电站锅炉高温对流受热面壁温计算及氧化膜影响分析

吴恺，王甲安，吕伟为，徐鸿

电站锅炉高温对流受热面壁温计算及氧化膜影响分析

吴恺1，王甲安1，吕伟为2，徐鸿3

（1.华电电力科学研究院材料技术部，浙江杭州310030；2.国电河北龙山发电有限责任公司，河北邯郸056400；3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）

火电厂锅炉爆管事故是电厂事故中最常见的情形之一，爆管事故的发生对电厂的安全性经济性影响巨大。而此类问题的发生和锅炉管壁温度超温密不可分，因此若能全面准确可靠的监测受热面管壁温度将对电厂意义重大。但是电厂锅炉由于炉内壁温测点安装较困难，另外由于炉内温度高，即使安装了测点，测点通常寿命不长。通常安装在炉外大包内的壁温测点只能在一定程度上反应管道内部介质的温度，而对于最危险处的壁温却无法直接得到。本文针对此问题，对壁温计算模型进行了分析，利用Fluent数值模拟软件进行了燃烧模拟计算，使用Delphi语言对该计算模型编制了相应的程序，结合某电厂2028t/h锅炉实例进行计算，并假设氧化膜存在对结果的影响进行了再次计算和分析。能对电厂锅炉的安全运行提供正确的指导，也可为电厂锅炉管道的及时检修提出指导，具有重要的工程实用价值。

锅炉；在线监测；金属壁温；程序模块；氧化膜

0 引言

在过去的几十年里，传统的火力发电机组为了实现稳定、经济、清洁、高效的运行，参数及容量在不断的提高。电站锅炉四管（水冷壁、过热器、再热器、省煤器）管道外部受到高温烟气的冲刷，内部受到高温高压蒸汽的侵蚀，长期处于其许用的极限强度下，工作环境相当恶劣，锅炉爆管事故中再热器、过热器爆管造成的损失最大，这样使得锅炉管道的安全性大大降低。根据往年的电力事故资料显示，锅炉事故是造成非计划停机的罪魁祸首，过热器和再热器的超温爆管事故仍然是大容量高参数电站锅炉中存在的一个非常严重的安全隐患。由各种因素引起的受热面管道热偏差而导致的超温爆管事故时有发生，严重影响了锅炉机组的性能[1]。因此，若能全面准确可靠的监测受热面管壁温度，从事故源头找出其原因，保证电厂安全、稳定运行就变的非常重要。

由于炉内高温受热面壁温测点安装很难实现。受高温烟气的影响，即使安装了测点，测点通常寿命也不会很长。工程中常用的方法是在炉顶外引入集箱处的单管外壁上布置测点，认为测点处测得的温度值近似等于过热器相应位置处管内蒸汽温度。但是即使炉外壁温测量正常可靠，炉内外换热条件的巨大差别也会导致炉外壁温测点不能如实反映炉内实际壁温。特别是在启动或变负荷阶段，锅炉外的测量结果比炉内实际壁温低，无法代表锅炉内部的实际壁面温度，只能在一定程度上反映了管道内部介质的温度，而最危险处的壁温却是无法直接得到[1]。随着蒸汽参数的增加，国内很多管壁温度计算模型并未考虑氧化膜影响所产生的弊端也日益彰显。

本文通过利用Fluent数值模拟软件进行了燃烧模拟计算，通过编程软件Delphi建立锅炉高温过热器壁温计算模型，计算得到锅炉过热器管道炉外测点处温度与炉内不同位置处的温度，以及炉内计算值与炉外测量值之间的对应关系，并分析了在氧化膜存在的情况下，其对锅炉壁温计算的影响。

1 壁温监测误差的理论分析

电站锅炉的过热器再热器一般布置于水平烟道。在水平烟道中，不同时间不同空间位置下的烟气侧参数和蒸汽测参数都不相同，在沿管道长度方向上不同分段的蒸汽温度和管道外烟气温度都处于不断变化中，很难采用归一化的算法。所以在管壁温度计算中采用离散化的思想，将锅炉的管道分成若干管段，其中的每一段可以视其烟气侧、蒸汽侧参数相同。对其中的每一个管段进行热力计算。每一个小段的入口条件即为上一个小段的出口条件，由此可以依次得到整体计算结果[3]。

