毕业论文 电站锅炉后屏过热器壁温计算及爆管研究.doc

毕业论文作者：学号：系：动力工程专业：热能与动力工程题目：电站锅炉后屏过热器壁温计算及爆管研究指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2007年6月摘要I摘要近年来，我国的火力发电机组逐渐向大容量方向发展。由于锅炉蒸汽参数的不断提高，过热器和再热器系统受热面积越来越大，设计和布置日趋复杂，不可避免地导致并联各管内的流量与吸热量发生差异。过热器受热面中的工质是高温高压的蒸汽，而受热面又处于烟气温度较高的区域，工作条件比较恶劣。因而受设计、制造、运行等诸多方面因素的影响，过热器受热面经常发生超温现象，严重时发生爆管事故。目前，大型电站锅炉爆管事故(BFT)已成为当前威胁发电设备稳定运行的突出矛盾，而且随着旧机组服役时间的增加及新机组投产量和参数的提高，这类事故还有逐年上升的趋势，是影响安全发供电的主要因素。研究和防止过热器爆管已成为保证火电厂安全经济运行和提高经济效益的关键课题之一。本文以研究了爆管问题为主，对电站燃煤锅炉过热器超温、爆管的问题进行了综合研究，通过对过热器系统的热偏差理论的研究，详细分析了造成过热器超温、爆管的原因，给出了预防过热器超温、爆管的方法，并结合一台具体的锅炉，计算了在不同煤种、不同负荷的情况下其后屏几个危险点的管壁温度，建立了壁温与负荷的关系，提出了锅炉安全工作的负荷及燃料限制，并提出了技术改造方案。现场的热力实验印证了技术改造方法的可行性。关键词：过热器、超温、爆管、壁温计算、技术改造本科毕业论文IIABSTRACTInrecentyears，thermalgeneratorunitcapacityrasedmoreandmoreinchina.Withsteamparameterinboilerincreasedcontinuously，heatingsurfaceareaofsuperheaterandreheaterbecamebiggerandbigger，andthedesignandarrangementbecamemoreandmorecomplex，andtheseleadtotheflowandheatabsorptioncapacitydifferenceinparalleltubesunavoidably.Becausethemediatorworkinginthesuperheaterarehightemperatureandhighpressuresteam，andtheheatingsurfacesareinthehightemperaturefumearea，sotheworkingconditionisbad.Overtmperature，eventubeexplosionintheheatingsurfaceofsuperheateralwayshappenbecauseofmanyelementsindesign，manufactureandoperation.Atpresent，tubeexplosionofpowerstation(BTFbecomeanimportantprobleminfluencingthesafeofthepowerstationoperation.Andwiththeincreaseofthetimeonactiveserviceofoldunitsandimprovementofoperationamountandparameteronnewunits，thiskindofaccidenthastrendofrisingyearbyyear，andisthemainfactorinfluencingthesafeoftheoperation.So，studyonpreventingtubeexplosionbecomeoneofthekeysubjectsonpowerplantsafeeconomicaloperationandincreasingeconomicefficiency.Theresearchdevelopedontheovertemperatureandtubeexplosionofsuperheaterinpowerplantandanalysedthereasonofovertemperatureandtubeexplosionofsuperheaterbytheresearchonheatdeviationcoefficientandgavetheprecaution.Theauthorhas，calculatedsomedangerouspointswhileusingdifferentcoalsandrunningunderdifferentloadcondition，establishedthemathematicrelationonwalltemperaturewithload，andproposedthelimitofloadandfuelforsafeworkandgiventhetechnologicaltransformationmethodstosolvetheseproblemsandprovedthefeasibilityofthemethodsbytheanalysisoffieldthermalperformanceoftheboiler.KeyWords：superheater，overtemperature，tubeexplosion，thermalcalculation，technologicaltransformation目录III目录摘要.IABSTRACT.II目录.III第1章绪论.-1-1.1课题的选题背景.-1-1.2国内外研究的现状.-1-1.3壁温计算.-3-第2章过热器系统的热偏差理论分析.-4-2.1热力不均匀性.-5-2.1.1沿烟道宽度的热力不均匀性.-5-2.1.2沿烟道高度(或深度)的热力不均匀性.-5-2.1.3同屏(片)各管的热力不均匀性.-6-2.2水力不均匀性.-7-2.2.1集箱效应引起的流量不均匀性.-7-2.2.2管子结构差异引起的流量分配不均匀性.-7-2.2.3热效流动引起的流量分配不均匀性.-7-第3章受热面超温爆管原因及预防措施综述.-8-3.1设计原因造成受热面超温、爆管原因综述.-8-3.1.1热力计算结果与实际不符.-8-3.1.2炉膜选型不当.-8-3.1.3过热器系统结构设计及受热面布置不合理.-8-3.1.4壁温计算方法不完善，导致材质选用不当.-9-3.2制造工艺、安装及检修质量对受热面超温、爆管的影响.-9-3.2.1联箱中间隔板焊接问题.-10-3.2.2联箱管座角焊缝问题.-10-3.2.3异种钢管的焊接问题.-10-3.2.4普通焊口质量问题.-10-3.2.5管子弯头椭圆度和管壁减薄问题.-11-3.2.6异物堵塞管路.-11-3.2.7管材质量问题.-11-3.3调温装置设计不合理或不能正常工作引起的受热面超温爆管的分析.-11-3.3.1减温水系统设计不合理.-12-3.3.2喷水减温器容量不合适.-12-3.3.3文氏管式喷水减温器端部隔板漏流及局部涡流.-12-3.3.4喷水减温器调节阀调节性能问题.-13-3.3.5再热器调节受热面.-13-3.3.6挡板调温装置.-13-本科毕业论文IV3.3.7烟气再循环.-13-3.3.8火焰中心的调节.-14-3.4锅炉运行状况影响受热面超温、爆管的几种情况简介.-14-3.4.1炉内然烧工况.-15-3.4.2高压加热器投入率低.-15-3.4.3煤种的差异.-15-3.4.4负荷变化.-16-3.4.5汽机高压缸排汽温度降低.-16-3.4.6受热面站污.-16-3.4.7磨损与腐蚀.-16-3.4.8运行管理.-17-3.5预防过热器管壁超温的方法.-17-3.5.1结构措施.-17-3.5.2运行措施.-18-第4章热偏差和壁温计算.-23-4.1热偏差系数的计算.-23-4.1.1结构偏差系数的计算.-23-4.1.2吸热偏差的计算.-23-4.1.3水力偏差系数的计算.-25-4.2壁温计算.-29-第5章屏式过热器结果分析及应用.-34-5.1计算结果.-34-5.2计算结果应用.