電站鍋爐高溫對流受熱面壁溫計算及氧化膜影響分析

吳愷，王甲安，呂偉為，徐鴻

電站鍋爐高溫對流受熱面壁溫計算及氧化膜影響分析

吳愷1，王甲安1，呂偉為2，徐鴻3

（1.華電電力科學研究院材料技術部，浙江杭州310030；2.國電河北龍山發電有限責任公司，河北邯鄲056400；3.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206）

火電廠鍋爐爆管事故是電廠事故中最常見的情形之一，爆管事故的發生對電廠的安全性經濟性影響巨大。而此類問題的發生和鍋爐管壁溫度超溫密不可分，因此若能全面準確可靠的監測受熱面管壁溫度將對電廠意義重大。但是電廠鍋爐由于爐內壁溫測點安裝較困難，另外由于爐內溫度高，即使安裝了測點，測點通常壽命不長。通常安裝在爐外大包內的壁溫測點只能在一定程度上反應管道內部介質的溫度，而對于最危險處的壁溫卻無法直接得到。本文針對此問題，對壁溫計算模型進行了分析，利用Fluent數值模擬軟件進行了燃燒模擬計算，使用Delphi語言對該計算模型編制了相應的程序，結合某電廠2028t/h鍋爐實例進行計算，并假設氧化膜存在對結果的影響進行了再次計算和分析。能對電廠鍋爐的安全運行提供正確的指導，也可為電廠鍋爐管道的及時檢修提出指導，具有重要的工程實用價值。

鍋爐；在線監測；金屬壁溫；程序模塊；氧化膜

0 引言

在過去的幾十年里，傳統的火力發電機組為了實現穩定、經濟、清潔、高效的運行，參數及容量在不斷的提高。電站鍋爐四管（水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器）管道外部受到高溫煙氣的沖刷，內部受到高溫高壓蒸汽的侵蝕，長期處于其許用的極限強度下，工作環境相當惡劣，鍋爐爆管事故中再熱器、過熱器爆管造成的損失最大，這樣使得鍋爐管道的安全性大大降低。根據往年的電力事故資料顯示，鍋爐事故是造成非計劃停機的罪魁禍首，過熱器和再熱器的超溫爆管事故仍然是大容量高參數電站鍋爐中存在的一個非常嚴重的安全隱患。由各種因素引起的受熱面管道熱偏差而導致的超溫爆管事故時有發生，嚴重影響了鍋爐機組的性能[1]。因此，若能全面準確可靠的監測受熱面管壁溫度，從事故源頭找出其原因，保證電廠安全、穩定運行就變的非常重要。

由于爐內高溫受熱面壁溫測點安裝很難實現。受高溫煙氣的影響，即使安裝了測點，測點通常壽命也不會很長。工程中常用的方法是在爐頂外引入集箱處的單管外壁上布置測點，認為測點處測得的溫度值近似等于過熱器相應位置處管內蒸汽溫度。但是即使爐外壁溫測量正常可靠，爐內外換熱條件的巨大差別也會導致爐外壁溫測點不能如實反映爐內實際壁溫。特別是在啟動或變負荷階段，鍋爐外的測量結果比爐內實際壁溫低，無法代表鍋爐內部的實際壁面溫度，只能在一定程度上反映了管道內部介質的溫度，而最危險處的壁溫卻是無法直接得到[1]。隨著蒸汽參數的增加，國內很多管壁溫度計算模型并未考慮氧化膜影響所產生的弊端也日益彰顯。

本文通過利用Fluent數值模擬軟件進行了燃燒模擬計算，通過編程軟件Delphi建立鍋爐高溫過熱器壁溫計算模型，計算得到鍋爐過熱器管道爐外測點處溫度與爐內不同位置處的溫度，以及爐內計算值與爐外測量值之間的對應關系，并分析了在氧化膜存在的情況下，其對鍋爐壁溫計算的影響。

1 壁溫監測誤差的理論分析

電站鍋爐的過熱器再熱器一般布置于水平煙道。在水平煙道中，不同時間不同空間位置下的煙氣側參數和蒸汽測參數都不相同，在沿管道長度方向上不同分段的蒸汽溫度和管道外煙氣溫度都處于不斷變化中，很難采用歸一化的算法。所以在管壁溫度計算中采用離散化的思想，將鍋爐的管道分成若干管段，其中的每一段可以視其煙氣側、蒸汽側參數相同。對其中的每一個管段進行熱力計算。每一個小段的入口條件即為上一個小段的出口條件，由此可以依次得到整體計算結果[3]。

