CN101551650A - 一种水冷壁在线安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水冷壁在线安全评价方法，首先在各辐射区具有流动传热代表性的管段布置少量的测点，结合已有的炉外进出口测点，通过监测少量的电站锅炉水冷壁管内特征参数作为计算、校核点，输入计算机计算处理，并通过流动传热规律在线实时计算该管组所有管子的流量、进出口压力、焓值、沿长度各段管子的炉内壁温值、应力变化幅值等参数，以判断是否出现水动力不稳定性、超温、蠕变疲劳破坏等不安全因素。计算结果实时显示、记录有关数据，作为判断水冷壁是否安全运行的依据，实现设备的优化运行和依据状态安排检验与维修管理，全面实施设备状态检修。

Description

一种水冷壁在线安全评价方法

技术领域

本发明涉及电站锅炉安全技术领域，涉及一种通过监测少量的水冷壁管内特征参数并利用流动传热计算在线判断水冷壁是否发生流量脉动、壁温超温、疲劳蠕变断裂的安全评价技术。

背景技术

超(超)临界压力发电技术现在已经是成熟的技术，具有效率高、排放少、易于调峰、运行稳定的特点，但是实际运行中，水冷壁热偏差将导致流量偏差扩大，致使偏差管内工质热物理性质剧烈变化，进而产生流量偏差和传热恶化，使水冷壁壁温偏差增大，其危害比亚临界自然循环锅炉的程度严重得多。而传统的测量方法由于受到技术的约束，无法在炉膛设置大量的测点，测量整个炉膛工况的实时变化，且计算时依赖大量的经验参数，使得推算的结果误差值过大。

因此，应针对性地对水冷壁运行参数进行在线监测，利用管内流动传热规律及少量的测量参数对部件不同位置的实时状态(温度、流量、压力及残余寿命)进行评估，及时正确地将状态和寿命评估结果应用到设备管理决策中，可明显提高设备运行的安全性、可靠性，实现设备的优化运行和依据状态安排检验与维修管理，全面实施设备状态检修。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种水冷壁在线安全评价方法，该方法能够在线监测少量的电站锅炉水冷壁特征参数(进出口流量、温度、压力等)作为计算、校核点，并通过流动传热计算在线判断水冷壁是否发生流量脉动、壁温超温、疲劳蠕变断裂等。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种水冷壁在线安全评价方法，其特征在于，该方法将电站锅炉水冷壁特征参数作为计算、校核点，在给定负荷率、节流方式下，在线计算各负荷率下的各回路流量，进而计算出口汽温、压力、壁温，进行蠕变、疲劳剩余寿命计算，并实时显示、记录有关数据，作为判断水冷壁是否安全运行的依据，具体包括下列步骤：

1)少量测点的布置：

测点布置的原则是在满足计算的情况下采用尽量少的测点，所得的测量值部分作为计算的初始值带入，部分作为校核值，实时对计算过程进行修正；

具体的布置方法为：在各受热面上选择具有代表性的管段，布置少量测点，即在炉膛下辐射区、中辐射区、上辐射区各受热面进出口集箱两侧管及中间管附近布置测点，进行温度、流量、压力测量；通过测点能反映出受热面不同位置吸热能力、流量分配的不同，将测量值进行插值计算、加权处理，作为受热面不同位置吸热、流量不均系数；

2)输入结构参数划分回路区段：

将管组的各种结构数据输入计算软件，包括管组管子数量、管长、倾角、内径、材料、集箱结构；

用锅炉上原有的温度、流量、压力测点或加装少量炉外壁温测点，每隔一定时间由计算软件采集这些数据及必要的锅炉运行参数；

按结构尺寸和吸热相差不多的原则，将水冷壁划分为若干个计算回路，在高度方向划分若干个区段，用回路中的一根管的水动力特性代表所在回路的水动力特性，沿高度各个区段的压降之和即为总压降，水冷壁系统构成复杂的串并联回路系统，其中每一面墙的每一辐射区由若干回路构成并联系统，自下而上各个辐射区构成串联系统；四面墙组成一个大的并联系统，下公共点可认为是水冷壁入口集箱，而上公共点是顶棚出口集箱；

