基于鍋爐過熱器出口壁溫分析的氧化層脫落在線監測

楊凱，楊志強，韓軼，周洋，姜文濤，沈成喆

（國能三河發電有限責任公司，河北 廊坊 065201）

1 前言

隨著國家3060 目標的提出，節能降耗成為燃煤發電行業首要任務，先進高效超（超）臨界發電技術成為必然趨勢。超(超)臨界機組的主要特點之一是高參數和大容量，這對鍋爐高溫受熱面耐熱合金屬性能提出了更高的要求。目前，氧化層生長和脫落已成為超(超)臨界機組高溫受熱面爆管主要誘因之一；相關計算表明，氧化層厚度每增加0.025mm，再熱器管壁溫度約增加0.28℃，而過熱器壁溫度約增加1.67℃。EvanshE 研究表明，管道內壁氧化皮的生成，會增加管道的傳熱熱阻，從而導致管壁溫度進一步升高，溫度的升高又會導致氧化層生長速率增加，進而形成惡性循環，嚴重影響受熱面的安全運行。SalmanbH 等、PurbolaksonoJ 等具體分析了受熱管中蒸汽流量下降時，蒸汽與金屬基體界面溫度和氧化層生長速度的關系，發現流量下降時氧化皮的生長速度明顯加快。邊彩霞等人研究表明，隨著氧化皮厚度的增加，管壁金屬溫度呈線性升高，導致氧化膜生長的速度增長更快，容易發生剝落堵塞，加劇超溫爆管的風險。同時，氧化層增厚到一定程度，在負荷急劇變動時，大溫差變化容易引起氧化層的脫落；在鍋爐U 形受熱面中，這些脫落的氧化皮會堆積在管道下彎頭處，嚴重時會引起管內蒸汽通流面積減小，進而引起管壁超溫。在600MW 及以上超臨界機組檢修期間，經常發現過熱器，再熱器彎頭處有氧化皮堆積。據不完全統計，我國超(超)臨界鍋爐高溫受熱面管道蒸汽側的氧化腐蝕比較普遍，而且運行一段時間后會有不同程度地氧化皮剝落堵管現象，引起的管道超溫爆管、非計劃停運，威脅機組的安全穩定運行。目前，對蒸汽側氧化層的生長機理及規律的研究已較為全面，但是如何在運行過程中通過運行參數的監控對氧化層的脫落進行評估的研究，還相對比較缺乏。

本文擬通過CFD 仿真的方法，研究受熱面管道在氧化層脫落堵管后，管道出口溫度的變化規律，并在此基礎上提出通過壁溫監測氧化層堵管嚴重程度的監測方法。

2 氧化層堆積對出口溫度影響分析

以某660MW 超臨界鍋爐末級過熱器為研究對象，通過減小同屏管中某些管道的通流截面積，研究堵管后流量合溫度的變化規律。

2.1 過熱器管屏有限元模型

鍋爐受熱面布置如圖1 所示，通過熱力計算得到BMCR 負荷下的過熱器入口煙溫和出口煙溫；根據實際運行過程中，過熱器二級減溫后蒸汽溫度作為工質入口溫度，過熱器壁溫測點作為工質出口溫度；建立了單屏過熱器有限元模型如圖2 所示。其工質及煙氣進出口溫度如表1 所示。

表1 受熱面進出口邊界條件

表2 過熱器結構參數

圖1 鍋爐受熱面布置圖

圖2 分配集箱處有限元網格劃分

氧化層脫落對受熱面管的主要影響是脫落的氧化皮在U 形管的下彎頭形成堆積，導致管內通流面積減小，進而導致蒸汽流量減??；管道冷卻能力下降，引起受熱面金屬壁面溫度和工質溫度均有上升。為了模擬在氧化層脫落后，流量和壁溫的變化關系，對其中一根管道的通流面積分別縮小1/3 和1/4，建立有限元分析模型；有限元網格劃分如圖2 所示。

2.2 堵管對流量分配的影響分析

由于受熱面管道的長度和彎頭數量各不相同，因此，管道的流動阻力和流量也各不相同。定義各管流量和平均流量的比值為流量偏差系數，如公式1 所示。

其中，G 為單個管道流量；Gm為同屏管中管道的平均流量。提取各個管道的流量仿真結果，并利用公式1計算流量偏差系數，結果如圖3 所示。

圖3 流量偏差系數

可以看出，當設置2 號管和12 號管通流面積為初始值的75%時，2 號管流量偏差系數從0.87 降到0.75，12 號管從0.91 降到0.78。當管道截面積減小，其所減小的流量會分配到同屏管的其他管道。而且同屏中間位置管道（如圖3 中編號7）的流量增加量要大于同屏靠兩側的管道，這是由于中間管道從入口到出口的長度較短，沿程阻力相對較小，在同樣的進出口壓力變化情況下，流量增加較多。另外，從圖中可以看出，第1 管屏發生堵管時，對相鄰的第2 和第3 管屏的流量沒有明顯影響，說明堵管的影響僅局限于同屏管之間，對屏間的流量分配基本沒有影響。

