大型電站鍋爐高溫受熱面管金屬壁溫影響因素及評(píng)價(jià)

錢林峰 徐光明 陶 磊

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

鍋爐受熱面壁溫是影響鍋爐部件安全運(yùn)行的重要因數(shù)，隨著鍋爐參數(shù)的提升，超臨界電站鍋爐中過熱器再熱器等高溫受熱面金屬材料溫度裕度變小，金屬在惡劣的工況下運(yùn)行更容易出現(xiàn)超溫等情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍋爐四管爆漏的事故占鍋爐總事故的由于超溫導(dǎo)致的爆管60%～70%，其中過熱器、再熱器爆管占主要部分[1]。溫度超過其正常運(yùn)行水平已成為大容量電站鍋爐在運(yùn)行中發(fā)生高溫過熱器、高溫再熱器爆管事故的主要因素。

目前對(duì)于電站鍋爐，由于爐內(nèi)工況等因素，很難采用直接法測(cè)量或監(jiān)測(cè)，受熱面管壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般只裝于爐外受熱面出口，由于沒有傳熱過程，測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)際接近于管內(nèi)蒸汽溫度。間接法測(cè)量應(yīng)考慮實(shí)際受熱面管工況，一方面其直接與高溫火焰或煙氣接觸，工作條件惡劣，同時(shí)傳熱過程復(fù)雜，包括輻射、傳導(dǎo)與對(duì)流等情況。其中輻射包括高溫?zé)煔庵械臍怏w、煤粉粒子等。對(duì)流傳熱包括煙氣與管子的沖刷，管內(nèi)工質(zhì)與管子內(nèi)壁的傳熱，導(dǎo)熱過程主要為熱量沿管壁方向的傳熱，其中包括外壁灰污層和內(nèi)壁氧化層的傳熱等[3]。上述每個(gè)傳熱過程影響因素的變化都會(huì)導(dǎo)致管壁溫度的變化，一旦出現(xiàn)異常情況，金屬壁溫超過設(shè)計(jì)值，會(huì)影響受熱面管子安全狀況并大大縮短受熱面管的服役壽命。因此研究并梳理高溫受熱面管壁溫度的影響因素有助于更準(zhǔn)確地進(jìn)行受熱面溫度監(jiān)測(cè)以及安全評(píng)價(jià)等工作。

1 壁溫分析的基本原理

1.1 熱阻的組成

鍋爐運(yùn)行過程中，熱量由火焰或高溫?zé)煔庀蚪饘俟鼙趥鬟f，由于管子表面積灰內(nèi)壁氧化皮生成等情況，傳熱熱阻主要有煙氣側(cè)輻射對(duì)流熱阻、灰污熱阻、金屬管壁熱阻、內(nèi)壁氧化皮熱阻和工質(zhì)側(cè)對(duì)流熱阻等，如圖1所示，其中氧化皮熱阻也是本文考慮的一個(gè)重點(diǎn)。

圖1 熱阻的組成

1.2 壁溫計(jì)算的基本公式

根據(jù)圖1及傳熱方程，計(jì)算點(diǎn)管外壁溫度即為[2]：

式中：

twb——管外壁溫度，℃

qmax——計(jì)算點(diǎn)最大熱負(fù)荷，kW/m 2

式（1）中qmax的指過熱器計(jì)算點(diǎn)管子周界上熱負(fù)荷的最大值，其計(jì)算方法為：

式中：

ηq——熱負(fù)荷不均勻系數(shù)，對(duì)屏式過熱器與高溫過熱器，可取不同的值。

計(jì)算點(diǎn)平均熱負(fù)荷即為計(jì)算點(diǎn)管外煙氣與計(jì)算點(diǎn)管截面工質(zhì)平均溫度只差除以計(jì)算點(diǎn)傳熱總熱阻，即：

式中：

θ——計(jì)算點(diǎn)煙氣溫度，℃；

tj——計(jì)算點(diǎn)斷面處介質(zhì)平均溫度，℃；

β——管子外徑與內(nèi)徑之比，

μ——均流系數(shù)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃ )；

α2——工質(zhì)側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)，W/（m2·℃)；

α1——煙氣側(cè)放熱系數(shù)，W/（m2·℃ )；

ε——管壁灰污系數(shù)；

Ryh——管壁氧化皮熱阻。

2 影響因素

壁溫計(jì)算式反映了正常運(yùn)行情況下影響管壁溫度的因素，在進(jìn)行計(jì)算過程中，忽略一些常量的影響，重點(diǎn)考慮如熱負(fù)荷等變量影響的話，影響因素又可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

