基于数学模型的煤粉锅炉管束磨损预测与分析.pdf

第 3 2卷 第 3期 2 0 1 2年 3月 动 力 工程学报 J o u r n a l o f Ch i n e s e S o cie t y o f Po we r En g in e e r in g Vo 1 3 2 NO 3 M a r 2 0 1 2 文章编号 ： 1 6 7 4 7 6 0 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 1 8 7 0 5 中图分类号 ： T K2 2 3 4 文献标识码 ： A 学科分类号 ： 4 7 0 3 0 基于数学模型的煤粉锅炉管束磨损预测与分析 周云龙 ， 陈 军 ， 薛广鑫 ( 东北电力大学 能源与动力工程学院， 吉林 1 3 2 0 1 2 ) 摘 要 ： 根据飞灰质量浓度与烟气速度的计算式建立了以易测取量为输入参数的磨损预测数 学模 型 ， 通过测取预测模型的输入参数 ， 对受热面的磨损量进行预测 ， 并将其表 示为过量空气系数 与飞 灰 细度 的 函数 结果表 明 ： 过 量 空 气 系数 和 飞灰 细度 对磨 损 量影 响 显 著 ； 控 制 过 量 空 气 系数 与煤 粉 细度， 可以有效地降低磨损量； 结合输入参数的在线测量 ， 该模型亦可作为锅 炉对流管束磨损 的监 测 模 型 关 键词 ： 锅 炉 管束 ； 磨损预 测 ； 过 量 空气 系数 ； 飞灰 细度 ； 烟 气速 度 Pr e di ct i o n a n d An al y s i s o n Tu be Ba n k Er o s i o n o f P u lv er i z e d Co a1 f ir e d BO I er s Ba s e d o n Ma t h e mat i c a I Mo d e l ZHOU Yu n lo n g， CHEN Ju ，XUE Gu a n g xin ( S ch o o l o f En e r g y a n d Po we r En g in e e r in g，No r t h e a s t Dia n li Un iv e r s it y ，J ilin 1 3 2 0 1 2，Ch in a ) Abs t r a ct ：Ba s e d o n f o r m u la s f o r ca lcula t io n o f f ly a s h ma s s con ce nt r a t ion a nd f lu e g a s v e locit y，a ma t h e ma t ica l mo d e l f o r e r o s io n p r e d ict io n o f h e a t s u r f a ce s wa s b u ilt u p b y t a k in g q u a n t i t ie s e a s y t o g e t a s in p u t pa r a m e t e r s Af t e r a cqu is it io n o f t he inp ut pa r a m e t e r s，co r r e s po nd ing e r o s i o n p r e di ct i on wa s t he n compl e t e d，o f wh ich t he r e s ult s we r e e xp r e s s e d in a f un ct i on o f e x ce s s a ir r a t io a n d f l y a s h f ine ne s s Re s ult s s h o w t h at b ot h t h e e xce s s a i r r a t io a nd f ly a s h f ine ne s s h a ve a n a p pr e cia b le impa ct o n e r o s i on of bo ile r t u be s ， t he r e f o r e co nt r o llin g e x ce s s a ir r a t