鍋爐受熱面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與信息化管理的研究

趙曉鵬，趙飛，倪永中

(1.寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川 750400； 2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

0 引言

近年來，隨著大容量機(jī)組的連續(xù)投入運(yùn)行，鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的安全余量越來越小，鍋爐受熱面管道的安全性問題愈發(fā)突出。摻燒、新型鋼焊接、氧化和調(diào)峰運(yùn)行等問題成為制約鍋爐受熱面管道安全運(yùn)行的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)機(jī)組由于鍋爐四管泄漏引起的停運(yùn)時(shí)間占機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間的40%左右，占鍋爐設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間的70%[1]。如何通過合理的防磨防爆管理和設(shè)備的健康狀況評(píng)估，降低設(shè)備的非計(jì)劃停運(yùn)已成為各個(gè)電廠的重要工作。目前，傳統(tǒng)的"四管"檢修完全是一種計(jì)劃?rùn)z修模式，高溫管道是否需要更換完全依靠人工檢查，基本不考慮受熱面管道的長(zhǎng)期運(yùn)行歷史。這種檢查方式效率較低，而且容易發(fā)生過檢和缺檢。如何建立基于長(zhǎng)期設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的狀態(tài)評(píng)估和實(shí)現(xiàn)計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變的問題，已得到了各個(gè)電廠的重視。

本文通過分析現(xiàn)有檢修管理的不足之處，對(duì)電廠長(zhǎng)期檢修數(shù)據(jù)建立管理檔案，實(shí)現(xiàn)檢修信息的數(shù)字化管理，并形成設(shè)備健康度的分析報(bào)告，使防磨防爆工作能夠做到有的放矢。在此基礎(chǔ)上，對(duì)受熱面管道的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)管道運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與離線分析相結(jié)合的防磨防爆管理。最后，針對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防磨防爆工作中缺陷位置無法直觀描述和定位的問題，提出了基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)的鍋爐防磨防爆的三維可視化管理手段，提升了管理工作的信息化和數(shù)字化水平[2-3]。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

從功能設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源包括兩個(gè)方面，一是通過接口機(jī)與電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)采集所需要的數(shù)據(jù)，如管道壁溫、蒸汽的壓力與溫度、負(fù)荷等數(shù)據(jù)；二是每次檢測(cè)的離線數(shù)據(jù)，如缺陷數(shù)據(jù)、無損和有損檢測(cè)數(shù)據(jù)等。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析，并把分析結(jié)果通過網(wǎng)頁的方式展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從數(shù)據(jù)采集到最終用戶的使用，整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)層次，分別為：

(1)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層。該層主要實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的采集，采集過程分為在線和離線采集，在線采集程序以30 s間隔向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(PI、EDNA等)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。離線采集采用人工錄入的方式，主要包括缺陷記錄、割管記錄和金相記錄等。

(2)基礎(chǔ)應(yīng)用層。該層在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基本的統(tǒng)計(jì)、查詢和報(bào)警功能。同時(shí)生成統(tǒng)計(jì)，如超溫報(bào)表、缺陷報(bào)表等；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)信息的在線推送，通過短信發(fā)送給相關(guān)人員。

(3)高級(jí)層。該層主要包括超溫分析、缺陷分析、氧化皮分析、運(yùn)行指標(biāo)考核和三維管理模塊。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 三維可視化管理

采用可視化的操作界面，按設(shè)備的實(shí)際位置和比例在三維建模軟件內(nèi)創(chuàng)建相關(guān)的三維數(shù)字模型庫(kù)，建立與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)的三維數(shù)字模型，模型范圍包括爐內(nèi)受熱面管道、爐外聯(lián)絡(luò)管、聯(lián)箱、焊縫。把3dmax模型導(dǎo)入到商用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，通過特定的編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，最終實(shí)現(xiàn)B/S三維可視化模式，如圖2所示。系統(tǒng)基本功能主要包括以下3個(gè)方面。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 鍋爐三維全貌

(1)設(shè)備瀏覽與定位。在三維視角中以任意角度觀察部件，可實(shí)現(xiàn)基本的縮放和漫游功能。輸入部件編碼或中文名稱，可自動(dòng)定位部件到視角。

(2)設(shè)備信息關(guān)聯(lián)。在數(shù)據(jù)層上獲得的數(shù)據(jù)被唯一關(guān)聯(lián)到設(shè)備編碼，三維實(shí)體模型在建模階段也被賦予編碼，以編碼為紐帶，可以通過在三維模型中點(diǎn)擊模型查詢到設(shè)備的相關(guān)信息，包括設(shè)備尺寸、材質(zhì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)。

(3)高風(fēng)險(xiǎn)部位提醒。通過在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分析，可自動(dòng)識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)部位，在三維模型中可以用特定的顏色來顯示?？稍谌S圖上顯示缺陷、風(fēng)險(xiǎn)程度在不同部位的分布。

2.2 超溫計(jì)算與分析

大型鍋爐受熱面爆管是造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的重要因素之一，大多爆管都是由于超溫運(yùn)行引起，準(zhǔn)確把握受熱面溫分布情況，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義[4]。由于目前還沒有測(cè)量爐內(nèi)管壁溫度的技術(shù)，鍋爐的壁溫測(cè)點(diǎn)大多安裝在溫度較低的爐頂大包內(nèi)。爐內(nèi)的溫度分布情況只能依靠熱力計(jì)算的方法近似得到。本文根據(jù)原蘇聯(lián)1973年鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算爐內(nèi)溫度。壁溫計(jì)算中引用的管圈進(jìn)口蒸汽溫度、進(jìn)口煙氣溫度等熱力計(jì)算數(shù)據(jù)均取自以上熱力計(jì)算結(jié)果。管組中任一個(gè)管段i的焓增計(jì)算如下[5-6]：