3)在线计算管段蒸汽流量、出口焓值、压力，进行水动力不稳定性评定：

通过逐步计算，获得包括节流元件、局部阻力元件、水冷壁各回路不同流量下的压降，这样获得回路分散点的数据，采用四次方切比雪夫多项式拟合，在以获得的压降-流量数据基础上，得到回路的水动力曲线方程；在串联系统中，根据工质“流量相等，压降叠加”的特性，在并联系统中，根据“压降相等，流量叠加”的特性获得串、并联回路的压降-流量或流量-压降数据，据此通过切比雪夫多项式拟合获得串并联系统的水动力曲线方程；

4)在线计算水冷壁壁温，进行壁温评定：

膜式水冷壁向火正面外壁温最高，受热管内汽液两相工质在管内流动时发生传热恶化时，其换热系数大幅下降，可能导致管壁超温；用临界热负荷qcr或临界干度xcr来判别是否出现传热恶化；

5)蠕变、疲劳损伤在线寿命评定：

A.受热面应力在线监测：

应力在线监测只需监测实时压力，并通过下式计算求得：

σ＝K_PPD/2SS

式中，P为工作压力，MPa；D为管子原始中径，mm；S_s为管子实际壁厚，mm；K_p为综合减弱系数和应力集中系数；

实际运行中，由于腐蚀和磨损，不可避免地存在管子壁厚减薄的现象，为此：

S_s＝S_b-S_w-S_n-S_m

式中，S_b为原始壁厚，mm；S_w为外壁腐蚀减薄厚度，mm；S_n为内壁腐蚀减薄厚度，mm；S_m为飞灰磨损减薄厚度，mm；在线监测系统中，S_w、S_n、S_m采用水管锅炉强度计算标准推荐的最大值，并根据锅炉检验实测壁厚定期校核修正；

B.蠕变寿命损伤的评定：

在一定温度条件下，应力σ与蠕变破坏时间τ存在如下关系：

τ＝Aσ^-B

式中，A、B为与钢种及温度有关的常数，通过恒温条件下，采用较高的应力进行短期的试验获得；

采用蠕变计算公式，对于某应力，绝对温度T、蠕变破坏时间τ和应力σ有如下关系：

T(C+lgτ)＝a₀+a₁lgσ+a₂lg²σ+a₃lg³σ

对于给定材料，可根据其实测对应不同温度和时间的材料持久强度数据求出系数a₀、a₁、a₂、a₃和常数C；

在线监测中，通过实时计算管壁温度和应力，可得到寿命损耗率；对于蠕变损伤，满足线性累加原则，即可将寿命损耗率累加，得到总的寿命损耗；

C.疲劳损伤的在线寿命评定：

对部件进行疲劳寿命评价时，首先统计出部件承受的各种循环应力的幅值，再根据S-N曲线找出对应的断裂周次，由下式即得到部件的累积损伤程度：

$\mathrm{\Φ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}\≤1$

式中：n_i为各种循环应力的循环次数；N_i为相应循环应力的允许循环次数，当Φ＝1时，即认为发生了疲劳破坏；

6)在线显示、记录数据：

计算机记录计算数据，并存入在线监测数据库。

本发明的水冷壁在线安全评价方法所带来的技术特点是：

1、采用的水动力、壁温、蠕变疲劳损伤计算方法，能保证方程求解的收敛性，算法精度高，CPU占用小；

2、能以少量的特征参数实时地在线计算各回路管段的流量、壁温、剩余寿命；

3、具有显示、记录、统计功能；

4、实现设备的优化运行和依据状态安排检验与维修管理，全面实施设备状态检修。

附图说明

图1是回路流量叠加原理图，其中，图(a)是并联回路流量叠加原理图，图(b)是串联回路压降叠加原理图；

图2是上下公共点之间的压降、流量对应关系图；

图3是本发明的流程图；

图4是单管区段压降计算子程序框图；

图5是水冷壁水动力程序框图；

为了更清楚地理解本发明，以下结合附图和发明人给出的具体实例对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

