超臨界機組鍋爐管內壁清潔程度與流動壓降的關系分析

徐洪

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

超臨界機組爐管內壁的清潔程度關系到給水處理工藝的合理與否和鍋爐的傳熱效率，對鍋爐的經濟、安全運行具有一定的影響。通常的做法是利用機組停運檢修的機會進行割管檢查，評價爐管內壁的清潔程度。該方法不但機會難得，而且對鍋爐產生一定損傷。因此，研究開發可用于在線評估超臨界機組爐管內壁清潔程度的方法很有必要。

1壓降計算

設單相流體在一等截面圓管中作一元穩定流動，管子截面上的壓力是均勻分布的。圓管與水平的傾斜角為θ。根據動量守恒原理可得[1]：

式中:p為壓力，kg f/m2；f為管子流通截面積，m2；dn為管子內直徑，m；g為重力加速度，m/s2；l為管子軸線方向長度，m；ρ為單相流體密度，kg/m3；w為體積流速，m3/s；λ為摩擦阻力系數。

單相流體在穩定流動時，管內質量流速（ρw）為常數，管內的流動壓降可由式（2）計算：

如果工質在管段內焓增不大，則比容和密度隨焓的變化近似線性關系，那么流體的平均焓、平均密度和平均比容就可以按其進、出口參數的算術平均計算。在大比熱區（1 700～2 700 kJ/kg）內或者計算管段中工質焓增大于209 kJ/kg時，水的密度和比容隨焓的變化明顯偏離線性關系（此時按算術平均計算的誤差可能高達40%），在此情況下，應按積分平均計算，則有：

從式（3）可以看出，壓力降由3部分組成，即單相流體的摩擦阻力壓力降、重位壓力降和加速壓力降。下面分別進行討論。

式（3）等號右邊的第1項是用以克服摩擦阻力的摩擦阻力壓力降。單相流體的摩擦阻力損失Δpm計算如下：單相流體的局部阻力損失Δpjb計算如下：

式中：ζ為局部阻力系數。

式（3）等號右邊第2項是克服流體重力的重位壓力降。重位壓力降是由于介質在管內流動時，因垂直標高不同而引起的壓力差，單相流體的重位壓力降Δpzw可表示為：

式中：Δh為管子進出口之間的水平標高差；ρ為工質沿管長的平均密度。當工質向上流動時，重位壓降取正值，下降流動時取負值。

式（3）等號右邊的第3項是用以造成流體加速所需的加速壓力降。加速壓力降是通過計算管段的出口和進口的單位截面工質流量的動量差值得到的。單相流體的加速壓降為：

式中：ρw為計算管段的工質質量流速；v2、v1分別為出口和進口截面上的工質比容。

2鍋爐壓降差值與爐管內壁清潔程度的關系

超臨界直流鍋爐給水泵出口壓力最大，給水沿途流經高加、省煤器、水冷壁等，至汽水分離器，由于克服阻力，壓力會有所降低。爐管內壁越沉積物量越大就越粗糙，因而摩擦阻力越大，使得壓降增大。

超臨界機組投產前均須進行化學清洗。爐前系統金屬材質一般為炭鋼，省煤器及水冷壁管材質一般為珠光體合金鋼。化學清洗結束后金屬表面較清潔。機組投入運行后不可避免會產生一定量的沉積物，沉積物量的多少取決于給水處理工藝、水質及運行時間等。

定義給水泵出口至汽水分離器貯水箱的壓差為Δp。假設機組投產初期某管段壓降為Δps，機組運行一段時間后壓降增加至Δpe。當機組在額定工況（滿負荷）下運行，式（3）等號右邊第二、三項均保持不變，第一項則發生變化。由式（3，5）式得：

式（8）中∑（Δpe- Δps）表達了直流鍋爐從給水

泵出口至汽水分離器所有管段的壓降差值之總和。

摩擦阻力系數λ與管內的流動情況和管子的粗糙程度有關，而管內的流動情況又與雷諾數Re有關。由于介質溫度高，水的黏度較小，水和蒸汽的Re一般大于105。在絕大部分情況下，蒸汽和水的流動都處于自模化區，此時λ與Re數無關，摩擦阻力系數λ計算如下：