表1 超溫類型與等級(jí)分類

注：T表示壁溫。

式中：Kl，Kh分別為寬度和高度的吸熱偏差系數(shù)；Di為蒸汽流量，kg/h；E0為計(jì)算管段的面積折算系數(shù)；d，li分別為計(jì)算管段的管徑和長(zhǎng)度，m；qf，pi為屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負(fù)荷及輻射偏差系數(shù)；qp，qd，ζ1i，ζ2i為屏間煙氣輻射和對(duì)流熱負(fù)荷及其輻射偏差系數(shù)。計(jì)算點(diǎn)的壁溫(℃)計(jì)算如下：

式中：J、β分別為熱均勻系數(shù)、管徑比；α2為管內(nèi)蒸汽對(duì)管壁的放熱系數(shù)，W/(m2·K)；t為計(jì)算點(diǎn)管內(nèi)工質(zhì)的溫度，℃；qmax為管子外壁沿周界最高熱負(fù)荷，kW/m2；t為計(jì)算點(diǎn)管內(nèi)工質(zhì)的溫度，℃；δ、λ為管壁厚度和金屬導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m2·K)。

在壁溫計(jì)算的基礎(chǔ)上，可對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行考核，在分布式控制系統(tǒng)(DCS)中，根據(jù)不同的材質(zhì)從低到高設(shè)置3個(gè)超溫限值，表示超溫情況從一般到嚴(yán)重。同時(shí)針對(duì)設(shè)備的評(píng)估特征，對(duì)在不同超溫區(qū)間內(nèi)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照超溫程度分別設(shè)置一般異常、異常、嚴(yán)重異常、二類障礙，每類障礙按照超溫幅度和時(shí)長(zhǎng)扣除當(dāng)值對(duì)應(yīng)數(shù)額獎(jiǎng)金，見表1。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉超溫信息，并實(shí)時(shí)對(duì)超溫信息進(jìn)行評(píng)價(jià)和考核，實(shí)現(xiàn)按值統(tǒng)計(jì)超溫的精細(xì)化管理，督促運(yùn)行人員實(shí)施調(diào)整運(yùn)行策略，降低超溫頻次。單純的統(tǒng)計(jì)與考核，不利于對(duì)超溫問題的深層次分析。為了直觀地對(duì)不同受熱面的超溫情況進(jìn)行對(duì)比，選取受熱面的超溫點(diǎn)數(shù)、超溫次數(shù)和超溫總時(shí)長(zhǎng)3個(gè)指標(biāo)作為分析對(duì)象，同時(shí)進(jìn)行機(jī)組的環(huán)向比較(本月和上月)和橫向(同類型機(jī)組)比較，如圖3所示。通過比較可以分析機(jī)組各個(gè)受熱面產(chǎn)生差異的原因，進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整，降低超溫頻次，達(dá)到提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性的目的。

圖3 超溫次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 受熱面風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)鍋爐受熱面管進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，就是考慮鍋爐受熱面管在運(yùn)行過程中氧化、腐蝕、減薄以及組織性能變化的不確定性[7-8]，對(duì)其存在的失效風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)鍋爐受熱面的安全狀況，為安全運(yùn)行、合理檢修提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

本文中從宏觀變形、壁厚減薄、氧化情況和超溫情況等幾個(gè)方面對(duì)失效風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表2。以減薄風(fēng)險(xiǎn)為例，應(yīng)用表2的數(shù)值，可定量的得到各個(gè)管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于表2中蠕變剩余壽命的計(jì)算，文獻(xiàn)[9]認(rèn)為，在超溫情況下的當(dāng)量蠕變壽命tf可用實(shí)驗(yàn)溫度下的蠕變壽命來表示：

tf=t0e1/T0-1/T。

定義剩余壽命分?jǐn)?shù)為：

K=(tf-t0)/t0。

表2 鍋爐受熱面風(fēng)險(xiǎn)概率分級(jí)

通過每個(gè)超溫記錄的時(shí)長(zhǎng)計(jì)算當(dāng)量壽命損耗，累加后代入上式即可得到剩余壽命分?jǐn)?shù)。根據(jù)剩余壽命分?jǐn)?shù)的大小可以進(jìn)一步定量確定鍋爐受熱面的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以字母A-E表示。

3 結(jié)束語

本文中開發(fā)的B/S三維可視化平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)鍋爐部件三維結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的融合。以此為載體，可實(shí)現(xiàn)鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行和檢修數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理。在數(shù)字化管理的基礎(chǔ)上，利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)鍋爐受熱面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)鍋爐防磨防爆的精細(xì)化管理，降低鍋爐爆管概率。提出鍋爐超溫的分級(jí)管理思想，在風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中融入實(shí)時(shí)運(yùn)行壁溫檢測(cè)和計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐的運(yùn)行和檢修具有一定的指導(dǎo)作用，可有效降低檢修人力和物力的投入，提升鍋爐的運(yùn)行可靠性。