（热能工程专业论文）大容量电站锅炉过热器安全性能在线监测系统.pdf

上海交通大学硕士学位论文摘要 大容量电站锅炉过热器安全性能在线监测系统 摘要 挝热器和再热器超温爆管是目前大容量电站锅炉最为常见的事 、 故之一。除了设计和运行上的失误之外，过热器和再热器的壁温监测 手段落后也是发生事故的主要原因之一。现有炉内壁温监测是通过等 间距布置在炉外管子上的少量壁温测点，凭经验加某一增量来估算 的，和实际值有较大的差异，往往起不到监测作用。本文所提出的大 容量电站锅炉过热器安全性能在线监测系统，是根据烟气侧热负荷的 分布特性和蒸汽侧的流量分布特性，有目的地布置炉外壁温测点，以 获得实时工况的变化，同时通过计算的办法，得出炉内各根管子沿管 长的温度，从而达到在线监测过热器安全性能的目的。这一系统同样 。 适用于锅炉再热器。 ， 本文首先根据改进的热偏差和流量偏差的计算方法，提出实时计 算过热器汽温壁温分布的计算思路，并以谏壁电厂7 牟炉高温过热器 为实例，通过开发出一套过热器安全性能在线监测软件系统来实现这 一思路。这个系统具有良好的人机界面，实现了在线计算、显示沿炉 宽各屏各管沿长度的汽温和炉内壁温分布；显示超温点的位置和温度 值并报警；运行数据的保存和统计；为电厂m i s 和d c s 系统提供实 时控制、运行管理的数据等功能。文中详细介绍了安全性能在线监测 系统的实现方案和实现方法。该系统已经在现场运行，并取得了良好 上海交通大学硕士学位论文摘要 的运行效果。 本文还根据该系统所得出的超温诊断结果，应用改进的热偏差和 流量偏差计算方法，提出了改进方案，该方案将在谏壁电厂得到实施。 关键词锅炉过热器超温爆管在线监测 上海交通大学硕士学位论文摘要 s a f ep e r f o r m a n c e0 n l i n em o n i t o l u n g s y s t e mo fs u p e r h e a t e ro fu t i l i t yb o i l e r a b s t r a c t o v e r h e a t i n gt u b er u p t u r e o fs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e ri st h e m o s tc o m m o na c c i d e n to f u t i l i t yb o i l e ra tp r e s e n t e x c e p td e s i g nb u g sa n d r u n n i n gp r o b l e m s ，b e h i n d h a n dm e a n so fw a l lt e m p e r a t u r em o n i t o r i n go f r e h e a t e ra n ds u p e r h e a t e ri so n eo fm a j o rr e s u l t s m e a n sa tp r e s e n ti sa s f o l l o w ：f i r s t ，d i s p o s ef e we q u i d i s t a n tw a l lt e m p e r a t u r em e n s u r a t ep o i n t s 0 o ne x t e r n a lt u b e s ，t h e na d da ni n c r e m e n tt ot h i st e m p e r a t u r ea n dt a k et h i s a sa c t u a lw a l lt e m p e r a t u r e i nf a c t ，t h i s t e m p e r a t u r ed i f f e r sf r o ma c t u a l o n e ，a n dt h i sm e a n sc a n n o ta r r i v ea ti t sr a wp u r p o s e s ot h i sa r t i c l ep u t f o r w a r ds a f e p e r f o r m a n c eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fs u p e r h e a t e ro f u t i l i t yb o i l e r w a l lt e m p e r a t u r em e n s u r a t ep o i n t so n e x t e m a lt u b e sw i l lb e d i s p o s e da c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h e r m a ll o a do n b u r n i n gg a ss i d ea n d f l u xo ns t e a ms i d e o