每一段的管壁温度计算是按照现有的前苏联1957年和1973年锅炉计算标准进行计算的，其核心也就是锅炉的热偏差计算，锅炉四管管道的壁温计算公式可以用下式表示：

式中tw—计算管段管壁的外壁金属温度，℃；

tb—计算管段管壁的平均金属温度，℃；

tj—计算管段管内的平均工质温度，℃；

tx—含有氧化膜的管壁平均金属温度，℃；

Δt—计算管段管壁的最高金属温度相对于管内的工质平均温度的修正项，℃；

Δt1—计算管段管壁的平均金属温度相对于管内的工质温度的修正项，℃；

β—计算管段处管子外径与内径之比，即β=d2/d1；

μ—热量均流系数；

qmax—计算管段处外壁沿周界计算截面处单位吸热量，kW/m2；

λ—计算管段处管壁所使用钢材的热导率，kW/（m2·℃）；

δ—计算管段处管壁的厚度，m；

α2—计算管段处管内介质的对流放热系数，m2·℃/kW。

管子计算截面单位热负荷qmax：

式中θ—计算点烟气绝对温度；

ε—计算点管子的污染系数；

α1—计算点烟气侧对流放热系数。

锅炉管壁温度计算模型的准确性直接影响到锅炉四管寿命分析故障诊断的准确性[4]。为此，本文在热力计算标准方法的基础上采用了迭代算法，用锅炉壁温计算的结果反推锅炉计算过程的参数。将重新计算出的新参数值作为下次管壁温度计算的初始参数，依次反复直到误差达到合理的范围[5]。在具体实际程序计算中，为了使程序更好更快的实现计算流程，运行中设定一个传热修正系数Δh，经过迭代计算后的参数值更加接近实际过程，大大提高了准确性。

图1 计算模型数据流向图

2 壁温计算软件的介绍

计算过热器再热器管壁温度是一个复杂的工作。计算、修正、校核相互嵌套，所以使用编程语言编制相应的软件来进行计算是非常适合也是非常有效的一种方法。面向对象的Delphi在开发进度上相比较于C++、VB等要快很多，因为它把很多的代码编写成控件方便调用，减去了很多的工作量。而且Delphi的VCL架构是开源的，每个人都可以查看编译代码，这也是其一大好处[6]。

本文设计的计算模型一共有6个相互调用的模块，分别是参数模块（结构参数、运行参数等）、被调用函数模块、主计算流程模块、校核模块、水蒸气性质模块。其数据流向图如图1所示。而计算软件的界面体现的人机交互的便捷性也是非常重要。壁温计算软件的显示界面如图2所示。在程序计算结束后，可以选择输出Microsoft Excel格式的金属管壁温度计算结果，这样使得后期分析更加方便。同时也能提供数据库接口，可以方便使用数据库分析管理。

图2 壁温计算软件的显示界面

3 案例分析

本文以某电厂运行的亚临界参数RBC锅炉为例。锅炉额定蒸发量为2028t/h，此锅炉采用了前后墙对冲的燃烧方式，并且采用了双调风旋流燃烧器及NOx喷口的配置方式。过热器系统是由顶棚管、包墙管、屏式过热器、低温过热器及高温过热器组成。高温过热器处于锅炉遮焰角的上方，由入口管组和出口管组组成。入口管组是由管径Φ51mm，壁厚6～7.5mm，材质为SA213T91和12Gr1MoVG的钢管组成。入口管组由18管圈并绕，横向截距为300mm，沿水平烟道宽度方向有30屏。出口管组是由管径Φ51mm、壁厚6～9mm，材质为SA213T91和12Gr1MoVG的钢管组成。出口管组为10管圈并绕，横向截距为300mm，并使出口管处于中间、入口管处于两侧的布置方式，这样以减少烟气辐射，保护高温的出口管束，出口管组沿着水平烟道宽度方向共有60屏。

