基于炉内壁温动态计算的锅炉管寿命预测研究

河北涿州京源热电有限责任公司 孟 旸 闫新春

关键字：动态热力计算；蠕变寿命；分段计算

随着经济的增长和用电负荷的增加，燃煤机组向着高参数、大容量的超（超）临界技术升级成为必然选择。随着工质和烟气参数的提高，对高温受热面的安全性提出了更高的要求。尤其是锅炉的末级过热器和再热器，其内部工质压力和外部的烟气温度较高，服役条件最为恶劣，其壁面金属温度接近管材的设计许用温度，极易导致受热面失效爆管。锅炉高温受热面的失效机理包括超温、蠕变、疲劳、氧化和腐蚀等方式，其中超温导致的高温蠕变是其主要失效类型之一。一般情况下，受热面材质在设计温度下使用时具有良好的高温性能和综合机械性能，内部微观结构相对比较稳定，能满足管束在较恶劣环境下长期安全运行的要求。但在实际服役过程中，由于煤质的变化、工况的变化、受热面表面沾污和管道堵塞等因素会导致管道频繁超温。

蠕变损伤主要分为三种类型：温度因素损伤、应变因素损伤和环境因素损伤[1-2]。在实际运行的燃煤机组中，又以温度为主要影响因素。为了掌握受热面的超温情况，在锅炉的大包中装有大量壁温测点，测点温度可近似认为是管道出口的工质温度。但是在锅炉启停和变负荷阶段，即使该测点测得温度误差较小，但测量值也会低于锅炉内部管道温度很多，无法代表锅炉管的实际工作温度，而由于内部环境的恶劣，最危险处的壁温却是无法通过热电偶或其他方式直接测量得到[3]。

一般认为，炉内管道的壁面温度和炉外测点的温度相差在50～90℃；而实际蠕变寿命的评估计算对温度敏感，超温10℃，可使蠕变速率增加2～3倍；因此，有必要对炉内壁温进行准确计算。目前，传统的壁温计算的基础还是基于苏联热力计算标准，标准中使用了大量的经验公式及数据，这使得锅炉在工况改变时的壁温计算误差相对较大。随着计算机技术的发展，一些学者为了更为准确地得到炉内烟气场及温度场的分布，开始利用有限元数值模拟的方法，但是有限元计算时的锅炉屏区传热的模拟还没有十分理想的仿真方法[4]。也有学者采用神经网络算法对锅炉过热器和再热器的炉内管壁温度进行预测[5]，但是锅炉运行的炉内壁温数据样本不易获得。

本文利用锅炉现有测点，结合锅炉热力计算得到受热面的进出口烟气温度和工质温度，进而较为准确地计算得到炉内壁温数据；在此基础上实现锅炉受热面管道的蠕变寿命实时监控。

1 锅炉受热面实时热力计算

在进行锅炉校核计算中，通过假设锅炉的热空气温度和排烟温度，进行热平衡和受热面传热计算。如果最终得到的排烟温度与估算值之间的误差不超过，计算得到的热空气温度与估计值不超过，则可认为计算合格。校核计算，对锅炉参数的设计和选型、变工况运行分析具有重要指导作用。但是在锅炉实际运行过程中，各种参数的变动，导致运行工况无法和校核工况对应，无法掌握锅炉的实际运行工况。本文在校核计算的流程基础上，提出基于实时参数的锅炉动态热力计算，可对锅炉受热面的实际运行情况进行实时分析，根据计算结果及结果变化趋势，运行人员可及时发现锅炉受热面的异常。

与校核计算不同的是，在实时热力计算中，所有的预估值，如排烟温度、热空气温度以及所有的设计值，如给水压力和温度、过热蒸汽和再热蒸汽的压力、温度和流量、减温水的流量，都可以从实时数据库系统中动态获得。因此，动态热力计算的迭代过程和校核计算有所不同。本文选取各级受热面的出口蒸汽温度，主要包括屏式过热器、后屏过热器和末级过热器出口的温度作为每个受热面传热计算的迭代条件，计算流程如图1所示。

通过在线热力计算可动态得到后屏过热器、末级过热器以及高温过热器的进出口蒸汽温度和进出口的烟气温度，以此为基础动态计算炉内管壁的金属温度。

2 炉内受热面管壁温计算

锅炉管寿命计算的主要工作在于计算得到炉内管的工作温度，得到工作温度后即可利用蠕变模型计算出管道的寿命损耗。但是炉内受热面的高温运行环境，导致直接通过测量的方法获取壁面温度无法实现。实践表明，新投产锅炉在高温受热面上安装的热电偶测点，基本在运行3～6个月后就会失效，无法通过炉内测点的方法进行持续测量。因此，通过实时计算的方法得到炉内管道温度对锅炉的安全运行具有重要意义。一来可以掌握炉内管道的超温情况，二来可以在此基础上进行蠕变寿命的实时评估。由于高温受热面的传热情况比较复杂，影响因素较多，为了较为准确计算受热面管道沿蒸汽流动方向上各点的壁面金属温度，通常需要将单根管道进行离散，分成多段较短管道，然后根据各管段在炉膛深度及宽度方向上所处的相对位置，确定各种计算参数，如烟气温度、蒸汽侧传热系数、烟气侧传热系数等。每个管段根据进出口参数计算管内工质的焓增，进而得到各管段出口的蒸汽焓值。通过调用蒸汽状态计算的函数，获得管段出口蒸汽温度和管道壁面金属壁温。

通过图1在线热力计算流程，可实时得到各个受热面管组的进出口烟气温度和进出口蒸汽温度，进而得到计算点的锅炉外壁热负荷强度，再通过式3可计算金属壁温。热负荷计算公式如下：