nt h eb a s i so fm e n s u r a t e r e s u l t s ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n ge a c ht u b ea n da l o n gt u b e sl e n g t hc a nb e c a l c u l a t e db yac e r t a i nc a l c u l a t i o nm e t h o d a n ds ot h e p u r p o s eo f o n l i n e 上坶交远大学硕士学位论文摘要 m o n i t o r i n g s a f ep e r f o r m a n c eo f s u p e r h e a t e rc a n b ea c h i e v e d t h i ss y s t e m i sa l s os u i t a b l et or e h e a t e ro f u t i l i t yb o i l e r f i r s t ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r d t h em e a n so fr e a l - t i m ec a l c u l a t i n g s t e a mt e m p e r a t u r ea n dw a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs u p e r h e a t e r , a n d t h e nt a k e7 拌h i g hh e a t i n g s u p e r h e a t e ro fj i a nb ip o w e rp l a n t a sa n e x a m p l e t or e a l i z et h i sm e a n s ，b yd e v e l o p i n gas e to f a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， n a m e ds a f e p e r f o r m a n c em o n i t o r i n gs y s t e mo fs u p e r h e a t e r c h a r a c t e r s a n df u n c t i o n so ft h i s s y s t e ma r et h e s e ：g o o di n t e r f a c e ；o n l i n ec a l c u l a t e ； d i s p l a yd i s t r i b u t i o no fs t e a mt e m p e r a t u r ea n d w a l lt e m p e r a t u r eo fe a c h p o m ta l o n gt u b e sl e n g t ho ne a c hc u r t a i na l o n gw i d t ho fb o i l e r ；d i s p l a y t h el o c a t i o na n dv a l u eo f o v e r h e a t i n gp o i n t a n da l a r m ；s t o r et h e p e r f o r m a n c ed a t aa n da n a l y z e ，p r o v i d ed a t an e e d e db y m i sa n dd c sf o r r e a l - t i m ec o n t r o la n d p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t t h i s a r t i c l eh a s i n t r o d u c e ds o l u t i o n sa n dm e t h o d so fr e a l i z i n go n l i n es a f ep e r f o r m a n c e s y s t e mi nd e t a i l t h i ss y s t e mh a sb e e nr u n n i n gi nu n i t ，a n dg o o de f f e c t s h a v eb e e no b t a i n e d t h i sa r t i c l ea l s op u tf o r w a r dai m p r o v e ds o l u t i o na c c o r d i n gt o t h eo v e r h e a t i n gd i a g n o s i sr e s u l t sm a d eb yt h i ss y s t e m ，a