cè)氧化膜生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)熱偏差計(jì)算，分析了氧化膜的生長(zhǎng)對(duì)金屬壁溫的影響。結(jié)果表明：蒸汽側(cè)氧化膜的生長(zhǎng)引起管壁溫度不同程度地升高，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致過(guò)熱器局部區(qū)域超溫運(yùn)行，從而降低了金屬高溫蠕變斷裂壽命，因而熱偏差計(jì)算中必須考慮氧化膜對(duì)金屬壁溫的影響。

氧化膜；壁溫；熱偏差；蠕變斷裂壽命

超臨界和超超臨界鍋爐過(guò)熱器和再熱器超溫和管內(nèi)產(chǎn)生的氧化膜嚴(yán)重影響了鍋爐的安全運(yùn)行，氧化膜的脫落造成受熱管堵塞已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了機(jī)組的安全運(yùn)行［1］；氧化膜的生長(zhǎng)造成管外壁溫升高，縮短了受熱面管材蠕變斷裂壽命［2］，因此對(duì)現(xiàn)代大容量電站鍋爐熱偏差計(jì)算以及壁溫計(jì)算中考慮氧化膜的生長(zhǎng)是非常必要的。通常熱偏差計(jì)算以及壁溫計(jì)算模型中沒(méi)有考慮蒸汽側(cè)氧化膜［3-5］，而研究表明氧化膜對(duì)爐管溫度存在一定的影響［2］，同時(shí)氧化膜的生長(zhǎng)與各界面溫度之間存在一定的聯(lián)系［6］。文中針對(duì)整個(gè)過(guò)熱器管屏結(jié)合氧化膜進(jìn)行熱偏差計(jì)算分析，根據(jù)具體情況進(jìn)行壁溫影響分析，其結(jié)果也更加貼近實(shí)際運(yùn)行。

1　模型建立

1.1研究對(duì)象

以600MW超臨界直流鍋爐為計(jì)算對(duì)象，采用四角切圓燃燒方式，末級(jí)過(guò)熱器位于折焰角上方，管屏結(jié)構(gòu)如圖1，同時(shí)為方便熱偏差計(jì)算及壁溫計(jì)算對(duì)管屏進(jìn)行分段，分段點(diǎn)為A點(diǎn)至I點(diǎn)，其中A點(diǎn)為蒸汽進(jìn)口點(diǎn)，I為蒸汽出口點(diǎn)，C點(diǎn)為變徑點(diǎn)，末級(jí)過(guò)熱器管屏材質(zhì)均為T(mén)91。末級(jí)過(guò)熱器進(jìn)出口煙溫、蒸汽溫度以及管子的結(jié)構(gòu)和性能等參數(shù)如表1所示。

圖1　末級(jí)過(guò)熱器壁溫計(jì)算分段點(diǎn)

表1　末級(jí)過(guò)熱器BMCR工況下基本參數(shù)

末級(jí)過(guò)熱器共有30個(gè)管屏，從煙道左側(cè)至右側(cè)分別標(biāo)記為1至30號(hào)管屏；每個(gè)管屏共有20根管圈，從外管圈至內(nèi)管圈分別標(biāo)記為1至20號(hào)管。

1.2假設(shè)條件

為方便計(jì)算分析，做如下假設(shè)：

（1）認(rèn)為管材與氧化膜結(jié)合良好，同時(shí)氧化膜無(wú)剝落現(xiàn)象；

（2）不考慮管道基體以及氧化膜由于受熱膨脹而產(chǎn)生的顯微結(jié)構(gòu)變化；

（3）認(rèn)為管道受熱均勻，對(duì)管道周向受熱不均做修正；

（4）近似認(rèn)為氧化膜的生長(zhǎng)過(guò)程中體積為被腐蝕金屬基體體積的2倍［7］。

1.3熱偏差計(jì)算模型

熱偏差計(jì)算采用常見(jiàn)的計(jì)算模型，屏間流量和同屏流量計(jì)算分別采用文獻(xiàn)［8，9］介紹的方法，圖1所示各分段管的焓增計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］，各分段點(diǎn)壁溫計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)［11］。

1.4氧化膜生長(zhǎng)模型

對(duì)于T91鋼，根據(jù)美國(guó)電力研究院（EPRI）報(bào)告［7］蒸汽側(cè)氧化膜在等溫條件下生長(zhǎng)規(guī)律如下：

式中：δox為氧化膜厚度，mm；t為氧化時(shí)間，h；A為Arrhenius常數(shù)；Q為激活能；R為通用氣體常數(shù)；Tgy為氧化生長(zhǎng)溫度，K。