本文选取了电厂锅炉2013年3月30日上午8：00的运行实时数据作为运行参数进行计算。将锅炉冷灰斗至炉膛出口之间的区域作为计算区域，根据锅炉实际尺寸，用GAMBIT软件建立炉膛结构并进行网格划分，对燃烧器及屏式受热面做相应简化。网格划分时跟据炉内燃烧特点合理控制网格结构和疏密，对燃烧器区域进行局部网格加密。模拟采用旋流修正的k-ε双方程模型模拟气相湍流流动，双步竞争反应热解模型模拟挥发份析出，挥发份燃烧采用混合分数/概率密度模型函数，焦炭燃烧采用动力-扩散控制反应模型，辐射换热使用P-1辐射模型，煤粉颗粒跟踪采用随机轨道模型，近壁区域用标准壁面函数法进行修正[7]。

计算得到炉膛纵剖面烟气温度分布如图3所示，炉膛出口纵截面速度分布趋势如图4所示，炉膛出口纵截面温度分布趋势如图5所示。从结果中可以清晰的看出在高温过热器入口处，烟道的上部烟气温度明显高于烟道的下部，烟气速度同样是上部高于下部。沿着锅炉宽度方向，烟气温度分布并不均匀，而是显得比较对称。这是和旋流燃烧器的旋转方向有关系的，与预期结果符合的很好。FLUENT运行结果得知出口处的烟气平均温度为1187K，与热力计算值1179℃比较吻合。为此可以将出口截面上的温度进行离散处理，划分为29×14的小矩形区域，如图5所示，由此得出每一格区域的平均烟气温度。

图3 炉膛纵剖面温度流场图

运行过程中的危险点是在整个汽水流程中外壁金属温度的最高点。在整个汽水流程中，锅管道内介质温度最高的地方是在高温过热器出口段和高温再热器管组。本文壁温计算就以高温过热器出口管组作为算例进行。按照锅炉高温过热器结构特性，沿着管组汽水流程方向将锅炉高温过热器出口管组顶棚以下的U型结构部分分为24段，沿着蒸汽流程依次为垂直下降段第1～10段，水平段第11～14段，垂直上升段第15～24段。因为垂直上升段所使用的材质是不同的，前2700mm材质为12Cr1MoVG，剩余部分材质为SA-213T91，其分段结合焊口实际分析，并非均匀取得。

通过运行壁温计算程序，在此工况下得到的结果如下：

图4 炉膛出口纵截面烟气速度分布图

图5 炉膛出口纵截面烟气温分布图

沿着炉膛宽度方向上各屏最外圈的管壁温度总体上显示为比较对称的变化规律，这和烟气场的温度分布情况很相似。高过出口管屏从左侧炉墙向右侧炉墙的方向依次进行编号（编为第1～60屏），其中第4～6屏和第49～52屏的管壁温度在整个高温过热器出口管组中是最高的，应该重点关注。其原因主要是受旋流燃烧对冲布置方式的影响，管壁外部的烟气场各个方向的热力不均性造成的。沿着炉膛宽度方向最高壁温曲线如图6所示。

图6 高温过热器出口段沿着烟道宽度方向最高外壁温度变化图

对于同一管圈上的各根管子的金属管壁壁温差异是由于其所处的位置以及几何结构差异造成的。在高温过热器同屏中，壁温最高处为最外圈的管子，因其受屏前（后）辐射的影响最大。对比发现，计算结果和实际情况吻合的很好。

受烟气直接冲刷的最外侧管子沿着流程方向管壁温度一直增加，在沿程方向第10段（U型结构左下弯头）处的壁温达到极大值，随后壁温下降，然后又缓慢增加。壁温变化情况如图7所示。

图7 第5屏最外侧管壁沿着流程方向温度变化情况

4 氧化膜影响的计算及分析

在亚临界锅炉中管内壁氧化膜并不明显，故此计算没考虑氧化膜的影响是合理的。但是在超临界超超临界机组中，以及在水化学处理并不理想的电厂中，氧化膜的存在确实会对锅炉超温爆管产生巨大的影响[8]。