式中:：κ為管子內壁絕對粗糙程度，文中對炭鋼及珠光體合金鋼管取κ=0.08 mm，對奧氏體鋼管取κ=0.01 mm[2]。

局部阻力系數ζ與雷諾數Re、相對粗糙度、局部幾何形狀等因素有關，選用實驗測定的數據。

將式（9）代入式（8），得：

在額定工況下，式（10）中各管段 dn、l、ρ、w、等參數基本恒定不變，κs、ζs也僅取決于系統初始狀態，因此式（10）中∑（Δpe-Δps）實際上僅與系統運行一定時間后各管段內壁沿程絕對粗糙度κs和局部相對粗糙度ζs有關。由此可見，∑（Δpe-Δps）實際上可以用來在線評估機組運行某個時間段后管子內壁的清潔程度。管子內壁越清潔，∑（Δpe-Δps）值就越小，反之亦然。

以上在公式推導過程中，為方便起見，所用壓力單位為kg f/m2。在我國，超臨界壓力鍋爐所使用的壓力單位一般為MPa，換算關系為：1 MPa=1.019 7×105 kgf/m2。

3壓降差值實例

江蘇省太倉某發電廠8號600 MW超臨界火電機組于2005年11月份投產，給水處理方式為還原性全揮發處理（AVT（R））。至2006年底檢查性大修，其間運行一年時間。割管檢查發現：鍋爐水冷壁管垢量95 g/m2；省煤器出口120 g/m2、入口220 g/m2。垢的主要成分（99%）為氧化鐵，見圖1[2]。

圖1江蘇太倉某電廠8號鍋爐水省煤器管內表面

根據《火力發電廠鍋爐化學清洗導則》（DL/T794—2001）規定，直流鍋爐水冷壁向火側垢量達到200～300 g/m2時必需進行化學清洗。因此，利用2006年底機組大修機會進行了乙二胺四乙酸（EDTA）化學清洗。酸洗液中總鐵為5×10-3左右。清洗前額定工況（600 MW）下鍋爐壓降（給水泵出口至汽水分離器貯水箱壓差）為：29.65-26.63=3.02MPa；2007年2月上旬機組大修結束后投運，額定工況下鍋爐壓降下降為：28.34-26.35=1.99 MPa。其后，鍋爐壓降逐月上升。至2007年8月下旬，鍋爐壓降已上升至3.05 MPa。運行僅半年左右時間，鍋爐壓降差值高達1.06 MPa。利用機組停機機會進行割管檢查，省煤器入口沉積物量為200 g/m2左右。鍋爐壓降的增加已影響機組的正常力，遂再次進行機組化學清洗。太倉某超臨界600 MW機組鍋爐壓降差值如圖2所示。

圖2太倉某超臨界600 MW機組鍋爐壓降差值

從江蘇太倉某電廠8號600 MW超臨界機組的情況看，爐管內壁的最大沉積物量在數量上大約為鍋爐壓降差值的20倍，即：

式中：D為爐管內壁最大沉積物量，g/m2。

鑒于目前超臨界機組爐管內壁的最大沉積物量及鍋爐壓降差值的對應數據還很少，因而式（11）還有待進一步修正。需要指出的是，不同類型的鍋爐，額定工況下的鍋爐壓降差值與爐管內壁的清潔程度之間的關系是完全不同的；即使是同樣類型的鍋爐，管子內經的差異也會導致兩者之間關系的明顯差異。

4結束語

在額定工況下，超臨界機組投運一段時間后給水泵出口母管與汽水分離器貯水箱出口蒸汽之間的壓降較投產初期的增加量反映了高壓給水系統、省煤器及水冷壁管內壁的清潔程度。對于超臨界機組，省煤器入口的磁性氧化鐵沉積量往往最大，其數值大致相當于壓降差值的20倍。鑒于目前超臨界機組爐管內壁的最大沉積物量及鍋爐壓降差值的對應數據還很少，因而兩者之間的定量關系還有待進一步研究。需要指出的是，不同類型的鍋爐，額定工況下的鍋爐壓降差值與爐管內壁的清潔程度之間的關系是完全不同的；即使是同樣類型的鍋爐，管子內經的差異也會導致兩者之間關系的明顯差異。但對于同一臺鍋爐，其額定工況下流動壓降的變化可以用來定性甚至定量在線評估爐管內壁的清潔程度。

[1]洛克申B A，董祖康譯.鍋爐機組水力計算標準方法[M].北京：電力工業出版社，1981.

[2]徐 洪.超臨界火電機組的金屬腐蝕特點和沉積規律[J].動力工程，2009，29（3）： 210-217.