一种超超临界锅炉高温过热器残余寿命在线计算方法

技术领域

本发明涉及一种超超临界锅炉高温过热器残余寿命在线计算方法。

背景技术

随着我国电力工业的高速发展及能耗和环保的要求，目前成批量投入了 超超临界和超超临界火力发电机组。超超临界锅炉过热器系统采用四级布置， 以降低每级过热器的焓增，沿蒸汽流程依次为水平与立式低温过热器、分隔 屏过热器、屏式过热器和末级过热器。超超临界锅炉BMCR(锅炉最大连续 蒸发量)工况下末过蒸汽出口温度605℃，过热蒸汽出口压力26.15MPa，过 热蒸汽流量2000t/h；75％BMCR工况下末过蒸汽出口温度605℃，过热蒸汽 出口压力25.59MPa，过热蒸汽流量1500t/h。这些机组的高温过热器和高温 再热器受热面大量采用了含铬量为18％-25％的奥氏体钢管。即使采用了如此 耐高温材料，如果在运行中热偏差太大或发生突发性扰动，仍会发生超温爆 管事故。为了解决锅炉运行过程中管材超温失效的问题，现在采用在线监测 的手段来动态计算和显示炉内管壁温度，遇到超温的管圈时急于停炉维修。 但电厂启停炉代价较大，在实际运行中如果不能对过热器管材的剩余寿命做 出在线评估，会使得电厂管理人员无法实时掌握机组安全运行时间，无法灵 活安排停炉检修时间。

发明内容

本发明提供一种超超临界锅炉高温过热器残余寿命在线计算方法，通过 在线计算高温过热器残余寿命，可有效预警超超临界锅炉高温过热器管材超 温失效，提高锅炉检修效率，为锅炉排查故障隐患提供充分的预警时间，提 高了锅炉高温过热器管材安全运行的预警能力。

为了达到上述目的，本发明提供一种超超临界锅炉高温过热器残余寿命 在线计算方法，包含以下步骤：

步骤S101、在超超临界锅炉高温过热器的每一屏的每一管上设置计算点；

步骤S102、计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的管壁强度 许用温度；

步骤S103、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的蒸汽 温度t_q；

步骤S104、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的平均 壁温t_b；

步骤S105、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的当量 温度t；

步骤S106、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的运行 时间h_a；

步骤S107、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的等效 寿命h₂；

步骤S108、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的残余 寿命h_c；

h_c＝h₂-h_a；

其中，h₂是在当量温度下的等效寿命，h_a是已经运行的时间。

设置计算点遵循的原则是：弯管的两端分别设置一个计算点，直管上每 隔3～5米设置一个计算点。

所述的步骤102包含以下步骤：

步骤S102.1、根据钢材基本应力表得到不同温度下每个材料的许用应力 [σ]；

[σ]＝η[σ]_J

η是基本许用应力修正系数，[σ]_j是钢材基本许用应力；

假设计算点的管壁强度许用温度为T，那么该温度下计算点的许用应力 为：

$\sigma =\frac{{\sigma }_2-{\sigma }_1}{T_2-T_1}(T-T_1)+{\sigma }_1;$

获得每一个计算点的管壁强度许用温度T为：

$T=\frac{\sigma -{\sigma }_1}{{\sigma }_2-{\sigma }_1}*(T_2-T_1)+T_1;$

其中，σ₂是壁温T₂下的许用应力，σ₁是壁温T₁下的许用应力，σ是壁温T 下的许用应力；

步骤S102.2、根据《水管锅炉受压元件强度计算》(GB92222-2008)中 的管壁厚度计算公式，计算该假设许用壁温温度下最小理论壁厚δ_L：

${\delta }_L=\frac{{\mathrm{pD}}_w}{2{\phi }_h\left[\sigma \right]+p};$

其中，p是计算点的管内蒸汽压力；D_w是计算点的管道外径；[σ]是计算 点的管内许用应力，单位MPa；是焊缝减弱系数；δ_L是直管或弯管的理论 计算厚度，单位mm；

步骤S102.3、判断理论壁厚δ_L与实际壁厚δ_r的误差，如果误差小于0.5％， 并且理论壁厚δ_L小于等于实际壁厚δ_r，则停止计算，输出管壁强度许用温度 T的值，否则进行步骤S102.1，重新迭代计算管壁强度许用温度T。

所述的步骤103包含以下步骤：

步骤S103.1、将各管分为n个管段，分别计算每个管段l_i的吸热量Q_i(i＝1,2,3……n)；

Q_i＝H₀(q_fP_i+q_pξ_1i)，(i＝1,2,3……n)；

其中，H₀为中间管管段l₀的屏间换热受热面积；q_f为炉膛对屏的辐射热 负荷；P_i是炉膛辐射因数；q_p为屏间对屏的辐射和对流换热热负荷；ξ_1i是受 热面偏差系数；q_p＝H_f/H₀，H_f为管段l_i接受炉膛的辐射受热面；ξ_1i＝H_p/H₀， H_p为接受屏间辐射(包括对流)的受热面；