本文在此基础上，假设锅炉管内壁上附着有一层均匀的氧化膜，其由管内介质中的溶质沉积而成，增加了导热热阻。蒸汽侧氧化层是管内壁金属和高温水蒸气氧化的产物，一般由三层物质（富铬尖晶石结构氧化物（（Fe，Cr）2O3），Fe3O4及Fe2O3）或双层物质构成。本文对氧化层结构进行了简化，将其视为由单一磁铁矿Fe3O4组成。氧化膜的厚度为0.1mm，氧化膜的导热系数为0.5（W·m-1·K-1）。

经计算，第一屏最外侧管沿着流程方向的管壁温度分布如图8所示，沿着烟道宽度方向最高外壁温度变化曲线图如图9所示。

和没氧化膜情况对比，有氧化膜的管壁温度整体有上升趋势，这说明由于氧化膜的存在，管内温度较低的蒸汽不能使管壁温度降低，从而导致受热面管道长期在高温环境下运行，使其热应力、蠕变应力增加，甚至导致显微结构发生变化，最终导致管道的失效。而且超温和氧化膜生长速率是互相促进的，超温会使氧化膜快速生成，而氧化膜的存在会使超温更加严重。

图8 含有氧化膜管壁沿着流程方向温度变化情况

图9 含有氧化膜管壁沿着烟道宽度方向最高外壁温度变化图

5 结语

通过计算可以得出以下结论：

（1）管壁温度并非是随着工质温度的升高而升高，而还和烟气侧的烟温、烟速等众多因素有关。

（2）最危险的屏的确定在很大程度上受锅炉烟气场分布影响，同时水动力循环中的集箱效应、流量偏差等也都会有一定影响。同屏中最外圈的管子受屏前（后）辐射的影响在同屏中最危险。同根管子沿着工质流程方向，在U型结构下部弯头处的温度会达到极大值，随后下降，最后又缓慢增加。所以在同根管子中金属壁温最可能超温的地方出现在下部弯头处和出口处。

（3）在有氧化膜附着的情况下，炉外温度反应炉内壁温情况会产生很大的误差，特别是在存在氧化膜的超（超）临界锅炉中氧化膜影响分析尤为重要。

（4）锅炉烟气温度场和速度场的计算始终是热力计算的难点，其主要原因是在锅炉实际运行中使用的煤种并非完全设计煤种，掺烧低品质煤种使得运行条件更加苛刻，烟气流场变得更加复杂。

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Tube Wall Temperature Calculation and Oxide Film Effects Analysis on Hightemperature Confection Heating Surface of Utility Boiler

WU Kai1，WANG Jia-an1，LV Wei-wei2，XU Hong3
（1.Material Technology Department，Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Guodian Hebei Longshan Power Generation Co.，Ltd，Handan 056400，China；3.School of Energy，Power and Mechanical engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Power plant boiler pipe rupture accident is one of the most common situations in power plant.Tube-burst accident has had a huge impact on the safety and economy in Power plant.The occurrence of such problems are inextricably linked with the boiler tube wall over-temperature，so it is great significance to comprehensively accurately and reliably monitor the tube wall temperature of heat exchangers in power plants.But due to the power plant boiler furnace wall temperature measuring point is difficult to install.Even if installed，the high temperature in the furnace usually makes it not long life.For the most dangerous place，the wall temperature cannot directly obtain.Aimed at this problem，this author analyze the wall temperature calculation model，combined with power plant example of 2028 t/h boiler，use Delphi language to compile the corresponding program for the calculation model，use numerical simulation software Fluent to simulate combustion calculation and assumes the oxide film existence to calculate and analysis the effect again.This paper has significant engineering practical value，it can provide the correct guidance on the safety operation of power plant boiler，and also can put forward the guidance for power plant boiler pipe reparations.

boiler；on-line monitoring；metal wall temperature；programming module；oxide film

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.005

TM621.2

B

2095-3429（2015）01-0020-05

2014-10-15

修回日期：2014-11-18

吴恺（1989-），男，甘肃人，工学硕士，主要从事火电厂无损检测方面的研究工作。