2.3 堵管對壁溫變化的影響

通過圖2 流量分配可以看出，當有氧化皮脫落導致管道流量降低時，會在同屏管中引起流量的再分配。因此，可以預知堵管管道壁溫必然會因為流量減小、工質冷卻能力降低而呈現上升趨勢，會在管道出口壁溫測點有所體現。為了定量分析這種變化關系，對鍋爐受熱面進行流動和傳熱的耦合分析，得到受熱面的壁溫分布如圖4 所示?？梢钥闯?，管道發生堵塞后，管壁的出口溫度會有明顯上升。

圖4 受熱面管壁溫度分布云圖

從圖5（a）可以看出，管道壁溫從入口到出口呈現逐漸上升趨勢，但是，在U 形管下彎頭部位，壁溫有一個峰值出現，這是由于在U 形管的下部和折焰角之間形成煙氣走廊，煙氣流速較快，對流換熱較大；同時，在過熱器入口截面上鍋爐熱負荷的分布特點是上低下高，因此，在U形彎頭處熱負荷也較高，兩個原因綜合導致彎頭處的壁溫較高。同時可以看到，在同管屏中，位于迎風面的第一個管道出口溫度最高，是整個管屏中最為危險的管道。

圖5 受熱面管壁溫度分布曲線

當管道發生堵塞，導致通流截面積下降時，管道壁溫的變化如圖5(b)和(c)所示，管道壁溫的變化趨勢整體保持不變，但是，在被堵管道上的相同位置壁溫都有不同程度的上升。隨著管子堵塞情況的加劇，管道壁溫越來越高，當3 號管堵塞面積比例分別為1/3、1/2和2/3 時，管道壁溫比原來整體分別上升了8℃、25℃和70℃。所以，隨著3 號管堵塞情況的加劇，管道壁溫的升高幅度越來越大。

3 基于出口溫度監測的氧化層脫落監控

通過以上分析可知，當氧化層發生脫落后，由于氧化層在彎頭處的堆積，會導致管道流量下降，管道沿程工質和金屬溫度均有上升，最終會反映到管道出口溫度的上升。假設A、B、C 三根管道中的B 管發生堵管時（圖6 中虛線框），壁溫的變化關系如圖6 所示；隨著機組容量及參數的提高，為了便于監測管道的超溫和熱偏差情況，新型超（超）臨界機組的末級過熱器和末級再熱器的出口管道壁溫測點日趨完善，甚至在1000MW機組上，基本上每根管道都有壁溫測點。這就為鍋爐管的壁溫智能分析提供可能。

圖6 氧化層脫落時壁溫的變化趨勢

通過在同屏管中多根管道壁溫的同時監測，組成一個分析單元，實時分析監測單元內管道和相鄰管道的壁溫變化關系，對管道的氧化層脫落進行監測。

根據鍋爐受熱面管道的壁溫測點的安裝情況，取同屏管相鄰的管道進行同時監測，設定預警閾值，當滿足條件時，給出預警。具體處理流程如下：

以某超臨界660MW 鍋爐分隔屏過熱器為例，受熱面規格為φ44.5×8mm，材質為SA-213TP347H，2017 年5月7 日，于1 大屏第5 小屏第2 圈發生爆管，停爐后對分隔屏過熱器不銹鋼彎頭100%檢測，經檢測、復測、定性、定量分析，判定共計15 根管氧化皮堆積超過截面1/3，需割管清理。內窺鏡檢查如圖7 和圖8 所示，爆管彎頭底部堆積大量的氧化皮，磁通量檢測值達2.48，稱重264.2g，管內堵塞嚴重。該受熱面僅在每小屏的第一和第二根管道安裝了測點，提取爆管前一段時間的壁溫監控數據歷史數據如圖9 所示。

圖7 內窺鏡檢查

圖8 氧化皮脫落情況

圖9 壁溫歷史數據

由圖9 可以看出，在管道爆管前1 周，爆管管道的出口壁溫和前側管的出口壁溫的差值有增大趨勢。在正常運行時，相鄰兩根管道的出口壁溫差值最大值為3.617℃，出現異常時，出口壁溫最大差值約為8℃左右，的變化如圖10 所示，當出現異常時，出現明顯的變化。的5%分位如圖所示，可以看出，出現異常時，的值持續低于5%分位值。

圖10 特征值監控曲線

4 結語

本文通過Fluent 有限元仿真方法，研究了某660MW鍋爐的后屏過熱器在堵管情況下的流量和壁溫分布規律。結果表明，在堵管情況，同屏管內的沿程阻力?。ㄗ顑热艿溃┑墓艿懒髁吭黾臃容^大。在管道堵管時，沿程壁溫都會有不同程度的上升；設定監測單元，通過監測單元內的變化和正常值95%（或5%）分位數的數量關系，可實現基于壁溫變化的氧化層脫落堵管監控，對實際運行具有一定的指導作用。