传统的测量方法由于受到技术的约束，无法在炉膛设置大量的测点，测量整个炉膛工况的实时变化；所布置的测点并不能恰好处在具有最高壁温的管段上，往往出现管壁超温的位置没有监测到的情况；同时计算依赖大量的经验参数，使得推算的结果误差值过大。

针对上述问题，本发明的水冷壁在线安全评价方法，基于少量的管内被测特征参数动态分析和管内流动传热计算，在给定负荷率、节流方式下(节流压降或孔圈阻力系数)，在线计算各负荷率下的各回路流量，进而计算出口汽温、压力、壁温，进行蠕变、疲劳剩余寿命计算，并实时显示、记录有关数据，作为判断水冷壁是否安全运行的依据，具体包括下列步骤：

1、少量测点的布置

由于受到技术的约束，无法在炉膛设置大量的测点，测量整个炉膛工况的实时变化，所以，测点布置的原则是在满足计算的情况下采用尽量少的测点。所得的测量值部分作为计算的初始值带入，部分作为校核值，实时对计算过程进行修正。

具体的说：在各受热面上选择具有代表性的管段，布置少量测点，即在炉膛下辐射区、中辐射区、上辐射区各受热面进出口集箱两侧管及中间管附近布置测点，进行温度、流量、压力测量。通过测点能反映出受热面不同位置吸热能力、流量分配的不同，将测量值进行插值计算、加权处理，作为受热面不同位置(炉膛宽度和高度方向)吸热、流量不均系数。

2、输入结构参数划分回路区段

将管组的各种结构数据输入计算软件，包括管组管子数量、管长、倾角、内径、材料、集箱结构等。

用锅炉上原有的温度、流量、压力测点或加装少量炉外壁温测点，每隔一定时间由计算软件采集这些数据及必要的锅炉运行参数。

按结构尺寸和吸热相差不多的原则，将水冷壁划分为若干个计算回路，在高度方向划分若干个区段。用回路中的一根管的水动力特性代表所在回路的水动力特性，沿高度各个区段的压降之和即为总压降。水冷壁系统构成复杂的串并联回路系统，其中每一面墙的每一辐射区由若干回路构成并联系统，自下而上各个辐射区构成串联系统。四面墙组成一个大的并联系统，下公共点可认为是水冷壁入口集箱，而上公共点是顶棚出口集箱。

3、在线计算管段蒸汽流量、出口焓值、压力，进行水动力不稳定性评定

通过逐步计算，获得个回路(包括节流元件、局部阻力元件、水冷壁等)不同流量下的压降。这样获得回路分散点的数据，采用四次方切比雪夫多项式拟合，在以获得的压降-流量数据基础上，得到回路的水动力曲线方程。

在串联系统中，根据工质“流量相等，压降叠加”的原则，在并联系统中，可以根据“压降相等，流量叠加”的原则来获得串、并联回路的压降-流量或流量-压降数据，据此通过切比雪夫多项式拟合获得串并联系统的水动力曲线方程。对于直流锅炉，入口总流量M_sum总是已知的，即可求得压降ΔP。

1)计算吸热量

i回路j段单管吸热量为：

Q_i，j＝q·η_i·η_j·h_i，j·s

其中：

q——炉膛平均热负荷；

η_i，η_j——炉膛宽度和高度方向上的不均匀系数；

h_i，j——i回路j段高度；

s——管间距。

回路吸热量为：

$Q_i=\underset{j_1}{\overset{j_2}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{i,j}\·\mathrm{NOC}\left(i\right)$