每一段的管壁溫度計算是按照現有的前蘇聯1957年和1973年鍋爐計算標準進行計算的，其核心也就是鍋爐的熱偏差計算，鍋爐四管管道的壁溫計算公式可以用下式表示：

式中tw—計算管段管壁的外壁金屬溫度，℃；

tb—計算管段管壁的平均金屬溫度，℃；

tj—計算管段管內的平均工質溫度，℃；

tx—含有氧化膜的管壁平均金屬溫度，℃；

Δt—計算管段管壁的最高金屬溫度相對于管內的工質平均溫度的修正項，℃；

Δt1—計算管段管壁的平均金屬溫度相對于管內的工質溫度的修正項，℃；

β—計算管段處管子外徑與內徑之比，即β=d2/d1；

μ—熱量均流系數；

qmax—計算管段處外壁沿周界計算截面處單位吸熱量，kW/m2；

λ—計算管段處管壁所使用鋼材的熱導率，kW/（m2·℃）；

δ—計算管段處管壁的厚度，m；

α2—計算管段處管內介質的對流放熱系數，m2·℃/kW。

管子計算截面單位熱負荷qmax：

式中θ—計算點煙氣絕對溫度；

ε—計算點管子的污染系數；

α1—計算點煙氣側對流放熱系數。

鍋爐管壁溫度計算模型的準確性直接影響到鍋爐四管壽命分析故障診斷的準確性[4]。為此，本文在熱力計算標準方法的基礎上采用了迭代算法，用鍋爐壁溫計算的結果反推鍋爐計算過程的參數。將重新計算出的新參數值作為下次管壁溫度計算的初始參數，依次反復直到誤差達到合理的范圍[5]。在具體實際程序計算中，為了使程序更好更快的實現計算流程，運行中設定一個傳熱修正系數Δh，經過迭代計算后的參數值更加接近實際過程，大大提高了準確性。

圖1 計算模型數據流向圖

2 壁溫計算軟件的介紹

計算過熱器再熱器管壁溫度是一個復雜的工作。計算、修正、校核相互嵌套，所以使用編程語言編制相應的軟件來進行計算是非常適合也是非常有效的一種方法。面向對象的Delphi在開發進度上相比較于C++、VB等要快很多，因為它把很多的代碼編寫成控件方便調用，減去了很多的工作量。而且Delphi的VCL架構是開源的，每個人都可以查看編譯代碼，這也是其一大好處[6]。

本文設計的計算模型一共有6個相互調用的模塊，分別是參數模塊（結構參數、運行參數等）、被調用函數模塊、主計算流程模塊、校核模塊、水蒸氣性質模塊。其數據流向圖如圖1所示。而計算軟件的界面體現的人機交互的便捷性也是非常重要。壁溫計算軟件的顯示界面如圖2所示。在程序計算結束后，可以選擇輸出Microsoft Excel格式的金屬管壁溫度計算結果，這樣使得后期分析更加方便。同時也能提供數據庫接口，可以方便使用數據庫分析管理。

圖2 壁溫計算軟件的顯示界面

3 案例分析

本文以某電廠運行的亞臨界參數RBC鍋爐為例。鍋爐額定蒸發量為2028t/h，此鍋爐采用了前后墻對沖的燃燒方式，并且采用了雙調風旋流燃燒器及NOx噴口的配置方式。過熱器系統是由頂棚管、包墻管、屏式過熱器、低溫過熱器及高溫過熱器組成。高溫過熱器處于鍋爐遮焰角的上方，由入口管組和出口管組組成。入口管組是由管徑Φ51mm，壁厚6～7.5mm，材質為SA213T91和12Gr1MoVG的鋼管組成。入口管組由18管圈并繞，橫向截距為300mm，沿水平煙道寬度方向有30屏。出口管組是由管徑Φ51mm、壁厚6～9mm，材質為SA213T91和12Gr1MoVG的鋼管組成。出口管組為10管圈并繞，橫向截距為300mm，并使出口管處于中間、入口管處于兩側的布置方式，這樣以減少煙氣輻射，保護高溫的出口管束，出口管組沿著水平煙道寬度方向共有60屏。

