電站鍋爐壁溫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

尹相雷

(棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

高溫受熱面是電站鍋爐內(nèi)部的核心部件，其工作環(huán)境惡劣，加之運(yùn)行參數(shù)高，結(jié)構(gòu)和布置形式復(fù)雜，導(dǎo)致管壁金屬溫度容易超過(guò)選用鋼材的安全極限；超溫縮短了管道的使用壽命，進(jìn)一步引起爆管事故，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失.而統(tǒng)計(jì)[1,2]顯示，因超溫引起的高溫受熱面的爆管事故在火電廠發(fā)電機(jī)組事故及鍋爐事故中占相當(dāng)高的比例.因此，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐高溫受熱面的壁溫，預(yù)測(cè)管道的使用壽命，防止爆管具有重要意義.目前的受熱面壁溫監(jiān)測(cè)主要有爐內(nèi)直接監(jiān)測(cè)和爐外間接監(jiān)測(cè)等方法[3].前者利用布置在爐內(nèi)的測(cè)定直接測(cè)出壁溫，但測(cè)點(diǎn)在爐內(nèi)安裝困難，且爐內(nèi)溫度高容易燒壞測(cè)點(diǎn).后者通過(guò)爐外測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值間接推算出壁溫，但推算壁溫的方法存在缺陷，使結(jié)果不夠準(zhǔn)確.基于熱力系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，運(yùn)用機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的軟件系統(tǒng)可較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)受熱面的金屬壁溫和管道壽命進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè).

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作過(guò)程

電站鍋爐高溫受熱面壁溫監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)是在電站原有的集散控制系統(tǒng)(DCS)、廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)和廠級(jí)管理信息系統(tǒng)(MIS)的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助于一體化過(guò)程模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)(IMMS)，建立高溫受熱面的數(shù)學(xué)模型以及金屬壁溫和管道壽命的計(jì)算模型，再將所得參數(shù)返回電站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和客戶端界面.IMMS的建模過(guò)程中寫入相關(guān)計(jì)算所需要的參數(shù)，例如鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)、熱力計(jì)算熱物性參數(shù)以及系統(tǒng)控制參數(shù)等，再通過(guò)電站原有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即可得出受熱面不同位置的壁溫和使用壽命.系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示.

鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，DCS、SIS和MIS所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳輸至IMMS，由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊濾掉不可信數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，保證輸入系統(tǒng)的熱工參數(shù)的合理性，以免整個(gè)系統(tǒng)因個(gè)別測(cè)點(diǎn)失效而導(dǎo)致癱瘓.預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)高溫受熱面熱力計(jì)算模型、金屬壁溫計(jì)算模型和管道壽命計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，得到當(dāng)前時(shí)刻各級(jí)高溫受熱面危險(xiǎn)點(diǎn)的壁溫值和壽命預(yù)測(cè)值，并保存到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)可為用戶界面的顯示與查詢提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2 壁溫監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)模型

2.1 高溫受熱面熱力計(jì)算模型

電站鍋爐高溫受熱面主要包括前屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器、屏式再熱器和高溫再熱器等，隨鍋爐型號(hào)的不同而不同，其熱力計(jì)算模型建立可根據(jù)鍋爐單相介質(zhì)換熱器模型[4～6]建模方法進(jìn)行.

圖1 電站鍋爐高溫受熱面壁溫監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1.1 能量平衡方程

煙氣側(cè)能量平衡方程為

(1)

式中tg1、tg2分別為煙氣的進(jìn)口、出口溫度，℃；cpg1、cpg2、cpg分別為煙氣進(jìn)口、出口、平均溫度下的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；Mg為控制對(duì)象中的煙氣質(zhì)量，kg；qmg1、qmg2分別為煙氣進(jìn)口、出口流量，kg/s；Qg為煙氣與金屬管壁的換熱量，W；τ為時(shí)間，s.