2.1 受熱面布置位置的影響

受熱面布置的位置對(duì)壁溫的影響主要體現(xiàn)其熱負(fù)荷的大小，對(duì)于大型電站鍋爐的高溫受熱面，一般同時(shí)受煙氣的輻射和對(duì)流傳熱，距離火焰越近，煙氣溫度越高，輻射傳熱的比例越高，壁溫的升高也呈現(xiàn)出輻射特性。圖2為受熱面不同布置位置的傳熱示意圖。

圖2 高溫受熱面?zhèn)鳠岬氖疽鈭D

鍋爐受熱面管中爐膛水冷壁主要受煙氣輻射傳熱，輻射熱占其總吸熱量的90%以上。爐頂屏式受熱面、高溫過熱器和高溫再熱器主要受輻射和對(duì)流共同作用，尾部受熱面主要為對(duì)流傳熱。計(jì)算過程中，對(duì)于兼受輻射和對(duì)流的受熱面最為復(fù)雜，一般對(duì)于屏式過熱器，輻射考慮從空間包括屏底、屏前、屏后、屏間四個(gè)部分進(jìn)行[4]，其中屏間輻射可在計(jì)算中與對(duì)流合并，同時(shí)要考慮不同管的角系數(shù)[5]，才能較為準(zhǔn)確的計(jì)算出每根管圈的吸熱量和局部熱負(fù)荷。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16507水管鍋爐標(biāo)準(zhǔn)[6]中同時(shí)給出了計(jì)算方法，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)直接給出了壁溫取值的簡(jiǎn)便方法。但簡(jiǎn)便方法只滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需求，在進(jìn)行安全評(píng)價(jià)或壽命評(píng)估過程，有必要掌握不同管屏、不同管圈的傳熱及壁溫狀況，其中位置布置是一個(gè)主要考慮的因素。

2.2 工質(zhì)流動(dòng)狀況的影響

大型電站鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器等工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)是設(shè)計(jì)的核心之一，從設(shè)計(jì)角度來講，一方面就是應(yīng)保證所有受熱面均得到可靠的冷卻，其次是應(yīng)保證各個(gè)回路都能均勻受熱工質(zhì)的溫升接近，避免局部管圈受熱不均導(dǎo)致溫度不均的情況。實(shí)際在運(yùn)行過程中，鍋內(nèi)過程中水從液態(tài)到氣液混合態(tài)到純氣態(tài)變化過程伴隨著介質(zhì)物性參數(shù)的變化，由于燃燒受熱不均和水動(dòng)力本身的多值性，容易出現(xiàn)部分受熱面由于工質(zhì)流動(dòng)不均導(dǎo)致的傳熱惡化。其中典型的如膜態(tài)沸騰和蒸干等，對(duì)鍋爐安全影響極大，傳熱惡化的直接后果就是受熱面金屬管壁溫飛升。

對(duì)于大型電站鍋爐，隨著參數(shù)不斷提升，受熱面布置更加緊湊，屏式過熱器同屏并聯(lián)管路逐步增加，不同管圈由于流程以及傳熱工況的不同，容易出現(xiàn)較大的金屬壁溫偏差，為避免由此產(chǎn)生的偏差，大型電站鍋爐高溫受熱的設(shè)計(jì)采取不同的布置方式，包括不同流程交叉等方式。其中高參數(shù)超臨界電站鍋爐普遍采用節(jié)流孔圈的結(jié)構(gòu)，通過流量的方式調(diào)節(jié)吸熱的均勻性從而保證所有管圈金屬壁溫處在相同的水平。某鍋爐廠制造的1000MW超超臨界電站鍋爐其屏式過熱器，為減小流量偏差使同屏各管的壁溫比較接近，在屏過進(jìn)口集箱上管排的入口處設(shè)置了不同尺寸的節(jié)流圈，最外圈管（φ48.6×8.6)節(jié)流孔為φ21mm，第二圈管（φ45×7.9)不節(jié)流，其余內(nèi)圈管（φ45×7.9)節(jié) 流 孔 有φ19.5mm、φ14mm、φ13.5mm、φ13mm、φ12.5mm、φ12mm、φ11.5mm、 和φ11mm八種規(guī)格。圖3為采用中國(guó)特檢院開發(fā)的鍋爐受熱面管壁溫計(jì)算系統(tǒng)，將管子尺寸和節(jié)流圈參數(shù)等數(shù)據(jù)代入，流量分布的結(jié)果。