n du s ei m p r o v e d c a l c u l a t em e t h o d so ft h e r i n a ld e v i a t i o na n df l u xd e v i a t i o n t h i ss o l u t i o n w i l lb e p u ti np r a c t i c ei nj i a n b i p o w e rp l a n t 上岛交通大学硕士学位论文摘要 k e yw o r d sb o i l e r , s u p e r h e a t e r , o v e r h e a t i n gt u b e r u p t u r e ，o n l i n e m o m t o r m g 上海交通大学硕士学位论文第一章 1 1 引言 第一章绪论 目前，在电站锅炉的运行故障中，四管爆破占首位。大型电站锅炉 爆管事故( b t f ) 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2 0 0 m w 以上机组共发生锅炉事故1 9 7 6 次，其中 锅炉爆漏事故为1 4 1 7 次，占锅炉事故的7 2 1 1 1 。除了国产的电站锅炉以 外，近年来投入运行的一大批进口的和引进型的3 0 0 m w 、6 0 0 m w 等级 的大容量电站锅炉也相继发生了超温爆管事故。如下的一些四角切圆燃 烧电站锅炉发生过这类事故1 2 j ： 1 引进型 石横、汉川、沙角a 、珠江、吴泾等电厂的3 0 0 m w 锅炉的末级再 热器：华能德州电厂的3 0 0 m w 和平圩电厂的6 0 0 m w 锅炉的屏式再热器 和末级再热器： 。 2 进口锅炉 北仑电厂从美国a b b ( c e ) 公司进口的6 0 0 m w 锅炉的末级再热器： 石洞口第二发电厂从瑞士s u l z e r 公司和美国a b b ( c e ) 公司进口的 6 0 0 m w 超临界压力锅炉的末级再热器：宝钢电厂、福州电厂、大连电厂 从日本三菱公司进口的3 5 0 m w 锅炉的屏式再热器和末级再热器；陡河 电厂从日本日立公司进口的2 5 0 m w 锅炉的末级再热器；上安电厂从加 拿大b & w 公司进口的3 5 0 m w 锅炉的大屏过热器和高温再热器：大霸电 厂从美国b & w 公司进口的3 0 0 m w 锅炉的低温过热器；元宝山电厂从德 国s t e i m u l l e r 公司进口的6 0 0 m w 锅炉的过热器。 在锅炉爆管事故中因过热器再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重要因素。因此，研究和防止过 热器再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一个 不可忽视的方面。 上海交通大学硕士学位论文第一章 1 2 超温爆管发生原因分析 事实上，当爆管发生时常采用所谓快速维修的方法，如使用简单的 运行调整、更换一端管子或者采用喷涂、衬垫焊接来修复，但一段时间 后又再爆管。爆管在同一根管子、同一种材料或锅炉的同一区域的相同 断面上反复发生这一现象说明锅炉爆管的根本问题还未被解决。因此， 了解过热器再热器爆管事故的直接原因和根本原因，搞清管予失效的机 理，井提出预防和监控措施，减少过热器再热器爆管的发生是当前的重 要问题。 12 1 过热器爆管事故的直接原因 造成过热器爆管的直接原因很多，下面从设计、制造安装检修和运行 3 个方面进行讨论1 2 1 3 儿”。 1 设计因素 四角切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8 0 1 0 0 ； 过热器系统结构设计和布置不合理，如金竹山电厂l 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； 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； 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。 2 制造、安装和维修因素 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： 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 2 上海交通大学硕士学位论文 第章 温过热器出口联箱管座而错用碳钢，使碳钢管座长期过热爆破。焊接质 量差。如谏壁电厂1 0 0 0 t h 锅炉过热器制造时焊接质量不过关，导致频 繁爆管。安装质量问题。如扬州发电厂d g 6 7 0 1 4 0 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。 异物堵塞管子。如长春热电二厂l 号炉因管路堵塞造成短时超温爆 管。 