蒸汽側(cè)氧化膜提高了傳熱熱阻，但是工質(zhì)傳熱過(guò)程中，煙氣側(cè)傳熱熱阻較大，通過(guò)適當(dāng)提高煙溫可以保證傳熱熱流密度不變，從而確保工質(zhì)吸熱。圖2為曲線ABC和曲線ADE分別為T(mén)1和T2定溫條件下氧化膜生長(zhǎng)曲線。0～τ1時(shí)刻氧化溫度為T(mén)1，氧化膜沿著曲線AB生長(zhǎng)，氧化膜厚度為δ1；傳熱熱流密度相同時(shí)，τ1時(shí)刻氧化膜厚度為δ1氧化溫度上升為T(mén)2，此時(shí)氧化膜沿著DE曲線生長(zhǎng)，將DE曲線平移則為BF曲線，氧化膜生長(zhǎng)隨時(shí)間沿著ABF曲線生長(zhǎng)，后續(xù)生長(zhǎng)以此類(lèi)推，計(jì)算過(guò)程如下：

其中：τ'2=τ'1+（τ2-τ1）。

圖2　氧化膜厚度計(jì)算原理

1.5蠕變斷裂壽命預(yù)測(cè)模型

根據(jù)歐洲蠕變合作委員會(huì)（ECCC）對(duì)T91合金的蠕變斷裂特性的研究，T91受熱管的蠕變斷裂壽命與溫度和應(yīng)力的關(guān)系為［12］：

式中：tr為蠕變斷裂壽命，h；T為鋼材使用溫度，℃；σ為等效應(yīng)力，MPa。

文中選取最大剪切應(yīng)力強(qiáng)度理論公式來(lái)計(jì)算管道內(nèi)壁實(shí)際等效應(yīng)力［13］：

式中：β為外徑和有效內(nèi)徑的比值。為了保守計(jì)算管材的蠕變斷裂壽命，鋼材的使用溫度T選取計(jì)算點(diǎn)的外壁溫。

2　氧化膜生長(zhǎng)對(duì)管壁溫度的影響

2.1熱偏差計(jì)算分析

機(jī)組沿?zé)煹缹挾葻嶝?fù)荷不均勻分布曲線根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況改變，文中為保守計(jì)算壁溫，沿?zé)煹缹挾葻嶝?fù)荷不均勻選擇中間高兩邊低對(duì)稱分布，采用文獻(xiàn)［14］介紹的擬合公式，最大和最小熱負(fù)荷不均勻系數(shù)分別取1.15和0.85。

根據(jù)熱偏差計(jì)算模型計(jì)算得出整個(gè)過(guò)熱器管屏各分段點(diǎn)工質(zhì)與壁溫分布，熱偏差計(jì)算表明15號(hào)屏外管圈熱偏差最大，重點(diǎn)分析15號(hào)屏外管圈。圖3為15號(hào)屏外管圈工質(zhì)與壁溫溫度分布，可以看出工質(zhì)溫度隨著流動(dòng)方向逐漸升高，內(nèi)外壁金屬溫度沿管長(zhǎng)除點(diǎn)F外呈上升趨勢(shì)。金屬壁溫主要與工質(zhì)溫度有關(guān)，同時(shí)受熱流密度、工質(zhì)流速、材料導(dǎo)熱系數(shù)以及壁厚的因素影響。CD段位于變徑點(diǎn)以后，內(nèi)徑變小使得流速變快工質(zhì)側(cè)傳熱系數(shù)變大，因而增大對(duì)內(nèi)壁的冷卻效果，但是管壁變厚也使得熱阻變大，因而CD段由于吸熱以及熱阻變大雙重效果使得外壁溫升高幅度較大。EF段位于管圈折彎的后半段，煙氣與管段不是橫向沖刷對(duì)流放熱系數(shù)較小，同時(shí)煙溫較之前管段突然降低因而內(nèi)外壁溫出現(xiàn)下降，F(xiàn)點(diǎn)內(nèi)外壁溫受煙溫下降影響出現(xiàn)壁溫下降現(xiàn)象。文中熱偏差計(jì)算和壁溫計(jì)算計(jì)算結(jié)果合理，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及類(lèi)似機(jī)組的結(jié)論相似［15，16］，驗(yàn)證了熱偏差計(jì)算以及壁溫計(jì)算的準(zhǔn)確性，為后續(xù)蒸汽側(cè)氧化膜生長(zhǎng)計(jì)算和金屬壽命預(yù)測(cè)提供了基本保證。

圖3　15號(hào)屏外管圈工質(zhì)與壁溫分布

2.2氧化膜生長(zhǎng)預(yù)測(cè)