圖3 屏過流量計(jì)算結(jié)果

采用入口段布置不同孔徑的節(jié)流孔圈的方式來調(diào)整同屏管圈的流量是鍋爐高溫受熱面壁溫壁溫偏差的常用方式，對(duì)于屏式過熱器，外部管圈由于受熱負(fù)荷最高，工質(zhì)流程最長(zhǎng)。上述計(jì)算可以看出，采用節(jié)流孔圈后最外圈流量最大，保證了其運(yùn)行中能夠得到充分的冷卻，從而有效的協(xié)調(diào)了整體管圈的受熱狀況，保證了壁溫金屬溫度整體的均勻性，屏式過熱器壁溫最終計(jì)算結(jié)果顯示整屏內(nèi)外圈在上述流量情況下得到較為均勻地分布。

2.3 受熱面表面狀況的影響

受熱面運(yùn)行過程中表面會(huì)形成灰污，灰污的產(chǎn)生使得受熱吸熱量降低，影響鍋爐的出力，同時(shí)，鍋爐受熱面的灰污也會(huì)影響受熱面管的金屬壁溫。由于灰污層的存在，由于其熱阻是金屬的成百上千倍，因此，相當(dāng)于對(duì)管壁起了保護(hù)的作用，但是增加了后續(xù)受熱面的安全隱患，由于煙氣得不到有效的冷卻，導(dǎo)致后部的受熱面管熱負(fù)荷過高使得壁溫超過設(shè)計(jì)值。

2.4 內(nèi)壁氧化皮因素的影響

爐管在長(zhǎng)期運(yùn)行中，容易在管內(nèi)壁產(chǎn)生氧化皮，氧化皮的產(chǎn)生的一大危害就是提高了水冷壁管的熱阻，阻礙了熱量向工質(zhì)的傳遞，鍋爐內(nèi)壁氧化皮主要為三氧化二鐵和四氧化三鐵的混合物，其導(dǎo)熱系數(shù)相比于基體材料大大降低，同時(shí)疏松狀態(tài)下還容易存在接觸熱阻。研究表明，內(nèi)壁氧化皮厚度與壁溫情況關(guān)系如圖4所示。

圖4顯示了三個(gè)不同熱負(fù)荷區(qū)域管內(nèi)氧化皮厚度導(dǎo)致壁溫升高的關(guān)系，由此可以，氧化皮的產(chǎn)生對(duì)壁溫升高影響很大。同時(shí)，氧化皮生成后，由于鍋爐的啟停等工況，氧化皮容易脫落導(dǎo)致爐管的彎頭處堵塞直接引發(fā)過熱爆管等情況。鍋爐運(yùn)行過程中氧化皮的生成及剝落狀況是保證受熱面管安全運(yùn)行的重要因素。

圖4 氧化皮厚度對(duì)壁溫的影響

2.5 管子尺寸、材料的影響

高參數(shù)的大型電站鍋爐，工作壓力溫度不斷提升，高溫受熱面管設(shè)計(jì)壁厚增大，管壁越厚本身會(huì)增加熱阻。同時(shí)，其內(nèi)外徑比值接近1：2，由于圓管形結(jié)構(gòu)熱流從外向內(nèi)逐步集聚的特點(diǎn)，也加大了壁溫的提升。

隨著溫度等參數(shù)的提升，更多采用Cr，Ni含量更高的不銹鋼材料甚至鎳基材料替代鐵基材料，金屬成分的差異導(dǎo)致金屬導(dǎo)熱系數(shù)的變化，這也導(dǎo)致了受熱面管金屬壁溫的提升以及加大了金屬內(nèi)外壁的溫差。電站鍋爐受熱面常用材料導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 不同材料導(dǎo)熱系數(shù)的情況[7] [8]