3 运行状况因素 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( d g 6 7 0 ，1 4 0 8 ) 曾因这类问题引起7 次爆管：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：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；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：减温器发生故障， 如巴陵石化公司动力厂5 号炉，将减温器i 级调节阀固定，用i i 级调节 阀调节。因起主调作用的i 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；超期服役，如黄台2 号 炉过热器管己运行2 3 万h 以上，管材球化、氧化严重，已出现蠕变裂纹， 有发生爆管的危险：管内壁积垢、外壁氧化，如洛河电厂2 号炉管内壁 结垢0 7 m m ，使过热器壁温升高2 0 3 0 ，外壁氧化皮1 0 r a m ，又使管 壁减薄，因此爆管频繁：燃煤灰分高，如山东里泉电厂的s g 4 0 0 1 4 0 m 4 l3 型锅炉，燃煤灰分高达3 7 11 ，长期运行造成磨损爆管；高压加热器投 入率低，如江西景德镇电厂s g 2 2 0 一l0 0 1 型煤粉炉的高压加热器长期投 用不正常，给水温度为1 5 0 1 6 0 ，一直未达到设计要求的2 1 5 。使过 热蒸汽温度升高，造成超温爆管。 导致超温爆管的另一个方面的直接原因是监控手段的落后。国内发生 四管爆破的故障时，总是组织一些有经验的专家进行会诊，通过分析、 判断、实验、研究，找出发生故障的原因，提出改进措施和方案，这种 方法的确取得了良好的效果，但随着电站锅炉经济和安全运行要求的提 高，电厂希望能够作到实时的监测和诊断，所以专家会诊的方法在时间 上显示了不足的地方。如果能够在日常运行中发现超温爆管，就可以通 上海交通大学硕士学位论文第一章 过运行调整和改造方案成功的避免其带来的更大的损失。 1 22 过热器爆管事故的根本原因 经过对上面爆管直接原因的分析，可以发现尽管引起超温爆管的因 素有很多种，然而最直接的就是管壁温度超过管材的安全使用温度。由 于运行调整和制造安装方面的影响因素十分复杂，具有一定的不可控制 特性，在不同的锅炉和电厂运行环境中有不同的形成原因，甚至在同一 炉子不同的时期也会有不同的形成原因，所以对于这两个方面的根本原 因的讨论不具备普适性。同时，注意到计算机工具的日益使用，结合电 厂对于实时安全运行的需要，计算机参与的监测、诊断、控制系统的研 究也显得重要。 因此本文将集中讨论造成设计缺陷的原因以及这些理论研究在电厂 安全性能监测和电厂改造上的应用。 设计上的缺陷由下列三个方面造成： 1 烟气侧热负荷分布不均匀 四角切圆燃烧方式引起烟速偏差和烟温偏差，墙式布置旋流燃烧器 因各只燃烧器热负荷不同而引起偏差。同时，高温烟气在炉膛出口转入 水平烟道时，由于其残余旋转等原因而使沿烟道宽度的烟气的温度和速 度有大的偏差。 2 蒸汽侧流量偏差 各种集箱布置系统均存在这类问题。比如采用三通结构将导汽管引 入过热器再热器的进口集箱，在三通区域的集箱中形成涡流，由于涡流 区的静压降低，从而造成沿烟道宽度各片屏之间的蒸汽流量有偏差。 3 同屏热偏差 结构造成偏差。如由于内外圈管子的长度不同，形成同屏的流量偏差 和受热面偏差，导致同屏各管吸热量的不同。 以上三点原因前人已经进行了大量深入而细致的研究，下面将对前人 的研究成果作一个综述。 上海交通丈学硕士学位论文第一章 1 3 前人研究工作综述 1 3 1 过热器再热器系统热偏差研究 上海成套所王孟浩高工提出了同屏( 片) 热偏差理论及其相应的计 算方法 5 1 ，他提出的计算同屏热偏差的模型是分段计算模型，已成功地 解决了陡河电厂日本日立8 5 0 t h 锅炉等过热器或再热器受热面因同屏 ( 片) 热偏差引起的超温爆管问题。 上海机械学院陈之航教授等针对沿宽度热偏差问题进行研究 14 1 ，他 根据对流烟道的热负荷分布特点及实际运行状况提出了便于工程应用的 沿对流烟道的吸热不均匀系数函数表达式，并总结了不同烟道沿宽度( 或 深度) 的最大和最小吸热不均匀系数值。该研究成果已经用于黄埔电厂 4 0 0 t h 厢式油炉的一级过热器的改进，解决了该过热器部分蛇形管的严 重超温问题。 1 3 2 并联管组流量偏差研究 1 端部径向引入引出型 从四十年代开始，对并联管组中流量分配问题进行了大量的机理研 究，提出了许多半理论半经验的数学模型。其中j d k e l l e r 6 】和 r a b a j u r a 7 1 所做的工作较有代表性。j d k e l l e r 在1 9 4 9 年发表了一篇 总结性的论文。该文系统地论述了并联管组中流量分配问题要研究的内 容，并明确提出惯性( i n e r t i a ) 和摩阻( f r i c t i o n ) 是影响并联管组中流量分配 的二个重要因素，同时还提出了各种控制流量分配的措旌。