步骤S103.2、计算每个管段l_i的焓增Δi_i；

Δi_i＝K₁K₄Q_i＝K₁K₄Q₀(q_fP_i+q_pξ_1i)，(i＝1，2，3……n)；

其中，K₁是沿炉膛宽度吸热偏差；K₄是沿屏高度吸热偏差；D_i是计算管 圈的流量；

步骤S103.3、计算每个管子的焓增Δi；

Δi＝Δi₁+Δi₂+......+Δi_i，(i＝1,2,3……n)；

步骤S103.4、计算每个管子在任何位置的水蒸汽焓H；

$H=H_i+\stackrel{i}{\Sigma }{\mathrm{\Delta i}}_i;$

其中，H_i是入口焓，H是出口焓；

步骤S103.5、根据水蒸汽焓H和管子蒸汽压力P，由水蒸气参数计算公 式计算出蒸汽温度t_q：

t_q＝t_q(H,P)。

所述的步骤S104中，

平均壁温$t_b=t_q+\beta *\mu *q*(\frac{\delta }{\lambda (1+\beta )}+\frac{1}{{\alpha }_2});$

其中，t_q是计算点的管内蒸汽温度；β是管子外径与内径之比；μ是散 热系数；q是计算点的管子外壁热负荷；δ是管子壁厚；λ是管壁金属的导热 系数；α₂是蒸汽侧的放热系数。

所述的步骤S105中，

当量温度$t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{T}_i*h_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i};$

其中，T_i是分段统计的各屏各管各计算点的管壁温度，i＝1,2,3……n，h_i是分段统计各屏各管各计算点管壁温度所对应的累积时间，i＝1,2,3……n。

所述的步骤S106中，

运行时间$h_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i$

其中，h_i是分段统计各屏各管各计算点管壁温度所对应的累积时间， i＝1,2,3……n。

所述的步骤S107中，

根据拉逊-密勒公式T1*(lgh₁+C)＝t*(lgh₂+C)得到等效寿命：

$k_2={10}^{(\frac{T1({\mathrm{lgh}}_1+C)}{t}-C)};$

其中，T1是设计的使用温度，单位K；h₁是设计的寿命，单位h；t是当 量温度，单位K；h₂是等效寿命，单位h；C是常数。

定时对超超临界锅炉高温过热器残余寿命进行在线计算。

将超超临界高温过热器各屏各管各计算点的残余寿命数据存储到数据库， 并实时显示各屏各管各计算点的残余寿命数据。

本发明通过在线计算高温过热器残余寿命，可有效预警超超临界锅炉高 温过热器管材超温失效，提高锅炉检修效率，为锅炉排查故障隐患提供充分 的预警时间，提高了锅炉高温过热器管材安全运行的预警能力。

附图说明

图1是本发明的计算流程图。

图2是本发明一个实施例中超超临界锅炉中高温过热器的各屏各管上的 计算点的分布示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图2，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种超超临界锅炉高温过热器残余寿命在线计 算方法，包含以下步骤：

步骤S1、在超超临界锅炉高温过热器的每一屏的每一管上设置计算点。

设置计算点遵循的原则是：弯管的两端分别设置一个计算点，直管上每 隔3～5米设置一个计算点。

如图1所示，本实施例中，高温过热器包含56屏，每一屏包含16根管， 每一根管设置9个计算点。

步骤S2、判断是否达到了计算间隔时间，如果是，进行步骤S3。

计算间隔时间可根据锅炉运行情况自行通过定时器设定。

步骤S3、计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的管壁强度许 用温度T，该管壁强度许用温度T是强度设计壁温上限值，应控制壁温不能 超过这个许用温度，可保证100000h安全运行，每一次计算该管壁强度许用 温度T都重新刷新管壁的平均壁温和当量温度。

步骤S3.1、根据钢材基本应力表得到不同温度下每个材料的许用应力[σ]；

[σ]＝η[σ]_J

η是基本许用应力修正系数，[σ]_j是钢材基本许用应力；

假设计算点的管壁强度许用温度为T，那么该温度下计算点的许用应力 为：

$\sigma =\frac{{\sigma }_2-{\sigma }_1}{T_2-T_1}(T-T_1)+{\sigma }_1;$

获得每一个计算点的管壁强度许用温度T为：

$T=\frac{\sigma -{\sigma }_1}{{\sigma }_2-{\sigma }_1}*(T_2-T_1)+T_1;$

其中，σ₂是壁温T₂下的许用应力，σ₁是壁温T₁下的许用应力，σ是壁温T 下的许用应力。

步骤S3.2、根据《水管锅炉受压元件强度计算》(GB92222-2008)中的 管壁厚度计算公式，计算该假设许用壁温温度下最小理论壁厚δ_L：

${\delta }_L=\frac{{\mathrm{pD}}_w}{2{\phi }_h\left[\sigma \right]+p};$

其中，p是计算点的管内蒸汽压力；D_w是计算点的管道外径；[σ]是计算 点的管内许用应力，单位MPa；是焊缝减弱系数；δ_L是直管或弯管的理论 计算厚度，单位mm。