-36-5.2.1锅炉安全工作的负荷及燃料限制.-36-5.2.2预防超温的技术方案.-36-结论.-39-致谢.-40-参考文献.-41-第1章绪论-1-第1章绪论1.1课题的选题背景改革开放的20年是我国电力工业大发展时期，到2000年底全国发电装机容量达到3.19亿kW，年发电量达到13685亿kWh，成为世界上第二大电力生产国。随着我国电力工业的发展，火力发电机组的容量不断增大，电站锅炉过热器超温爆管、泄漏的问题也日益严重，影响了发电厂的安全、稳定和经济运行。由此引起的非计划停运时间占总停运时间的20%左右，少发电量占总少发电量的25%左右。所以分析锅炉过热器爆管的机理及原因，监测过热器的管壁温度，从根本上采取措施减少过热器由于管壁超温引起的爆管。对于发电机组安全经济运行是非常重要的一项工作1。目前，大型电站锅炉爆管事故(BTF)已成为当前威胁发电设备稳定运行的突出矛盾。据统计，“七五”期间全国200MW以上机组共发生锅炉事故1976次，其中锅炉爆漏事故为1417次，占锅炉事故的72%2。在锅炉爆管事故中过热器爆管造成的事故损失最大，而且随着旧机组服役时间的增加及新机组投产量和参数的提高，这类事故还有逐年上升的趋势，是影响安全发供电的主要因素。锅炉过热器、再热器及省煤器既是受热面又是承压部件。而过热器是锅炉承压部件中工作温度最高的受热面，管内流过的是高温高压蒸汽，其传热性能较差，而管外又是高温烟气，所处环境恶劣，因此损坏事故的比例非常大。因此，研究和防止过热器爆管已成为保证火电厂安全经济运行和提高经济效益的关键课题。了解过热器爆管事故的直接原因和根本原因，搞清管子失效的机理，并提出预防措施，减少过热器爆管的发生是当前的首要问题。1.2国内外研究的现状造成过热器爆管的直接原因很多，而其中最主要的是设计因素、制造安装检修和运行。而设计因素中有圆燃烧方式本身所固有的缺陷。四角切圆燃烧的炉内旋转上升气流由炉膛出口进入对流烟道时，存在相当强的残余旋转，引起对流烟道两侧的烟速差和烟温本科毕业论文-2-差，使烟道内热负荷分布不均，从而导致过热器超温爆管。设计选用系数不合理。如华能上安电厂由B&W公司设计、制造的“W”型锅炉，选用了不合理的受热面系数，使炉膛出口烟温实测值比设计值高801003。过热器系统结构设计和布置不合理。如金竹山电厂1号炉屏式过热器进入三级过热器的左右交叉方式欠佳，导致三、四级过热器频繁爆管4。计算中没有充分考虑热偏差。如淮北电厂5号炉过热器在后屏设计中没有将前屏造成的偏差考虑进去，引起过热器爆管5。炉膛结构不合理。如邢台发电厂4号炉屏底与折焰角之间的间隙太大，后屏不能有效地消除炉膛出口的残余旋转，增大过热器的热负荷，导致超温爆管6。其中制造、安装和维修因素包括：钢材质量差、管子本身存在分层、夹渣等缺陷，运行时受温度和应力影响缺陷扩大而爆管。如荆门热电厂4号炉过热器弯头发生的爆管7，错用钢材；如靖远电厂4号炉的制造、维修过程中，应该用合金钢的高温过热器出口联箱管座错用碳钢，使碳钢管座长期过热爆破8，焊接质量差。如鹤壁电厂1000t/h锅炉过热器制造时焊接质量不过关，导致频繁爆管9。安装质量问题。如扬州发电厂DG670/140-8型固态排渣煤粉炉的包墙过热器未按照图纸要求施工，使管子排列、固定和膨胀间隙出现问题，从而导致爆管10。异物堵塞管子。如长春热电二厂1号炉因管路堵塞造成短时超温爆管11。而运行状况因素是蒸汽品质不良，引起管内结垢严重，导致管壁过热爆管。如镇海发电厂6号炉(DG670/140-8)曾因这类问题引起7次爆管12。燃烧煤种偏离设计煤种，使着火点延迟，火焰中心上移，当炉膛高度不足，过热器就会过热爆管。运行调整不当。如浑江发电厂3号炉，过热器使用的材质基本都工作在材质允许的极限温度中，在运行工况发生变化时调整不当，发生瞬时超温爆管13。受热面沾污。如石嘴山电厂9号炉，因吹灰器没有投入运行，受热面部分管子结渣或积灰，使管间吸热严重不均，从而导致屏式过热器超温爆管14，管间振动磨损。如来阳电厂1号炉，固定件与过热器管屏间的连接焊缝烧裂，管屏发生振动，固定件与管屏内圈发生摩擦，使管壁磨损减薄，在内压力的作用下发生爆管15。减温器发生故障。