本文選取了電廠鍋爐2013年3月30日上午8：00的運行實時數據作為運行參數進行計算。將鍋爐冷灰斗至爐膛出口之間的區域作為計算區域，根據鍋爐實際尺寸，用GAMBIT軟件建立爐膛結構并進行網格劃分，對燃燒器及屏式受熱面做相應簡化。網格劃分時跟據爐內燃燒特點合理控制網格結構和疏密，對燃燒器區域進行局部網格加密。模擬采用旋流修正的k-ε雙方程模型模擬氣相湍流流動，雙步競爭反應熱解模型模擬揮發份析出，揮發份燃燒采用混合分數/概率密度模型函數，焦炭燃燒采用動力-擴散控制反應模型，輻射換熱使用P-1輻射模型，煤粉顆粒跟蹤采用隨機軌道模型，近壁區域用標準壁面函數法進行修正[7]。

計算得到爐膛縱剖面煙氣溫度分布如圖3所示，爐膛出口縱截面速度分布趨勢如圖4所示，爐膛出口縱截面溫度分布趨勢如圖5所示。從結果中可以清晰的看出在高溫過熱器入口處，煙道的上部煙氣溫度明顯高于煙道的下部，煙氣速度同樣是上部高于下部。沿著鍋爐寬度方向，煙氣溫度分布并不均勻，而是顯得比較對稱。這是和旋流燃燒器的旋轉方向有關系的，與預期結果符合的很好。FLUENT運行結果得知出口處的煙氣平均溫度為1187K，與熱力計算值1179℃比較吻合。為此可以將出口截面上的溫度進行離散處理，劃分為29×14的小矩形區域，如圖5所示，由此得出每一格區域的平均煙氣溫度。

圖3 爐膛縱剖面溫度流場圖

運行過程中的危險點是在整個汽水流程中外壁金屬溫度的最高點。在整個汽水流程中，鍋管道內介質溫度最高的地方是在高溫過熱器出口段和高溫再熱器管組。本文壁溫計算就以高溫過熱器出口管組作為算例進行。按照鍋爐高溫過熱器結構特性，沿著管組汽水流程方向將鍋爐高溫過熱器出口管組頂棚以下的U型結構部分分為24段，沿著蒸汽流程依次為垂直下降段第1～10段，水平段第11～14段，垂直上升段第15～24段。因為垂直上升段所使用的材質是不同的，前2700mm材質為12Cr1MoVG，剩余部分材質為SA-213T91，其分段結合焊口實際分析，并非均勻取得。

通過運行壁溫計算程序，在此工況下得到的結果如下：

圖4 爐膛出口縱截面煙氣速度分布圖

圖5 爐膛出口縱截面煙氣溫分布圖

沿著爐膛寬度方向上各屏最外圈的管壁溫度總體上顯示為比較對稱的變化規律，這和煙氣場的溫度分布情況很相似。高過出口管屏從左側爐墻向右側爐墻的方向依次進行編號（編為第1～60屏），其中第4～6屏和第49～52屏的管壁溫度在整個高溫過熱器出口管組中是最高的，應該重點關注。其原因主要是受旋流燃燒對沖布置方式的影響，管壁外部的煙氣場各個方向的熱力不均性造成的。沿著爐膛寬度方向最高壁溫曲線如圖6所示。

圖6 高溫過熱器出口段沿著煙道寬度方向最高外壁溫度變化圖

對于同一管圈上的各根管子的金屬管壁壁溫差異是由于其所處的位置以及幾何結構差異造成的。在高溫過熱器同屏中，壁溫最高處為最外圈的管子，因其受屏前（后）輻射的影響最大。對比發現，計算結果和實際情況吻合的很好。

受煙氣直接沖刷的最外側管子沿著流程方向管壁溫度一直增加，在沿程方向第10段（U型結構左下彎頭）處的壁溫達到極大值，隨后壁溫下降，然后又緩慢增加。壁溫變化情況如圖7所示。

圖7 第5屏最外側管壁沿著流程方向溫度變化情況

4 氧化膜影響的計算及分析

在亞臨界鍋爐中管內壁氧化膜并不明顯，故此計算沒考慮氧化膜的影響是合理的。但是在超臨界超超臨界機組中，以及在水化學處理并不理想的電廠中，氧化膜的存在確實會對鍋爐超溫爆管產生巨大的影響[8]。