r a b a j u r a 曾在1 9 7 1 年发表过一篇论文，在该文中提出了“b a j u r a 第一模型”。在 1 9 7 6 年r a b a j u r a 和e h j o n e s 悼j 一道对并联管组作了更进一步的研 究，提出了“b a j u r a 第二模型”。在该模型中，b a j u r a 也将离散的管组 作连续型简化，但对并联管组中流体的流动特性作了更深刻的研究。 8 0 年代开始，随着计算机的普及，不少学者在建立数学模型时开始 采用符合实际情况的离散型数学模型。但这些模型存在较大的局限性， 对于集箱中流体速度头和静压之间的转换只考虑轴向分速度的影响，模 上海交通大学硕士学位论文第一章 型中重要的待定特性参数也取常数来考虑等。h f u 、a p w a t k i n s 和 m y i a n n e s k i s 通过三维数值计算证明 2 2 1 ，在支管入口处存在涡流区，支 管附近的集箱横截面上还存在二次涡。 在8 0 年代和9 0 年代，罗永浩教授等人对并联关联管组的流量分配 进行了长期的研究 9 1 1 10 1 “】。他提出了离散型的数学模型，基本克服了上 述的离散模型的缺陷，通过详细的实验确定了集箱中流体速度头和静压 转换时的静压变化系数以及支管出口入口阻力系数。这一研究成果应用 于福州华能电厂的改造取得了良好效果。 1 3 3 计算机应用的研究 随着计算机的普及和大量应用，国内的一些学者在计算机工具结合 电厂需要方面作了很多尝试。利用计算机工具的大量、准确、快速的计 算功能和良好的交互操作能力，可以将理论上的研究和突破立即转化为 生产力。电站故障专家诊断系统就是这样一种例子，如倪维斗教授开发 汽轮机故障诊断专家系统 1 2 1 。3 】；陈之航教授等人开发过热器和再热器故 障诊断专家系统【1 4 1 。 1 4 本文所作工作 综上所述在过热器再热器超温爆管原理的根本原因上，前人的研 究详尽而深入，但超温爆管仍然不可避免，随着锅炉容量的增大和参数 的提高，电站锅炉安全运行的问题目益紧迫。电厂的日常运行方式也发 生了很大的变化，从6 0 、7 0 年代的手动控制转向了现代的计算机集散控 制，如何抓住这一趋势也成为一个新课题。 本文旨在探索计算机工具结合理论研究防范电站锅炉过热器再热器 超温爆管的方法。通过与电厂监控系统结合，发现超温爆管、对操作人 员提出警示、利用前人理论研究成果提出改造方案。 本文的主要研究工作在以下几个方面： 1 提出四角切圆燃烧锅炉的过热器再热器汽温、壁温实时计算方 法，该方法对于实时计算过热器工质和管材温度分布具有良好的 普适性。 2 以实时计算方法为基础，提出过热器再热器安全性能实时监测的 软件系统方案，实现与电厂集散控制系统( d c s ) 和管理信息系 上海交通大学硕士学位论文 第一章 统( m i s ) 的无缝结合，具有较好的兼容性和可扩性。并开发国内 第一套电站锅炉过热器安全性能在哉监测系统，该系统实现实时 监测过热器汽温和壁温、提供运行参考数据、提供历史记录数据、 良好的人机交互、多客户共享功能。 3 提出过热器再热器的改造方案，利用现有研究成果达到防止超温 爆管和运行优化的效果。 上晦交通太学硕士学位论文 第二章 第二章屏式过热器同屏热偏差的成因和分段计算模 2 1 热偏差理论 型 电站锅炉过热器和再热器的运行可靠性取决于受热面的管壁温度是 否在材料的最高允许温度范围内。偏差管壁温是以管内汽温为基础计算 的，热偏差理论则是确定管内汽温的理论基础。在这一部分中介绍热偏 差的基本理论，为后面的过热器超温爆管的在线监测实现和改造作准备。 2 1 1 热偏差一般理论 式中 热偏差理论中，偏差管的热偏差系数f 。定义式为 铲毒 陋t ， a i 。一偏差管焓增( k j k g ) a i 。一管组中平均焓增( k j k g ) 若管组入口汽温为，。( )，则偏差管出口汽温f ，( ) 为 = f 。+ 厶了a i r j ( 2 - 2 ) 式中 c 一管组中蒸汽的平均比热( k j k g ) 进一步分析偏差管的热偏差系数f 。，它是由同屏热偏差系数厶和 屏间热偏差系数f 。造成的。同屏热偏差系数f ，又包括同屏热负荷偏差 系数叩，、同屏受热面偏差系数1 7 ，和同屏流量偏差系数可，三个因数。屏间 热偏差系数f 。中又包括屏间热负荷偏差和屏间流量偏差两个因数。若某 些屏的受热面积不同，还有屏间受热面偏差因数。屏间热偏差和同屏热 上海交通大学硕士学位论文第二章 偏差系数均分别为热负荷偏差系数和受热面偏差系数的乘积与流量偏差 系数的比值，即 f ：竺旦( 2 3 ) r h 对于流量偏差系数r ，按第三章的离散模型来计算。受热面偏差系 数叩按具体结构而定。对于屏间热负荷偏差系数叩，按有关的热力计算 标准选取，或根据实际测量的结果来选取。大容量电站锅炉的过热器和 再热器往往以管屏结构出现，存在较大的屏间热偏差，下一节将对此详 细介绍，并介绍计算该偏差的分段计算模型。 2 1 2 同屏热偏差 2 12 1 产生原因 在苏联的计算标准中，屏式过热器的计算方法和对流过热器相类似， 认为同一片屏中各根管子的进出口汽温是一样的。