管道壁温计算公式如下：

式中：ηbq沿烟道宽度热负荷不均匀系数；twb管子外壁温度，℃；tgz计算点管内工质温度，℃；ui、沿周界方向热负荷最高处内壁及平均热量均流系数；β管子外径与内径之比；α2工质侧换热系数，kW/m2·℃；β管壁厚度，m；λ金属导热率，kW/m2·℃；α1计算点处烟气侧传热系数，kW/m2·℃，ε-管组平均灰污系数，m2·℃/kW。

在实际计算中，通常把单根管道划分成如图2所示的若干段，一般分为8～12段为宜，按照序号依次计算，取联箱入口管道的温度作为管道第1计算段的工质入口温度tgz，取上一段的出口蒸汽温度作为下一段的入口工质温度tgz，一直计算到管道出口。

3 蠕变寿命计算模型

在高温蠕变过程中，金属材料的内部结构不断发生变化，往往伴随着明显的黏性流动现象，造成孔洞或微裂纹的萌生、长大和聚合，产生损伤。蠕变过程的宏观发展过程通常可以分为三个阶段，在蠕变初始阶段蠕变速率较高，蠕变变形发展较快，随着位错密度增大，蠕变速率逐渐降低，直到一个恒定的值，这一过程称为蠕变第一阶段。在蠕变第二阶段过程中，蠕变速率保持不变，随着损伤的发展，进入加速蠕变阶段，由于蠕变第二阶段在整个蠕变全寿命周期占据很大比例，通常要大于85%，因此大部分蠕变寿命预测一般值计算出第二阶段发展的蠕变速率，比如Norton经典蠕变模型。

基于微观结构演化规律的蠕变模型侧重于从材料的微观损伤机理出发，通过研究不同的损伤机制对蠕变变形的影响，建立应力和应变关系的蠕变本构模型，通过设定微观参量的阈值确定出蠕变断裂寿命。这种基于微观结构演化的蠕变本构模型可很好地有限元分析软件相结合，仿真不同应力水平、温度和形状的部件蠕变力学行为，从而对蠕变寿命损耗进行预测。经过多年发展，蠕变预测模型形成了两大类：一是唯象模型，主要采用寿命外推方法进行预测，另一个方法是以蠕变试验为主，结合损伤力学方法构建的预测模型。从工程预测方面来讲，Larson-Miller参数法以持久强度实验数据为基础，是计算步骤最为简洁方便的一种预测模型。这一方法的具体形式如下：

式中，tr为断裂时间，T为试验温度，P(σ) 为Larson-Miller参数，仅与应力有关的函数，C为Larson-Miller常数与材料特性有关。由于P(σ) 仅与应力有关，因此可以通过试验数据的线性回归得到，以T92为例，表达式如下：

通过公式（5）计算得到蠕变速率和试验数据比较如图3所示，可以看出，在不同温度下，公式（5）的计算结果与试验数据吻合较好。

在进行实际蠕变寿命计算时，最终的蠕变寿命损耗为无量纲值Δt/tr，其中Δt为在线监测的计算周期，在本文中取5min；考虑到在时间间隔内的温度变化量，时间间隔不宜过大；在Δt时间内对取得的实时数（压力、温度、负荷）据求平均值。根据压力数据可以得到管道应力。蠕变寿命损耗增量流程如图4所示。

4 案例计算与分析

以某电厂B&W公司的300MW，一次中间再热、前后墙对冲燃烧方式的π型直流炉为计算对象，后屏过热器顺流顺列布置，由外径Φ51×6.5～7.5mm材质为SA-213T91和SA-213TP347HFG的钢管组成，横向节距600mm，10管圈并绕，沿炉宽方向共有24片，整体布置如图5所示。

设定热力计算时间间隔为5min，通过接口程序连续从SIS实时库中读取实时数据并进行平均值计算，在每个时间点分别进行锅炉热平衡计算、炉膛热力计算和后屏热力计算，得到的受热面出口烟气温度变化，如图6所示。

在计算得到后屏过热器进出口温度的前提下，取锅炉二级喷水减温后的温度作为后屏入口集箱温度，以此作为壁温计算的迭代初始温度，进行迭代计算。以热负荷较高的左侧5屏外圈管为计算对象得到管壁温度沿流程的分布，如图7所示。可以看到，在管道下弯头处壁温出现第一个峰值，这是由于管子弯头处形成烟气走廊，导致烟气的流动速度较高，从而换热系数也很大；当烟气流经管屏后，烟气流速降低，对应的换热强度也会下降，此时管道金属壁温出现了一个下降趋势，随后由于管道内工质温度的上升导致管壁温度持续升高，直到工质出口处管壁温度达到最高值。虽然管道出口温度比第一弯头处高，但是实际管道运行过程中，受到磨损和腐蚀的影响，发生破坏的点都是在炉内弯头处，因此蠕变计算以管道弯头为对象。

根据实时计算得到的管壁温度，采用图4计算流程可计算得到蠕变寿命损耗随时间的变化趋势，如图8所示，半年时间内，蠕变总的寿命损耗约2.5%，管道整体的蠕变损伤在允许范围之内。

5 结论

本文通过建立锅炉在线热力计算模型，结合炉内管道的分段壁温计算，得到沿蒸汽流向的炉内管道壁温分布。在此基础上，通过蠕变寿命计算模型，对实时数据进行同步计算，得到计算周期内的蠕变寿命损耗增量，实现了锅炉管蠕变寿命损耗的连续监测。