本文在此基礎上，假設鍋爐管內壁上附著有一層均勻的氧化膜，其由管內介質中的溶質沉積而成，增加了導熱熱阻。蒸汽側氧化層是管內壁金屬和高溫水蒸氣氧化的產物，一般由三層物質（富鉻尖晶石結構氧化物（（Fe，Cr）2O3），Fe3O4及Fe2O3）或雙層物質構成。本文對氧化層結構進行了簡化，將其視為由單一磁鐵礦Fe3O4組成。氧化膜的厚度為0.1mm，氧化膜的導熱系數為0.5（W·m-1·K-1）。

經計算，第一屏最外側管沿著流程方向的管壁溫度分布如圖8所示，沿著煙道寬度方向最高外壁溫度變化曲線圖如圖9所示。

和沒氧化膜情況對比，有氧化膜的管壁溫度整體有上升趨勢，這說明由于氧化膜的存在，管內溫度較低的蒸汽不能使管壁溫度降低，從而導致受熱面管道長期在高溫環境下運行，使其熱應力、蠕變應力增加，甚至導致顯微結構發生變化，最終導致管道的失效。而且超溫和氧化膜生長速率是互相促進的，超溫會使氧化膜快速生成，而氧化膜的存在會使超溫更加嚴重。

圖8 含有氧化膜管壁沿著流程方向溫度變化情況

圖9 含有氧化膜管壁沿著煙道寬度方向最高外壁溫度變化圖

5 結語

通過計算可以得出以下結論：

（1）管壁溫度并非是隨著工質溫度的升高而升高，而還和煙氣側的煙溫、煙速等眾多因素有關。

（2）最危險的屏的確定在很大程度上受鍋爐煙氣場分布影響，同時水動力循環中的集箱效應、流量偏差等也都會有一定影響。同屏中最外圈的管子受屏前（后）輻射的影響在同屏中最危險。同根管子沿著工質流程方向，在U型結構下部彎頭處的溫度會達到極大值，隨后下降，最后又緩慢增加。所以在同根管子中金屬壁溫最可能超溫的地方出現在下部彎頭處和出口處。

（3）在有氧化膜附著的情況下，爐外溫度反應爐內壁溫情況會產生很大的誤差，特別是在存在氧化膜的超（超）臨界鍋爐中氧化膜影響分析尤為重要。

（4）鍋爐煙氣溫度場和速度場的計算始終是熱力計算的難點，其主要原因是在鍋爐實際運行中使用的煤種并非完全設計煤種，摻燒低品質煤種使得運行條件更加苛刻，煙氣流場變得更加復雜。

[1]張愛軍，王鵬，朱憲然，等.600MW機組鍋爐高溫受熱面爐內壁溫測量初探[J].華北電力技術，2011，6（03）：27～30.

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Tube Wall Temperature Calculation and Oxide Film Effects Analysis on Hightemperature Confection Heating Surface of Utility Boiler

WU Kai1，WANG Jia-an1，LV Wei-wei2，XU Hong3
（1.Material Technology Department，Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Guodian Hebei Longshan Power Generation Co.，Ltd，Handan 056400，China；3.School of Energy，Power and Mechanical engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Power plant boiler pipe rupture accident is one of the most common situations in power plant.Tube-burst accident has had a huge impact on the safety and economy in Power plant.The occurrence of such problems are inextricably linked with the boiler tube wall over-temperature，so it is great significance to comprehensively accurately and reliably monitor the tube wall temperature of heat exchangers in power plants.But due to the power plant boiler furnace wall temperature measuring point is difficult to install.Even if installed，the high temperature in the furnace usually makes it not long life.For the most dangerous place，the wall temperature cannot directly obtain.Aimed at this problem，this author analyze the wall temperature calculation model，combined with power plant example of 2028 t/h boiler，use Delphi language to compile the corresponding program for the calculation model，use numerical simulation software Fluent to simulate combustion calculation and assumes the oxide film existence to calculate and analysis the effect again.This paper has significant engineering practical value，it can provide the correct guidance on the safety operation of power plant boiler，and also can put forward the guidance for power plant boiler pipe reparations.

boiler；on-line monitoring；metal wall temperature；programming module；oxide film

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.005

TM621.2

B

2095-3429（2015）01-0020-05

2014-10-15

修回日期：2014-11-18

吳愷（1989-），男，甘肅人，工學碩士，主要從事火電廠無損檢測方面的研究工作。