实际上同屏各管的出 口汽温有很大的偏差，一些典型的屏式过热器同屏外圈管的热偏差系数 ( 外圈管焓增与平均焓增之比) 高达1 3 2 1 。造成同屏各管之间汽温偏 差的主要原因有如下四个方面。 1 ) 同屏各排管子受炉膛或屏前烟气辐射热量的不均匀 同屏各排管子受炉膛或屏前烟气辐射的角系数不同因而使各排管子 的吸热量有很大的差别。面对炉膛或屏前烟气辐射的第一排管子( 首排 管) 所接受的辐射热量最强，往往达到各排平均值的好几倍，后面各排 就迅速减少了。 2 ) 同屏各排管子辐射受热面的不均匀 一般屏的总吸热量中，屏间辐射吸热量约占5 0 左右，屏前烟气或 炉膛向屏的辐射热量约占2 0 4 0 ，对流吸热量约占1 5 3 0 。所以屏 的吸热以辐射为主，而且同屏备管排列得比较密( s 2 d 一般等于1 1 左 右) ，管子与管子之间往往被积灰所填满，使管子发生对流换热的受热面 积也差不多减少到等于它的辐射受热面积。而屏中各管段( 首排管、末 排管、中间管、悬空管等，见图2 1 ) 接受屏间烟气辐射的受热面积是 不同的。例如中间管只受到两侧烟气的辐射，末排管除两侧外还受到后 9 上海变通大学硕士学位论文第二晕 面烟气空间的辐射，悬空管更是受到四面烟气的辐射。这个因素使外圈 管、最内圈管和悬空管等管子的吸热量偏大。 3 ) 外圈管比较长因此它的受热面积和吸热量当然又比内圈管大。 4 ) 外圈管由于较长，阻力系数较大，因此它的蒸汽流量比内圈管小。 在传统的屏的结构中上述四个因素都使外圈管的焓增和温升比内圈 管大，这四个因素叠加起来就造成很大的同屏热偏差和汽温偏差。 炉膛和屏前 爝气 塑坠小烟室 啾三弦屏后烟气巨 【墨! 。 2 1 2 2 分段计算模型 2 12 2 1 基本思路 1 2 3 4 5 6 - 屏式过热器的换热方式十分复杂，计算难度很大。造成这一问题的 复杂性主要有如下二个因素： 1 如图2 1 所示，同屏各排管子的结构种类多达6 种对于同 样长度的管段其受热面积是不同的，不能用简单的公式来表达； 2 换热方式也十分复杂，有屏间烟气的辐射和对流换热，有炉 膛烟气或屏前烟气的辐射换热，还有内圈管处小烟室和屏后烟气的辐射 换热。我国学者王孟浩等人1 2 】采用如下几条简化原则来得出同屏热偏差 的计算方法。 a 对于管子结构种类多的问题用如下方法解决：由于中间管的数 1 0 距段 管管管管节管营同排空贴面盼排 申束悬矧l叵同首 陕。 上海交通大学硕士学位论文第二章 量占多数，其换热方式基本以屏间辐射换热为主，为此，将中间管作为 基准管，先计算出中间管某一长度管段接受屏间烟气辐射的受热面积 h o ，其它同样长度的管段根据其受热面积与h o 的比值来反映。这样做的 优点是：对问题的基本规律研究集中到中间管，当计算具体管段时只需 考虑受热面积的偏差系数，使得问题简化，计算公式统一。 b 同一根管子各段吸热情况是不一样的，以外圈管为例，它由三 部分组成：首排管、水平管和末排管。这些管段均受到屏间烟气辐射， 此外，首排管受到炉膛和屏前烟气的辐射，水平管受到炉膛烟气的辐射， 末排管受到屏后烟气的辐射，也就是说，它们所接受的热源是不同的。 对此采用如下方法来处理：将热源分为两类，炉膛辐射热负荷q f ( 指炉 膛或屏前烟气对屏的辐射热负荷) 和屏间热负荷q 。( 指屏间烟气对屏辐 射及对流放热的热负荷) 。炉膛热负荷q f 又分为屏下部热负荷q f 】和屏前 部热负荷q f 2 。这样问题就转化为如何确定这些热负荷。计算某根管圈的 焓增时，根据不同的热负荷和管子结构来分段进行计算。q f l 、q 疋和q 。 是相应于整片屏的平均热负荷，在计算某一管段的传热量时，由于沿烟 道宽度和沿屏高度存在热负荷偏差，又引入宽度吸热偏差系数k 1 和高度 吸热偏差系数k 2 来考虑。 3 屏内圈管处的小烟室辐射和屏后烟气辐射均用屏间热负荷 来考虑，具体的做法是通过计算这些辐射区域的管段角系数来实现的。 4 将屏两侧的水冷壁当作片屏来处理。 以上所述就是分段计算模型的基本原理。下面将介绍分段计算模型 的一些基本计算公式 2 1 2 2 2 基本公式 1 ) 中间管受热面积h o 中间管段的受热面积是指接受屏间烟气辐射的受热面积h o 相应于 l 。米长管段的计算公式为： h o = e o d le m 2 】 ( 2 - 4 ) 式中e 0 称为中间管子的面积折算系数。 2 ) 其它管段受热面积偏差系数掌和p 对于接受屏间热负荷的其它管段。由于所处的位置不同，其屏间辐 射受热面积h p ( 假定对流换热也发生在这些受热面内) ，用受热面积偏 1 l 上海交通大学硕士学位论文第二章 差系数量来考虑。对于接受炉膛辐射热负荷的管段 用炉膛辐射因数p 来考虑。毒和p 的定义式为： t h p “2 首 爿“ p ：生 h b 其辐射受热面积h f ( 2 5 ) ( 2 6 ) 3 ) 换热公式 对于屏中具有长度l 。的一管段a 它所吸收的热量q 。