i o an d f ly a s h f in e ne s s a t a n a p pr o pr ia t e le v e l ca n e f f e ct iv e ly r e d uce t he e r o s iv e we a r，a nd i f co m b ine d wit h on line me a s ur e m e n t of in put p a r a me t e r s ，t he mod e l ca n a ls o be u s e d t o m o n it o r e r o s ion con di t io n of b oile r con ve ct i on t u be s Ke y wor ds：bo ile r t ub e；e r o s ion p r e di ct i on；e x ce s s a ir r a t io；f l y a s h f ine n e s s；f lue g a s v e lo cit y 大量尺寸小于 1 0 0 0 m 的固体颗粒 以一定速 度和角度对材料表面进行 冲击 ， 发生材料损耗的现 象或过程称为固体粒子的冲蚀磨损口 在锅炉的对 流 烟道 中 ， 烟 气携 带飞 灰颗 粒流 经锅 炉各 受热 面 时 ， 飞灰颗粒冲刷撞击锅炉管子表面 即造成冲蚀磨损 ， 金属随之流失 ， 当管壁减薄到一定程度时， 管道内高 压工质使管壁磨损严重的部位破裂 ， 造成爆管 早期，T illy 2 在分析锅炉管道失效 时， 发现失 效的三分之一是 由冲蚀磨损造成的 李正刚等” 。 根 据华 中电网 5 8个 电厂不 同类型机组所 整理 的锅炉 “ 四管 ” 爆 漏失 效 记 录发 现 ， 由磨损 导 致 的“ 四管 ” 爆 漏次数 占总爆漏次数的 4 5 9 我国动力用煤多 为劣质煤， 其灰 分较大 近年 来 ， 由于经济发展 、 用 电需求量增加 、 煤 电价格博弈 收稿 日期 ： 2 0 1 卜0 5 - 0 6 修订 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 3 1 作者简介 ： 周云龙( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 吉林扶余人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事气固两相流冲蚀磨损方 面的研究 电话( Te 1 ) ： 0 4 3 2 4 8 0 7 3 7 7 E - ma il： y lz h o u ma il n e d u e d u cn 动 力 工程学报 第3 2 卷 及煤炭资源储量与开采量的有 限性与分布的不均衡 性等 ， 电力用煤相对紧张 电站锅炉实际煤种多偏离 设计煤种， 加剧了受热面飞灰磨损的严重性 因此 ， 笔者提出一种磨损预测的方法， 既能监测磨损状态 ， 又可以反映煤质及锅炉运行参数对磨损的影响 1 锅炉 管束磨损预测的数 学模型 自从 F i n n i e在 1 9 5 8年提出第一个 冲蚀模型以 来 ， 已发展了 3 0多个 冲蚀模型 每个模 型都基于一 种或两种磨损机理并且具有许多不同的冲蚀磨损参 数 L e e 等 提出的模 型将影 响冲蚀磨损 的参数 归结为颗粒形状 、 颗粒尺寸、 颗粒机械性质、 冲击角 度、 冲击速度、 颗粒浓度 ( 撞击频率) 和靶材温度 ， 并 结合多相流体计算动力学可以得到单个颗粒的冲击 速度和角度 ， 这种模型适合冲蚀磨损的数值计算 文 中的模型以金属的冲击切削理论 为基础 ， 并将飞灰 质量浓度与烟气流速作为影响磨损的参数 1 1 管壁最 大磨损 量近 似计算 公式 直径为 d 的灰粒 以速度 冲击 圆管， 作用在 管壁 的力可 以分解为 径 向力 F 和切 向力 F ( 图 1 ) ， 即 FN Fs in 8 ( 1) F 一 Fcos 8 ( 2) 式 中 ： F为 粒 子 对 管 壁 的撞 击 力 ， N； F 为 径 向力 ， N； F 为切向力 ， N； 为粒子对管壁的冲击角 图 1 飞灰对圆管的冲蚀示意图 Fig 1 Er o s