金屬管壁的熱平衡方程

(2)

式中tm為金屬管壁平均溫度，℃；cpm為金屬管壁溫度下的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；Mm為金屬管壁質(zhì)量，kg；Qs為工質(zhì)與金屬管壁的換熱量，W.

工質(zhì)側(cè)能量平衡方程為

(3)

式中Hs1、Hs2分別為工質(zhì)進(jìn)口、出口的比焓，kJ/kg；Ms為控制對(duì)象中的工質(zhì)質(zhì)量，kg；qms1、qms2分別為工質(zhì)進(jìn)口、出口流量，kg/s.

2.2.2 傳熱方程

煙氣對(duì)金屬管壁的換熱量

(4)

式中A為換熱面積，m2；θ為對(duì)數(shù)溫壓修正系數(shù)；ε為灰污系數(shù)；tg為煙氣進(jìn)、出口平均溫度，即

(5)

hg為煙氣側(cè)的換熱系數(shù)，滿足

hg=hd+hf

(6)

hd為煙氣與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)，hf為煙氣與管壁輻射換熱的折算換熱系數(shù).

金屬管壁對(duì)工質(zhì)的換熱量

(7)

式中dw、dn為分別為管道外徑、內(nèi)徑，mm；hs為工質(zhì)側(cè)的換熱系數(shù)；ts為工質(zhì)進(jìn)、出口平均溫度，即

(8)

工質(zhì)的比焓可根據(jù)水蒸氣熱力性質(zhì)得出：

ts=f(ps,Hs)

(9)

hd、hf、hs可由傳熱學(xué)得出經(jīng)驗(yàn)值.

2.2 高溫受熱面金屬壁溫計(jì)算模型

金屬壁溫基本計(jì)算公式[7]為

(10)

式中t為管道計(jì)算截面上流動(dòng)介質(zhì)的平均溫度；Δtt為管內(nèi)介質(zhì)溫度與平均溫度的差；β為管道外徑與內(nèi)徑的比值；μ為熱散漫系數(shù)；qmax為熱負(fù)荷最大的管道的熱流密度的最大值；λm為管壁金屬導(dǎo)熱系數(shù)；hs為管壁對(duì)工質(zhì)的放熱系數(shù)；δ為管子壁厚.

計(jì)算管道某點(diǎn)的壁溫，需求解該處的熱負(fù)荷.受到受熱面管束前后煙氣輻射、煙溫分布、蒸汽流量分布不均等因素的影響，不同管道、不同管段的熱負(fù)荷存在差異.熱負(fù)荷的差異用熱偏差表征，熱偏差φ計(jì)算公式為

(11)

式中：ΔH為管束中計(jì)算管從進(jìn)口到計(jì)算點(diǎn)的工質(zhì)焓增；ΔH0為管束從進(jìn)口到相應(yīng)點(diǎn)的平均焓增；ηQ為熱力不均系數(shù)；ηA為結(jié)構(gòu)不均系數(shù)；ηG為流量不均系數(shù).

2.3 高溫受熱面管道壽命計(jì)算模型

管壁超溫使管道金屬蠕變加快，蠕變到達(dá)一定程度時(shí)將造成金屬斷裂，因此管壁超溫影響高溫受熱面的壽命.管道壽命采用Larson-Miller參數(shù)法計(jì)算[8,9]

(lgτ+C)T=P(σ)

(12)

式中τ為金屬蠕變斷裂時(shí)間，即管道總體使用壽命；T為金屬熱力學(xué)溫度；C為與金屬材料有關(guān)的常數(shù)；P(σ)為熱強(qiáng)參數(shù)；σ為管子使用應(yīng)力，可由下式得出：

式中p為管內(nèi)工質(zhì)壓力；Kp為工質(zhì)壓力不等于額定壓力而采用的修正系數(shù)；d為管道平均直徑；δ為管子壁厚；Kδ為管子因磨損、腐蝕引起壁厚減小而采用的修正系數(shù).

σ確定后，P(σ)可由lgσ的高次多項(xiàng)式擬合得到.