氧化膜厚度采用表2所示時(shí)間間隔逐步進(jìn)行計(jì)算，符合氧化膜生長(zhǎng)呈現(xiàn)出先快后慢的生長(zhǎng)規(guī)律。

表2　逐步計(jì)算時(shí)間間隔以及總時(shí)間

圖4、圖5分別為E點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)氧化溫度以及氧化膜隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可以看出氧化溫度的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出先快后慢逐漸趨緩的趨勢(shì)，圖5可以看出前3000 h氧化膜厚度成指數(shù)型快速增長(zhǎng)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)氧化膜生長(zhǎng)速度逐漸趨緩。由式（1）可得累計(jì)運(yùn)行時(shí)間一定時(shí)，氧化溫度Tgy越高則氧化膜厚度值δox越大，因而從圖5看出同一時(shí)間氧化溫度越高處氧化膜厚度越厚，I點(diǎn)氧化溫度最高氧化膜生長(zhǎng)也最快，經(jīng)過(guò)40 000 h的累計(jì)運(yùn)行，E點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)氧化膜厚度分別達(dá)到0.147mm，0.172mm，0.195mm。

圖4　15號(hào)屏外管圈E點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)氧化溫度變化

圖5 15號(hào)屏外管圈E點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)氧化膜生長(zhǎng)

圖6可見(jiàn)氧化膜的導(dǎo)熱性能較差造成外壁溫升高，起初氧化膜生長(zhǎng)較快導(dǎo)致外壁溫升高也較快，隨著氧化膜生長(zhǎng)速率減緩?fù)獗跍厣咚俾蕼p緩?？紤]氧化膜生長(zhǎng)后經(jīng)過(guò)40 000 h壁溫計(jì)算E點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)外壁溫分別達(dá)到588.8℃，596.7℃，607.6℃，氧化膜的生長(zhǎng)使得I點(diǎn)處外壁溫增加了12.8℃。

圖6 15號(hào)屏外管圈E點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)外壁溫增長(zhǎng)曲線

圖7可以看出外壁溫、氧化膜與金屬基體界面溫度以及氧化溫度均與氧化膜厚度成線性變化。由于氧化膜的生長(zhǎng)導(dǎo)致管壁溫度線性升高，長(zhǎng)期運(yùn)行可能導(dǎo)致高溫受熱面局部區(qū)域超溫運(yùn)行，嚴(yán)重的會(huì)威脅機(jī)組安全運(yùn)行，因而在熱偏差計(jì)算過(guò)程中不能忽略氧化膜生長(zhǎng)對(duì)壁溫的影響。

圖7　15號(hào)屏外管圈I點(diǎn)壁溫與氧化膜厚度曲線

2.3蠕變斷裂壽命預(yù)測(cè)

表3針對(duì)15號(hào)屏外管圈蒸汽出口I點(diǎn)進(jìn)行蠕變斷裂壽命計(jì)算，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間達(dá)到50 000 h其累積蠕變斷裂壽命ΣΔti/tri=0.997≈1，即該點(diǎn)蠕變斷裂壽命約為50 000 h。

表3　15號(hào)屏1號(hào)管I點(diǎn)蠕變斷裂壽命計(jì)算

從式（6）知蠕變斷裂壽命與應(yīng)力以及鋼材使用溫度有關(guān)，表3計(jì)算結(jié)果表明隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，外壁溫逐漸增大、氧化膜厚度逐漸增厚導(dǎo)致蠕變斷裂壽命不斷減小。

氧化膜生長(zhǎng)不僅造成了管壁金屬外壁溫升高，同時(shí)氧化膜的形成腐蝕了管材基體導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)力升高，從而降低了管材的高溫蠕變斷裂壽命。末級(jí)過(guò)熱器壁溫最高點(diǎn)處不考慮氧化膜生長(zhǎng)時(shí)其蠕變斷裂壽命約為1.2×105h，有與氧化膜的生長(zhǎng)該點(diǎn)蠕變斷裂壽命約為5×104h，壽命縮短了約58%。減少熱偏差從而降低外壁溫是減緩氧化膜生長(zhǎng)從而有效抑制蠕變斷裂壽命縮短的重要方法之一，在設(shè)計(jì)溫度較高段必需使用抗氧化能力更強(qiáng)的奧氏體鋼，減緩氧化膜的生長(zhǎng)從而延緩高溫蠕變斷裂壽命的縮短。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，氧化膜生長(zhǎng)導(dǎo)致金屬管壁溫度升高，經(jīng)過(guò)40 000 h的運(yùn)行外壁溫最高上升12.8℃。氧化膜降低了金屬高溫蠕變斷裂壽命，壁溫最高點(diǎn)其高溫蠕變斷裂壽命降低了7×104h，壽命縮短了約58%。氧化膜的生長(zhǎng)引起管壁溫度不同程度地升高，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致過(guò)熱器局部區(qū)域超溫運(yùn)行，從而降低了金屬高溫蠕變斷裂壽命，因而熱偏差計(jì)算中必須考慮氧化膜對(duì)金屬壁溫的影響。