io n me c h a n is m o f b o ile r t u b e by f ly a s h p a r t icle 根据冲击切削机理， 径 向力 F N冲击 表面使其 产生凹坑并形成刨屑 ， 刨屑在切向力 F 的作用下被 削去 ， 从而产生冲蚀磨损 根据金属切削理论 ， 削去金属刨屑需要 的切削 力 为 ： F k b z ( 3 ) 式中： k为金属性能常数 ； b为所切削的屑片宽度 ；z 为所切削的屑片深度 ； e为与材料有关 的指数 根据 冲击 理 论 ， 颗 粒 冲击 金属 表 面 的深 度 z可 用下 式表 示 ： z k 1dp V=-p s in 8 ( 4 ) H a 式中： k 为比例系数； Ha 为金属冲击硬度， k g mm。 由分析及推导得到被磨金属高度为 ： E = M ! p 1 - 4 p - r ( 5) c k l 4 n M 一 二 ! ! 一 H ( 3一 e ) ( 5一 e ) k 式中： E为被磨金属高度， mm； 田 为引入的灰粒撞击 管壁频率因子； 为飞灰 质量浓度 ， g m。 ； r为锅炉 运行 时间 ， h 可以看出磨损高度与灰粒速度成正 比： E 。 C 。4 - ( 6) 根据以上结果， 再考虑烟气流经管束的实际情 况 ， 得到 1 9 7 3年锅炉热力计算推荐管壁最大磨损量 的计算公式 ： E 一n rl Ml k 。 R ： 。 ( 7 ) 式中： E 为管壁最大磨损厚度 ， mm； n为飞灰磨损 系数 ， mm s 。 ( gh ) ； k 为烟气速度场不均匀系 数 ； 为在管束计算断面处烟气 中飞灰的质量浓度 ， g m。 ； k 为灰浓度场不均匀系数； W为管束间最窄 截面处的平均烟气流速 ， m s ；k 。为锅炉额定负荷 时烟气流速与平均运行负荷下烟气流速 的比例， 对 蒸 发量大 于 1 2 0 t h的锅 炉 ， k D 一1 1 5 ； M 为 管材 的 抗磨系数 ， 碳钢管 M 一1 ， 合金钢管 M一0 7 ； R。 。 为 孔径 9 0 m筛子上剩余飞灰的质量分数， 用来表示 飞灰细度， ； d为受热面管子外径 ， mm 为管束 横 向节距 ， mm 1 2 e 函数 的建 立 当确定了研究对象之后， 锅炉结构随即确定 ； 由 于锅炉结构对烟气流动产生影响 ， 由锅炉结构可以 确定烟气流动的不均匀系数与飞灰浓度场 一般煤 质 在 一定 时 间 内也 可 视 为 稳定 ， 式 ( 7 ) 中 n 、 k 、 k 、 M、 、 d和 k 。等可以确定 于是单位时间内最大磨 损 量 ： e 一 R “ 。 。 ( 8) a Mk ( 。 ( ) 2( 9 ) R 。 。 可由飞灰取样筛分得到， 飞灰质量浓度 和 烟气速度 不易直接获取 ， 可由下式得到 ： “ 一 ( 1 0) 式中： 为烟气携带飞灰 占总灰分的份额 ； W( A ) 为 收到基灰 分 ； 为烟温 ； V 为实 际烟气 体积 “ 一 g ) 式中： F为计算处烟气通流面积 ， 由锅炉结构决定 ； 第3 期 周 云龙 ， 等 ： 基 于数 学模 型的煤 粉锅 炉 管束磨损 预 测与 分析 B 为 计算燃 料 量 ； g 为烟 气 分 流 系 数 ， 当部 分 烟 气 流经 烟道 时 ， 如尾部 竖井 被 中间 隔墙分 成 双烟道 ， 应 乘 以 g B 一 B( 1 0 0一 q 4 ) 1 0 0 ( 1 2 ) 式 中 ： B为实际燃料 量 ； q _l为 固体 不完全燃 烧热损失 V 一 ( 0 0 9 0 3 3la一 0 0 0 0 00 9) 叫 ( C )- I- ( 0 0 3 3 8 7 4 a一 0 0 00 00 1) 训 ( S )+ ( 0 2 6 9 2 67 d- I-0 05 5 35) 训 ( H )+ ( 0 0 0 6 99 3 0 03 3 8 3 6 a) ( O )+ 0 0 0 8 w( N )+ 0 0 1 2 4 w( M ) ( 1 3 ) 式 中 ： ( C ， ) 、 Z U ( H。 ) ， 、 叫( O ) 、 叫( N ) 、 ( S ， ) 、 ( A ) 和 ( M ) 分别 为煤 中碳、 氢 、 氧 、 氮 、 硫、 灰 分 和水 分 的收到基 质 量分 数 ； a为过 量空 气 系数 a一 0 2 1 E o 2 1 一 ( O2 ) ( 1 4 ) 式中 ： ( O。 ) 为计算处烟气 中氧气 的体积分数 为 表 述 方 便 ， 引 入 表 示 燃 料 特 性 的 向 量 A一 叫( c ) ，砌( H ) ， ( 0 ) ，叫( N ) ， ( S ) ， ( A ， ) ， 训( M ) ， 则 有 实际 烟 气体 积 、 飞 灰质 量 浓 度 和烟 气速 度 为 V 一V ( A，a ) ， ( V， ， ) ， “ 一 u( B ， V ， ) rl 的 大 小 与 准 则 数 S f有 关 ， 可 表 示 为 叼一 7 7 ( S t ) ， 具体参见文献 4 在测得灰样密度与粒度分 布的基础上 ， 推出 7 可表示为 一r ( B j ， A， 口 ， ) 综 上所 述 ， 锅炉 管束 最大磨 损 量 的函数 关 系为 ： e 一f ( B ， A， a ， R ) ， 其逻 辑关 系见 图 2 图 2 模型的逻辑关系示意图 Fig 2 Lo gi c r e la t io n d ia g r a m o f mo d e l 2 模 型预 测的实现 为 了考 虑 管束 的最 大磨 损 量 ， 假 设 灰 粒全 部 撞 击到管壁 ， 灰粒碰撞管壁的频率因子 r 取 1 ( 1 ) 计算燃料量 B 为 了获 取燃 料 量 B， 对 于装 有 电子 皮 带 秤 的 直 吹式制粉系统 ， 可直接 由电子皮带秤得到l7 ； 采用风 粉 在线 监测 系统 的 电站 锅 炉 ， 也 可 由该 监 测 系统 得 出 上述获取燃料量 的方法依赖于锅 炉的辅助设备 和 仪器 ， 针 对 缺少 以上物 理条 件 的锅炉 系统 ， 笔 者 提 出一 种更具 普 遍性 的方 法 ， 即在锅 炉运行 稳定 后 ， 根 据热损失法测量锅炉热效率 - 及 固体不完全燃烧 热损失 q ， 再 由锅炉有效利用热量 Q 求取实 际燃 料量 ， 再 由式( 】 2 ) 求得计算燃料量 ： B 一 1 0 0 Qy x ( 1 5 ) 叩g l r 式中 ： Q 为每千克燃料输入锅炉的热量 测 量 可在 锅 炉 热平 衡 试 验 时进 行 ， 并保 持 运 行 中各参数稳定、 一致 ( 2 )燃 料特 性 向量 A 取煤样并对其进行工业分析和元素分析 ( 3 )过 量空 气 系数 a 过 量 空气 系 数 a由式 ( 1 4 ) 得 到 ， 为 监督 锅 炉 的 燃烧工况， 一般都在省煤器后布置烟气氧量检测 的 传感器 ， ( O ) 一般 可由氧化锆氧量计或烟气分析 仪 获取 ( 4 )烟温 0 烟温可 由热 电偶 温度计 测 得 ( 5 )飞灰 R 在烟道的合适位置采用多点等速采集飞灰 ， 并 对飞灰进行筛分 ， 可得到飞灰 R。 。 磨 损预 测 的实现 如 图 3所 示 图 3磨 损 预测 实 现不 蒽 图 Fig 3 S c h e ma t ic d ia g r a m o f e r os io n pr e d ict io n r e a liz a t io n 3 磨 损的预测与分析 预测 时 ， 试 验 工 况 从 开 始 至 结 束 ， 锅 炉 燃 烧 工 况 、 燃 料量 ( 粉仓 粉位 ) 、 主蒸 汽流量 、 再热 蒸汽 流量 、 给水 流量 、 锅筒 水位 、 过量 空气 系数 、 配风 情况 、 制粉 系统投运方式以及所有试验需控制 的温度、 压力 等 参数 ， 尽可能保持一致、 稳定 3 1 磨损 的预 测与 检验 以某 4 2 0 t h煤粉锅炉为例 ， 预测 8 5 额定 负 荷 下 上级 省煤 器 的磨 损 中间 隔墙 将 锅 炉 尾 部 烟道 分隔成双烟道 ， 省煤器布置在后烟道内 烟气的分流 动 力 工程学报 第3 2 卷 系数 g 一0 6 2 ， 省煤器管子横 向节距 5 为 1 2 4 mm， 管径 d为 4 2 mm， 烟气通流面积 F为 2 6 2 9 m。 ， 飞 灰磨损系数 n 一1 4 1 0 mm s 。 ( gh ) ， M一1 ， a f h 一0 9 ， 锅炉采用 型布置 ， 愚 一1 2 ， 忌 一1 2 5 预测时， 涉及的测量和试验部分按照电站锅炉 性能试验规程( G B 1 0 1 8 4 -1 9 8 8 ) 进行 预测使用数 据如表 1 所示 表 1 模 型预测 采用数据 Ta b 1 Da t a u s e d f o r pr e dict io n wit h t he p r o po s e d mo d e l 设锅炉年运行小时数 7 0 0 0 h ， 磨损预测结果以 年最 大磨 损量表 示 ： E ， 一0 1 9 6 3 mm 为 检 验预 测结果 ， 在省煤器入 口前安排多个测点 ， 采用皮托管 平行全 自动烟尘采样器测得平均 飞灰质量浓度 。 和烟气速度 分别为 2 3 2 4 g m。 、 5 9 6 m s ， 代入 式( 8 ) 得到最大磨损量 E 。 一0 1 8 0 8 mm， E 与 E 的相对差值为 8 5 7 ， 模型预测结果与计算值符合 较好 3 2预 测结果分 析 若煤质变化 ， 图 2中燃料特性 向量 A将通过控 制实际烟气量改变飞灰质量浓度与烟气速度， 从而 改变磨损量， 磨损改变量可定量计算 预测时将煤质 视为稳定 在燃料量与燃料特性不变的情况下 ， 年最 大磨损 量 ： E 一 5 4 2 4 1 8 1 0 R ( 4 1 6 1 4 6 a+ 0 3 4 3 7 3 ) 。 ( 0 2 7 3+ 1 ) 。 。 ( 1 6 ) 由于计算烟温在 5 O的变化范围 内对磨损 量的影响不大 ， 所 以烟温变化不大时 ， 为简化分析可 以视烟温 0 为常数 单独分析过量空气系数 的影响 时 ， 飞灰 R。 。 选 用 预 测使 用值 1 6 ， 年最 大 磨 损量 E 与过量空气系数a的关系式为 ： Em ： 0 0 0 2 8 1 ( 4 1 6 1 4 6 a+ 0 3 4 3 7 3 ) 。 ( 1 7 ) 其关系曲线如图 4所示 图 4 E ， 与 a的关系 曲线 Fig 4 Re la t io n s hip cu r v e b e t we e n E a n d 口 由式( 8 ) 可知 ， 影响磨损量的两个因素是飞灰质 量浓度和烟气速度 飞灰质量浓度越高， 单位时间内 管壁受到撞击的次数越多， 磨损量就越大 ； 烟气速度 越大， 撞击管子的飞灰颗粒动能越大 ， 磨损加剧 随 着过量空气系数的增大 ， 一方面飞灰质量浓度减小 ， 磨损量有减小的趋势； 另一方面烟气速度增大 ， 使磨 损量有增加的趋势 由图 4可以看出， 过量空气系数 通过烟气速度对磨损量的影响占主要作用 ， 磨损量 随过量 空气 系数增 大 而 增 大 当计 算 处 过 量 空气 系 数 a由 1 4 4减 小至 1 2 0时， 年磨 损量由 0 1 9 6 3 mm减No 1 3 2 3 mm， 降为原磨损量的 6 7 粒径很小时 ， 飞灰磨损能力也较小， 随着粒径增 大， 飞灰磨损量加大， 直至饱和 计算时采用 R 考 虑飞灰粒度对磨 损量 的影响， 年最大磨损量 E 与飞灰 R。 。 的关 系式 ： E 一 0 0 3 0 9 1 R ( 1 8) 磨损量 随飞灰 R。 。 增加而递增 ， 二者 的关 系曲 线见图 5 当飞灰 R。 。 从 1 6 变为 8 时， 磨损量 为 原来 的 6 3 9 O 图 5 E ， 与 R o 的关系曲线 F ig 5 Re la t io n s h ip cu r v e b e t we e n E a x ， a n d Rg o 磨损量与过量空气系数和飞灰细度 的关系式 ： E 一 4 4 2 5 1 7 1 0 R ( 4 1 6 1 4 6 a+ 0 3 4 3 7 3 ) 。 - 。 ( 1 9 ) 它们的关系曲面如图 6所示 在不同( a ， R。 。 ) 下磨损量及其与预测条件下磨 损量 0 1 9 6 3 mm的比值( E ) 见表 2 第3 期 周云 龙 ， 等 ： 基 于数 学模 型的煤 粉锅 炉管束磨 损预 测 与分析 。 | 。 0 o 1 图 6 E 与( a ， R。 。 ) 的关系 曲面 图 Fig 6 Re la t i on s h ip s ur f a ce b e t we e n E a n d ( d ， Rg o) 表 2 Ta b 2 不 同( a。 