步骤S3.3、判断理论壁厚δ_L与实际壁厚δ_r的误差，如果误差小于0.5％， 并且理论壁厚δ_L小于等于实际壁厚δ_r，则停止计算，输出管壁强度许用温度 T的值，否则进行步骤S3.1，重新迭代计算管壁强度许用温度T。

步骤S4、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的蒸汽温 度t_q。

步骤S4.1、将各管分为n个管段，分别计算每个管段l_i的吸热量Q_i(i＝1,2,3……n)。

由于同屏各管的换热情况复杂，将各管子按不同情况分成中间管、末排 管、悬空管、紧贴管、节距不等管和首排管，再将每根管子分成n段，所计 算的管段l_i可能处于首排、末排、悬空等各种位置。

计算不同管子管段l_i的吸热量：Q_i＝H₀(q_fP_i+q_pξ_1i)，(i＝1,2,3……n)；

其中，H₀为中间管管段l₀的屏间换热受热面积；q_f为炉膛对屏的辐射热 负荷；P_i是炉膛辐射因数；q_p为屏间对屏的辐射和对流换热热负荷；ξ_1i是受 热面偏差系数；q_p＝H_f/H₀，H_f为管段l_i接受炉膛的辐射受热面；ξ_1i＝H_p/H₀， H_p为接受屏间辐射(包括对流)的受热面。

步骤S4.2、计算每个管段l_i的焓增Δi_i。

Δi_i＝K₁K₄Q_i＝K₁K₄H₀(q_fP_i+q_pξ_1i)/D_i，(i＝1,2,3……n)；

其中，K₁是沿炉膛宽度吸热偏差；K₄是沿屏高度吸热偏差；D_i是计算管 圈的流量。

步骤S4.3、计算每个管子的焓增Δi。

Δi＝Δi₁+Δi₂+......+Δi_i，(i＝1,2,3……n)。

步骤S4.4、计算每个管子在任何位置的水蒸汽焓H。

$H=H_i+\stackrel{i}{\Sigma }{\mathrm{\Delta i}}_i;$

其中，H_i是入口焓，H是出口焓。

步骤S4.5、根据水蒸汽焓H和管子蒸汽压力P，由水蒸气参数计算公式 计算出蒸汽温度t_q。

t_q＝t_q(H,P)，参考水蒸汽热力计算表IAPWS_IF97。

步骤S5、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的平均壁 温t_b(该数据计算一次，刷新管子平均壁温、当量温度，并刷新剩余寿命)， 该数据是每一次瞬时计算的实时壁温。

$t_b=t_q+\beta *\mu *q*(\frac{\delta }{\lambda (1+\beta )}+\frac{1}{{\alpha }_2});$

其中，t_q是计算点的管内蒸汽温度；β是管子外径与内径之比；μ是散 热系数；q是计算点的管子外壁热负荷；δ是管子壁厚；λ是管壁金属的导热 系数；α₂是蒸汽侧的放热系数。

步骤S6、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的当量温 度t(该数据计算一次，刷新管子剩余寿命)，该数据中加入了长周期的概念， 是不同工况下长周期的壁温数据。

$t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}T*h_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i};$

其中，T_i是分段统计的各屏各管各计算点的管壁温度，相当于实时计算 的平均壁温t_b，i＝1,2,3……n，h_i是分段统计各屏各管各计算点管壁温度所对 应的累积时间，i＝1,2,3……n。

步骤S7、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的运行时 间h_a。

$h_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i;$

其中，h_i是分段统计各屏各管各计算点管壁温度所对应的累积时间， i＝1,2,3……n。

步骤S8、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的等效寿 命h₂。

根据拉逊-密勒公式T1*(lgh₁+C)＝t*(lgh₂+C)得到等效寿命：

$h_2={10}^{(\frac{T1({\mathrm{lgh}}_1+C)}{t}-C)};$

其中，T1是设计的使用温度，单位K；h₁是设计的寿命，单位h；t是管 子当量温度，单位K；h₂是等效寿命，单位h；C是常数(不同的材料取不 同的数值，对钢研102取22)。

步骤S9、在线计算超超临界锅炉高温过热器各屏各管各计算点的残余寿 命h_c。

h_c＝h₂-h_a；

其中，h₂是在当量温度下的等效寿命，h_a是已经运行的时间。

步骤S10、将超超临界高温过热器各屏各管各计算点的残余寿命数据存储 到数据库，并实时显示各屏各管各计算点的残余寿命数据，返回步骤S2。

本发明通过在线计算高温过热器残余寿命，可有效预警超超临界锅炉高 温过热器管材超温失效，提高锅炉检修效率，为锅炉排查故障隐患提供充分 的预警时间，提高了锅炉高温过热器管材安全运行的预警能力。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。