［1］王孟浩，王衡，鄭民牛，等.超臨界和超超臨界鍋爐運(yùn)行中的幾個(gè)問(wèn)題［J］.熱力發(fā)電，2010，39（2）：14-17.

［2］邊彩霞，周克毅，胥建群，等.蒸汽側(cè)氧化膜對(duì)超臨界機(jī)組T92鋼管壁溫的影響［J］.動(dòng)力工程，2009，29（5）：502-506.

［3］樊泉桂.大容量鍋爐屏式過(guò)熱器傳熱計(jì)算方法的研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，24（4）：59-64.

［4］王孟浩，楊宗煊.屏式過(guò)熱器同屏熱偏差的成因及計(jì)算方法［J］.鍋爐技術(shù)，1984（9）：18-25.

［5］卞伯繪主編.輻射換熱的分析與計(jì)算［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1988：10.

［6］趙志淵，徐鴻，林振嫻.氧化膜的生長(zhǎng)對(duì)管壁溫度和氧化膜溫度的影響［J］.動(dòng)力工程，2011，31（5）：330-335.

［7］HUANG J L，ZHOU K Y，XU J.Q，et al.Probabilistic Creep Rupture Life Evaluation of T91 A lloy Boiler Superheater Tubes Influenced by Steam-side Oxidation［J］.Materialsand Corrosion，2014，65（8）：786-796.

［8］上海機(jī)械學(xué)院鍋爐教研組.單相流體在并聯(lián)管組中的流量分布和熱偏差的理論及計(jì)算［J］.鍋爐技術(shù)，1974（10）：2-22.

［9］牛天況，高安國(guó)，鄭劍飛.大型電站鍋爐過(guò)熱器和再熱器壁溫計(jì)算方法的改進(jìn)［J］.鍋爐技術(shù)，1985（2）：14-19.

［10］中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)（第一卷）［M］.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2003：721-722.

［11］胡蔭平.電站鍋爐手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005：677-697.

［12］PERBOLAKSONO J，AHMAD J，KHINANIA，et al.Failure Case Studiesof SA213-T22Steel Tubesof Boiler Through Computer Simulations［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23（1）：98-105.

［13］徐芝綸.彈性力學(xué)（上冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，2006：63-67.

［14］XU L J，Jamil A.Khan，CHEN Z H.Thermal Load Devim ion Model for Superheater and Reheater of Autility Boiler［J］.ThermalEngineering，2000（20）：545-558.

［15］于磊.600 MW超臨界直流鍋爐高溫再熱器熱偏差計(jì)算與分析［D］.南京：東南大學(xué)，2011.

［16］陳歡.某660MW超超臨界直流鍋爐運(yùn)行特性分析及過(guò)熱器熱偏差計(jì)算與分析［D］.南京：東南大學(xué)，2015.

The Influence of Steam-side Oxide Scale on the SuperheaterTube Temperature

YAO Yushan1，LIDaizhi2，ZHOU Keyi1
（1.Schoolof Energy and Environment，SoutheastUniversity，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Engineering Consulting Center，Nanjing210003，China）

For the problem of overheating caused by unevenly heating of high-temperature heating surfaces along the w idth direction in large coal-fired boilers，a detail study have been performed on the final superheater of 600 MW supercritical coal-fired boiler.Based on the prediction of oxide scale grow thmodel and the heat deviation calculation，the influence of the oxide scale grow th on tube temperaturewas analyzed.Results show that tube temperature increaseswith the grow th of oxide scale，which w ould lead to local temperature over-run of the superheater tube and decline of creep rupture life，thus the effect of oxide scaleon tube temperature should be considered in theheatdeviation calculation.

oxide scale；tube tem perature；the heatdeviation；creep rupture life

TK222

A

1009-0665（2016）05-0010-04

姚余善（1987），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，主要從事電站鍋爐熱偏差研究；

李代智（1983），男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事火電機(jī)組性能分析、故障診斷和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面的研究；

周克毅（1955），男，江蘇泰州人，博士生導(dǎo)師，主要從事電站鍋爐方面研究。

2016-04-12；

2016-05-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51176031）