R ， 。 ) 下 E 。 及其与预测值的 比值 E a t d if f e r e n t( 口。 R9 0 )a n d t h e r a t i o o f i t t o pr e dit io n v a lu e 由图 6及表 2可 以看 出 ， 同 时减 小 过 量 空 气 系 数与飞灰 R 。 ， 使 1 2 a 1 3 ， 8 R 。 1 2 ， 磨 损量显著减小 ， 降到原预测值 6 6 以下 ， 在上述 范 围内最低降为原预测值的 4 2 由以上分析可知， 减小过量空气系数与煤粉细 度( 用 R。 。 表示) 是两种降低锅炉受热面磨损量的有 效途径 例如 ： 减少受热 面及烟道的漏风 ； 加强风粉 的监测 ， 合理配风 ， 提 高燃烧水平 ， 在保证完全燃烧 的基础上 ， 尽可能降低实际空气量 ； 加强磨煤机 出口 煤粉细度监测 ， 使煤粉细度始终保 持在经济细度 附近( 考虑到对磨损量的影响， 煤粉经济细度应有所 降低 ) 4 结 论 ( 1 ) 采用 由函数关 系式 e 一厂( B ， A， a ， R。 。 ， ) 建立的磨损预测模型 ， 避开 了不易直接测量 的飞 灰质量浓度与烟气速度 ， 通过对易测量的测取 ， 完成 锅炉对流受热面磨损 的预测 利用该模型计算 ， 可以 定量反映煤质 、 锅炉运行方式( 如过量空气数与飞灰 细度) 对磨损的影响 ( 2 ) 通过预测 ， 计算分析了过量空气系数与飞灰 细度对锅炉管束磨损量 的影响 ， 结果表明过量空气 系数 与飞灰 细度 对磨 损量影 响显 著 ( 3 ) 燃 料 特 性 A 和 飞灰 R。 。 在 一 定 时 间 内可 以 离线测量确定 ， 结合模型其他输入参数的在线测量 时 ， 本模型亦可以作为煤粉锅炉对流管束磨损量的 监 测模 型 参考 文献 ： E li 董刚 ， 张九渊固体粒子 冲蚀磨损 研究进 展 J 材料 科学与工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 3 0 7 3 1 2 DONG Ga n g， ZHANG J i u y u a n De v e l o p me n t o f r e s e a r ch o n t h e s o l id p a r t i cle e r o s i o n o f ma t e r ia l s E J J o u r n a l o f M a t e r ia ls S cie n ce &En g in e e r in g 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2)： 30 7 - 3 1 2 2 TI I I Y G P E r o s i o n ca u s e d b y i mp a ct o f s o li d p a r t i cle s J T r e a t i s e o n Ma t e r ia l s S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y ， l97 9，1 3( 2)： 287 - 2 98 3 李正刚 ， 王 志武 ， 赵博 ， 等电站锅炉 “ 四管” 爆漏 失效 统计 分析 J 金属热处理 ， 2 0 0 7 ， 3 2 ( 增刊) ： 3 6 3 9 I I Zh e ng ga ng， W ANG Zhiwu， ZHA( )Bo， e t a 1 St a t is t ica l a na ly s is f o r f ou r t ube s le a ka g e f a ilur e of po we r p la n t b o il e r E J H e a t T r e a t me n t o f Me t a l， 2 0 0 7 ， 3 2 ( s ) ： 3 6 3 9 4 L E E B E， F L E T CHE R C A J ， B E HNI A MC o mp u t a t io na l s t ud y of s olid p a r t icle