如巴陵石化公司动力厂5号炉，将减温器级调节阀固定，用级调节阀调节。因起主调作用的级减温器减温水投入少，冷却屏式过热器、高温过热器的效果差，增加过热器超温的可能16。超期服役。如黄台2号炉过热器管已运行23万小时以上，管材球化、氧化严重，已出现蠕变裂纹，如不及时更换，迟早会发生爆管17。管内壁积垢、外壁氧化。如洛河电厂2号炉管内壁结垢0.7mm，使过热器壁温升高2030；外壁氧化皮110mm，又使管壁减薄，因此爆管频繁18。燃煤灰分高。如山东十里泉电厂的SG400/140-M413型锅炉，燃煤灰分高达37.11%，长期运行造成磨损爆管19。高压加热器投入率低。如江西景德镇电厂SG220-100-1型煤粉炉的高压加热第1章绪论-3-器长期投用不正常，给水温度为150160，一直未达到设计要求的215，使过热蒸汽温度升高，造成超温爆管20。国际上已经对锅炉爆管机理有了很深研究，可分为22种故障机理，并且已有19种都已查明并彻底解决，但有三种机理在当时是不能有效地、彻底地解决。这三种机理是：发生在水冷壁水侧和省煤器管的腐蚀疲劳爆管，发生在超临界机组水冷壁烟气侧管壁最高热流量段的环形裂纹以及飞灰磨损。进一步分析表明可用率提高的障碍不是技术问题，而是管理和经济问题，研究人员发现，电厂人员经常是不接触技术的管理，很难断定事故机理。而结合我国电站锅炉过热器爆管事故实际，把电站锅炉过热器爆管归纳为以下9种不同的机理：长期过热、短期过热、磨损、汽侧的氧腐蚀、应力腐蚀裂纹、热疲劳、高温腐蚀、异种金属焊接、质量控制失误【2123】。1.3壁温计算大容量锅炉的分隔屏与后屏过热器的传热计算关系着锅炉的汽温特性以至锅炉的变负荷性能。正确的理论计算方法应能客观反映锅炉在变负荷、改变各层燃烧器投入方式等条件下的实际运行规律。关于后屏过热器壁温计算方法分别在以下文献有所涉及：文献24中对屏式过热器的壁温计算方法进行了分析研究，通过对比，采用了一种更为严格的数值计算方法，并且编制了壁温数值计算程序。将屏式过热器各离散化为小单元，按工质流动顺序逐次计算小单元的热负荷，进而求出壁温分布，对屏式过热器入口进行二维离散，考虑影响管子传热的结构、位置、流动等偏差因素。该方法便于在计算机上实现快速准确的管壁温度计算预测。文献25用了与文献23基本一致的方法对电站锅炉对流过热器的壁温进行了改进。文献26提出了大容量锅炉屏式过热器传热计算新方法，不仅能突出屏式过热器传热过程的实际规律，而且计算简便。对一些重要的细节进行了比较详细的理论分析。文献27提出了原苏联热力计算标准（1973年）73法的壁温计算提出了其中许多不足并且提出了修改意见并编制了计算程序。本科毕业论文-4-第2章过热器系统的热偏差理论分析过热器和再热器长期安全工作的首要条件是其金属壁温不超过材料的最高允许温度。然而，要满足这一条件是有一定难度的，这是因为过热器和再热器中工质的温度最高，受热面的热负荷也相当高，而蒸汽的放热系数却较小，故其管壁温度很高，已接近钢材的最高允许温度。运行时，由于热偏差或汽温变化等原因，可能使个别管子因壁温过高或者超过允许温度而损坏。过热器和再热器的管壁温度与其并列管子间的热偏差密切相关。所谓热偏差指过热器和再热器管组中因各根管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能不同而引起的每根管子中的蒸汽焓增不同的现象28。热偏差的程度可用热偏差系数来衡量，即0hhp(2-1)式中：ph热偏差管（所检测管子）中工质的焓增，kJ/kg；0h管组中工质的平均焓增，kJ/kg。由于工质的焓增是由管子外壁所受到的热负荷Q、受热面积H以及管子内部工质流量G所决定，因此可以得到热偏差系数的公式为：在式(21)中，ph和0h可表示为：kgkJGFqhpppp/,kgkJGFqh/,0000式中：pppGFq、分别为偏差管外壁面热负荷，kJ/(m2·s)，受热面积，m2，及工质流量，kg/s；000GFq、分别为管组外壁面热负荷，kJ/(m2·s)，受热面积，m2，及工质流量，kg/s。于是，有：GFqpppGGFFqq000/1(22)q吸热不均匀系数；F结构不均匀系数；