为： q o = q l q + 叮f h p 【k j l h 】 ( 2 - 7 ) 代入式( 2 5 ) 和( 2 - - 6 ) 得 o o = h o ( g ，p o + q ，l 。) 【k j h 】 ( 2 - 8 ) 再考虑沿烟道宽度和沿屏高度的吸热偏差，最后得到管段a 的焓增 计算公式为： 虬= 警= 等竽【g ，e o 钆 k j ，k g 】( 2 _ 9 ) 式中d 一计算管圈的流量 k g h 。式( 2 - 9 ) 是计算同屏热偏差最 基本的公式。 在计算屏中某一个管圈的焓增时先将计算管圈按不同类型分为a 、 b 、若干段，每段的吸热量按式( 2 - 8 ) 来计算，每段的焓增按式 ( 2 - 9 ) 来计算，则计算管圈的总吸热量q 为： q = q a + q b + 【k j h 】 ( 2 - 1 0 ) 计算管圈的焓增i 为： f ：昙：等+ 娶+ ：a i 。+ a i 6 + k j k g 】 ( 2 1 1 ) d 。d 。d 。 。 o2 1 2 2 3 各项参数 计算管圈的流量d 2 o 上海交通大学硕士学位论文第二章 d l = d 心| i o v v j q j 、k g h 1 式中：玎j 一屏间流量偏差系数 吖k 一平均管和计算管的平均蒸汽比容 m 3 k g r 2 12 、 一计算管圈的阻力系数 彳一计算管圈的阻力系数 d 。，一屏中各管圈的平均流量 其中，f 按式( 2 13 ) 计算： 行一同屏管圈数 ( 2 - 13 ) 驴等【鲫 式中：d 一流经该级屏的蒸汽总流量【题伍】 ( 2 - 1 4 ) z 一屏片数 2 沿烟道宽度和沿屏高度的吸热偏差系数k 1 和k 2 k l 按照热力计算标准中数值取用；k 2 按计算管段所处屏的相对高度 查表获得。 一 3 热负荷q f 和q p a 基本原则 将q r 分成两部分，屏下部q f 】和屏前部q f 2 ，根据热力计算标准和上 海发电设备研究所的有关实验结果获得。 屏间热负荷q 。是根据屏间烟气对屏的辐射和对流总传热量q p 除以 相应的总受热面积z h 。而得到的。对于1 2 5 m w 以上锅炉的后屏和半大 屏有专门的计算公式取得q 。值。 b q f 和q p 的取值 对于容量在1 2 5 m w 以上锅炉的后屏和半大屏，由于屏所处区域沿 炉膛高度热负荷不均匀系数的实验数据较少，且q f 2 受屏前烟气的深度和 温度影响较大，故建议采用下列公式计算： 屏间烟气对屏的辐射和对流传热量为 。： l p 1舯靴计 )4 - 2( 式按 倒 d 0 上海交通大学硕士学位论文第二章 g - 0 8 5 ( 口岳) ( e t 。) z h ， k j h 式中：口。一屏间烟气对屏的辐射放热系数 d 。一考虑节距修正系数c s 的对流放热系数 ( 2 15 ) 瓦一管子积灰表面温度 元一屏阃烟气平均温度。 q ，：= 4 9 1 0 4 吒掣( f 玎) 日，： 式中：t 一屏前烟气温度( 2 - 1 6 ) d ，一屏前烟气黑度 a 一管子积灰表面黑度 rt - l q ，l = 叩q ，：争筹 ( 2 ) 厶一j 2 根据上式的q f l 和q f 2 按整屏相应的传热面积平均得到q r 和q 。 c 对于大屏，不计算q f 2 因为大屏和前墙水冷壁紧邻，屏前的烟气辐射不存在( 但也没有考 虑水冷壁的冷辐射效应) ，这时候q f i 按下式计算： 口矿， k j l m 2 h ( 2 18 ) 式中：y 7 一大屏进口烟窗的热负荷不均匀系数 4 屏间辐射和对流受热面积、炉膛和屏前烟气向该级屏辐射的 受热面积 这几个部分的面积查相关的线算图可以获得。同时要注意不同的水 冷壁结构有不同的参数选择。 2 1 2 2 4 炉膛辐射因数p 具体的计算可以参考各线算图主要原则是： 按传热学提供的方法计算角系数： 考虑被屏间烟气吸收的那部分辐射热量： 对于平行于炉膛辐射方向的管子，在后屏和半大屏中，认为这种热 量很小可忽略不计，但在大屏中需计算这种热量。 本文介绍该理论的最终目的在于：这是一个良好的计算同屏热偏差 的方法。 1 4 上海交通大学硕士学位论文第二章 2 2 过热器管壁温度计算 在现代大型锅炉中，随着蒸汽参数不断提高，屏式及辐射式过热器 的广泛应用，使锅炉受热面特别是过热器和再热器的管壁温度非常接近 其安全极限。因此，对锅炉管壁温度的计算是锅炉设计中的一项重要工 作。 为了充分利用优质钢材，降低受热面的成本，需要计算的管壁温度 不仅是指同一管组中热力、水力最不利条件下某局部最大壁温，而且要 求计算受热面各管沿管长的管壁温度分布。受热面的允许温度是受限于 管子外壁形成氧化皮和所采用钢材在所受应力水平下的允许温度。 1 基本计算公式 图2 2 表示锅炉受热管子沿周界上热负荷分布的一种模式。由于管 子周界上受热不均匀，在径向截面上，除了沿径向的导热外，还存在沿 圆周方向的导热，沿轴向的导热与周向导热相比很小可以忽略不计。 锅炉过热器和再热器受热面管子外壁温度t 。b 和管子内外壁平均温 度t b 的基本计算公式为： 咆嗍胸壶嵋岣妄两2 1 0 ( 。f ) 铲 w 腑去佛脚妄寿( o c ) 式中：，。