2.6 爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布的因素

鍋爐在運(yùn)行過程中，爐內(nèi)溫度場(chǎng)存在不同的溫度梯度，爐膛或煙道同一煙氣流通截面沿寬度、高度方向存在熱偏差，熱偏差導(dǎo)致了不同位置的受熱面管屏或管圈導(dǎo)致受熱不均從而使得各部位出現(xiàn)金屬壁溫不一致，因此準(zhǔn)確得出熱偏差的分布及數(shù)值是準(zhǔn)確計(jì)算受熱面金屬壁溫的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此做了很多研究，包括熱偏差的擬合公式，線算圖等，隨著計(jì)算燃燒學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)的逐步發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方式得出爐內(nèi)的熱偏差情況，取得了較大的進(jìn)展。但由于燃燒過程的波動(dòng)不穩(wěn)定和復(fù)雜性，目前尚無法通過計(jì)算得出燃燒溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確分布。實(shí)際在評(píng)價(jià)計(jì)算中，壁溫計(jì)算中對(duì)于熱偏差的情況可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果優(yōu)化，力求達(dá)到準(zhǔn)確。

2.7 其他運(yùn)行因素的影響

鍋爐運(yùn)行過程中，運(yùn)行參數(shù)、燃料，以及燃燒器的角度火焰中心位置等均會(huì)對(duì)受熱面的傳熱產(chǎn)生影響，這些因素就需要根據(jù)鍋爐的特點(diǎn)進(jìn)行分析，找準(zhǔn)其關(guān)聯(lián)關(guān)系，才能更準(zhǔn)確的計(jì)算壁溫?cái)?shù)據(jù)，這里不展開論述。

3 評(píng)價(jià)方法

管子在運(yùn)行過程中的使用壽命，一般基于其所受的損傷情況，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，除焊接接頭和母材的缺陷外，鍋爐受熱面管的腐蝕、蠕變、組織老化等損傷中，其管壁溫度均起到重要或決定性作用。在進(jìn)行安全評(píng)價(jià)中如何確定合理的實(shí)際運(yùn)行溫度，進(jìn)行對(duì)各種損傷的評(píng)價(jià)和計(jì)算剩余壽命的重要因素。其評(píng)價(jià)方法及過程可以按照以下方式來進(jìn)行：

1)通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮上述所有因素的影響條件下，計(jì)算得出鍋爐受熱面管不同部位的金屬壁溫狀況。

2）根據(jù)該鍋爐不同運(yùn)行周期的參數(shù)變化規(guī)律及特點(diǎn)，并通過采集一段時(shí)間具有代表特征的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)壁溫的變化規(guī)律，尤其是受運(yùn)行負(fù)荷、吹灰頻次等因素影響變化的規(guī)律。

3）采用數(shù)據(jù)分析的方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)歸納的算法，得出受熱管實(shí)際運(yùn)行溫度的評(píng)價(jià)值。

4）將評(píng)價(jià)值代入各種磨損、腐蝕、蠕變等因素或相互耦合的壽命評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行安全評(píng)價(jià)或壽命評(píng)估的計(jì)算。

5）條件許可時(shí)，對(duì)于進(jìn)行受熱面管子的蠕變壽命評(píng)價(jià)，可結(jié)合檢修期間的割管進(jìn)行試驗(yàn)，從而更加準(zhǔn)確判定安全狀況并驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1）鍋爐受熱面管真實(shí)壁溫狀況受多種因素的影響，其中應(yīng)重點(diǎn)考慮鍋爐管布置的位置及結(jié)構(gòu)，流量的分配情況，以及內(nèi)壁氧化皮、金屬本身導(dǎo)熱系數(shù)的情況等，同時(shí)運(yùn)行過程中還應(yīng)重點(diǎn)考慮鍋爐運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生的影響。

2）受熱面管安全評(píng)價(jià)應(yīng)將鍋爐受熱面管金屬溫度作為考慮重點(diǎn)影響因素，通過采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，得出接近實(shí)際運(yùn)行溫度的評(píng)價(jià)值或當(dāng)量值應(yīng)用于受熱面管的安全評(píng)價(jià)或壽命評(píng)估工作。