運(yùn)行中的受熱面的剩余使用壽命按下式計(jì)算：

式中K為考慮疲勞與蠕變同時(shí)作用的系數(shù)，本模型取K=1.2；τi為在溫度i下部件已運(yùn)行的時(shí)間；τri為在溫度i下的總體使用時(shí)間.

Φ值越大，表示管子的剩余壽命越少.當(dāng)Φ=1時(shí)即表示管子己經(jīng)報(bào)廢，Φ≥0.85時(shí)管子即處于危險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)考慮更換，以免爆管.

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

將系統(tǒng)應(yīng)用于某電廠鍋爐，該鍋爐型號(hào)為HG-1060/17.5-YM31型，主要參數(shù)如表1所示.該鍋爐高溫受熱面包括前屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、高溫對(duì)流過(guò)熱器、高溫再熱器和低溫再熱器，工質(zhì)流程如圖2所示.

根據(jù)煤種的元素分析成分，利用DCS、SIS和MIS提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，從測(cè)量準(zhǔn)確的排煙溫度開(kāi)始，沿著煙氣流動(dòng)相反的方向，借助IMMS建立高溫受熱面熱力計(jì)算模型、金屬壁溫計(jì)算模型和管道壽命計(jì)算模型.為驗(yàn)證模型的計(jì)算精度，分別將模型計(jì)算結(jié)果與機(jī)組設(shè)計(jì)值、爐外測(cè)點(diǎn)測(cè)量值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3、圖4所示.

圖3是水平煙道煙溫的模型計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的比較情況，可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與鍋爐設(shè)計(jì)值高度吻合，誤差處在很小范圍內(nèi).圖4為管道金屬壁溫的模型計(jì)算值與爐外測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的比較情況，可以看出，高溫再熱器第40排屏和低溫再熱器第15排屏各管壁溫的模型計(jì)算值與爐外測(cè)點(diǎn)測(cè)量值基本吻合，變化趨勢(shì)一致.因此模型計(jì)算值具有較高精度.

系統(tǒng)在該電廠成功投入使用，在線監(jiān)測(cè)不同受熱面的金屬溫度分布，并預(yù)測(cè)高溫受熱面壽命，幫助電站工作人員掌控受熱面的超溫和剩余壽命，避免了受熱面爆管，保障機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并為檢修人員制定檢修計(jì)劃提供了依據(jù).

4 結(jié)論

借助熱力系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)，采用IMMS平臺(tái)建立電站鍋爐高溫受熱面壁溫監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)在某電廠成功應(yīng)用，其壁溫計(jì)算結(jié)果和實(shí)際較吻合，全面反映了受熱面金屬溫度水平，有助于避免超溫引起的爆管事故，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益.

[1]董勇衛(wèi),阮國(guó)榮.鍋爐“四管”泄漏檢測(cè)裝置的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(4):61-63.

[2]崔浩,劉云燕,于森.電廠鍋爐四管泄露原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J]．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2009，20(10):119-120.

[3]陳之航,趙再三.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),1974,10:54-58.

[4]高建強(qiáng),祁在山,馬良玉,等.鍋爐單相介質(zhì)換熱器的通用性能分析仿真模型[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2001,28(3):88-91.

[5]高建強(qiáng),郝娜,范曉穎,等.余熱鍋爐單相受熱面動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及仿真[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2009,36(3):68-71.

[6]高建強(qiáng),侯致福,尹相雷,等.O2/CO2氣氛下單相介質(zhì)換熱器的仿真模型研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2011,38(6):91-95.

[7]鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1976.

[8]劉彤,徐鋼,龐力平.鍋爐爐內(nèi)承壓部件的蠕變分析及壽命計(jì)算[J].動(dòng)力工程，2004， 24(5)：631-635.

[9]董建聰.電站鍋爐高溫對(duì)流受熱面管壁溫度在線監(jiān)測(cè)方法研究[D]．保定：華北電力大學(xué)，2011.