一计算点的管内工质温度( ) g 一计算点上管子外壁周界平均热负荷( k j m ) 口，一计算点管内壁对流体的放热系数 占二管壁厚度f m ) ( 2 - 1 9 ) 五一管材的导热系数 口一管子的外径与内径的比值 k 一计算点的管子外壁周界上最大热负荷g 与周界平均 热负荷口之比值 一。一沿管壁厚度平均热量均流系数 卢。一管子内壁热量均流系数 b 圭塑奎望查堂雯主兰些丝塞 ： 一兰兰：童一 图2 2 锅炉受热管子沿周界上的热负荷分布的一种模式 f i g 2 - 2 o n et y p eo fm o d e lo ft h ed i s t r i b u t i o no ft h e r m a ll o a dr o u n d i n gt h eh e a t e d t u b e so fb o i l e r 2 管子周界上热负荷分布的确定 根据上述热偏差计算的模型，求出受热管子的吸热量中的每一部分 热量沿管子周界的分布函数，用各部分吸热量作为加权因子进行加权计 算，即可求得k 值。这些吸热量包括管前烟气空间的辐射热、管间烟气 辐射热和烟气对管子的对流放热，具体的计算方法和加权公式这里就不 再赘述了，可以参考相关文献i i “。 6 、r ， 、一 ， 挚f 、，弋j 上海交通大学硕士学位论文第三章 第三章离散模型和流量偏差计算 3 1 现有流量偏差计算方法及存在问题 并联管组换热器在电站锅炉中应用最为广泛，如锅炉的过热器和再 热器完全是由并联管组组成的。随着锅炉容量的增大，过热器和再热器 的结构也越来越复杂，在集箱的同一横截面上往往布置多根支管组成一 片屏，引入引出管也多采用径向布置的三通结构。可以说过热器和再热 器几乎包含了所有类型的并联管组，相应的计算方法也较多，而且具有 代表性，为此本章以三种国内外使用最广的锅炉水动力计算标准作为研 究对象，对这三种计算方法的数学模型和存在问题作一分析讨论，从而 可看出建立改进方法的必要性。于此介绍比较准确的离散模型和屏间 流量偏差计算方法。 3 1 1方法1 下面主要以分流集箱系统为例来说明。 卜三一1 ll p anp d x静 【a l 咖 图3 - 1分流集箱系统示意图 f i g 3 - 1f i g u r eo f d i f f l u e n c em a n i f o l ds y s t e m 该计算方法的指导思想是将支管形式的集箱系统看成是在集箱上开 一条均匀宽度的长槽。如图3 1 ，在分配集箱上取一微段d x 对断面i i 和i i i i 建立动量守恒方程式，得： 旷( b + 蛾) 卜妄詈乃2 = 职+ d 屹) 2 ，一p 屹2 p v , , d v ( 3 - 1 ) 1 7 0 d 上海交通大学硕士学位论文 第三章 式中轴向分速度v 。是由于集箱流体不是垂直地进入支管而产生的。 为求解方程式( 3 - 1 ) ，作如下假设： i ) v 。= c f v d ，c f = 1 2 4 2 ) 集箱流速沿程按线性规律分布，即 屹= l1 _ af( 3 - 2 ) 3 ) 摩阻系数九取作常数。 然后对式( 3 1 ) 积分得到静压分布 。 耻赞刮 - 一( 1 - 斟甜一( 1 - 圳 睁s ， e u d 为无因次的欧拉准则数。 对于汇集集箱，根据和分配集箱类似的推导过程，得 劭。= 仁一q 一爿+ 等 ，一爿 b 。， c h 的物理意义和假定条件1 ) 一样，c h = o 该方法没有考虑支管结构( 如管径比、支管阻力系数和同屏支管根 数) 对集箱静压分布的影响，且其假设条件存在如下问题：( 1 ) 如果 v 。= c f v d 的假设条件成立那么由断面i i 到支管入1 ：2 处的流线柏努利 方程可知c r 1 ，实际上a 。 还是偏大。 3 2 离散模型介绍 32 1 离散模型的建立 建立离散型数学模型的指导思想是：根据集箱中有支管和无支管的 不同结构特征分别列出相应的动量方程式。对于在同一集箱横截面上 有若干根支管的管屏结构，离散模型中也进行了考虑。这样所建立的数 学模型能适用各种实际结构，解决连续模型所存在的问题。 由于并联管组的流量分配属于宏观流动特性，为此流速和静压等均 取截面上的平均值。流体流动指单相、不可压缩流体在管组中作等温、 定常、亚音速的稳定流动，流体在进入第一根支管前已充分发展。下面 以分流集箱系统为例来导出离散模型。 o 上海交通大学硕士学位论文第三章 3 2 1 1 管屏处集箱的动量方程 v b i i 一1 lv b m p 0 u ， ff 图3 - 2 分流集箱系统结构图 f i g 3 - 2 s t r u c t u r eo fd i f f l u e n c em a n i f o l ds y s t e m 1 ) 分流集箱系统 对于第i 片管屏的控制体( 图3 - 2 所示的虚线部分) ，其x 方向上的 动量方程为 巳( f ) 一匕( f ) = 峨程+ 几巧 瑶( f ) 一瑶( f ) 】( 3 - 8 ) i - 1 ，2 ，n 式中p 。为沿程摩阻，k d 为分配集箱静压变化系数，是考虑到集箱流