其中，数组NOC(i)是i回路的管子根数。

大回路大区段吸热量为：

${\mathrm{QSUM}}_{(I,J)}=\underset{i_1}{\overset{i_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_1}{\overset{j_2}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{i,j}\·\mathrm{NOC}\left(i\right)$

通过选择不同的i₁，i₂，j₁，j₂可以计算得到任何墙和集箱间的吸热量。

2)计算各回路在G_i流量下的摩擦压降和重位压降：

i回路j段出口焓为：

i_i，j＝i_i，j-1+Q_i，j÷G_i

ΔP_f(i，j)＝f₁(P，i_i，j-1，i_i，j，G_i，D_i，h_i，j，α)

ΔP_h(i，j)＝f₂(P，i_i，j-1，i_i，j，G_i，D_i，h_i，j，α)

$\mathrm{\Δ}{P}_i=\underset{j_1}{\overset{j_2}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ΔP}}_f(i,j)+{\mathrm{\ΔP}}_h(i,j))$

锅炉水冷壁管中加速压降可忽略，只计算摩擦压降和重位压降。水冷壁有光管和内螺纹管组成。

a单相压降计算

对光管，处于旺盛紊流区单相摩擦系数为：

$f=\frac{1}{4{\left(\lg (3700D_{\mathrm{in}}/k)\right)}^2}$

其中，k为粗糙度，对于SA213T12，k＝0.008。

ΔP_f＝f·(L/D_in)·(G²/2)·v

对于四头内螺纹管，CE公司推荐将光管的摩擦阻力乘以1.66得到内螺纹管的摩擦阻力：

${\mathrm{\ΔP}}_f^{*}=1.66*{\mathrm{\ΔP}}_f$

Kohler给出的内螺纹管摩擦阻力计算公式为：

${\mathrm{\ΔP}}_f^{*}=f^{*}\·(L/D_{\mathrm{in}})\·(G^2/2)\·v$

f^*＝0.0213+1.01×10⁴/Re^1.2

对于超临界压力，单相摩擦压降计算公式中的平均比容按各区段进、出口平均焓值选取，即：i＝(i_in+i_out)/2

若i处在(i＝1670kJ/kg□2720kJ/kg)，且在区段内Δi＞210kJ/kg时，平均比容按下式选取：

v＝(v_out·i_out-v_in·i_in)/(i_in-i_out)

单相重位压降计算公式为：

ΔP_h＝ρ·g·h＝g·h/v

超临界压力时比容v的选取同上。

b.汽液两相压降计算

文献中已发表了许多垂直光管的两相流摩擦压降，普遍认为Chisholm方法较为准确。

引进两相压降倍律φ_L ²：

Φ_L ²＝ΔP_f/ΔP_L＝1+c/x+1/x²

x²＝ΔP_L/ΔP_g

ΔP_L，ΔP_g分别为两相流中液相单独流过管道时的阻力及汽相单独流过管道时的阻力。

ΔP_L＝λ_L(h/D_i){[G(1-x)]²/2}v_L

ΔP_g＝λ_g(h/D_i){(Gx)²/2}v_g

进入旺盛紊流区后

λ_L＝λ_g＝1/{4[lg(3700D_i/k)]}²

系数C值按下式计算

C＝{λ+(C₁-λ)[(v_g-v_L)/v_g]^0.5}[(v_g/v_L)^0.5+(v_L/v_g)^0.5]

(1).G≤G^*＝1500kg/m²·s(粗糙管)

取λ＝1.0，C₁＝G^*/G，计算C值。

(2).G＞G^*＝1500kg/m²·s

Φ_L ²＝(1+c₂/x+1/x²)Ψ

Ψ＝(1+c/T+1/T²)/(1+c₁/T+1/T²)

C₂＝(v_g/v_L)^0.5+(v_L/v_g)^0.5

T＝[x/(1-x)]^(2-n)/2(μ_L/μ_g)^n/2(v_L/v_g)^1/2

求得φ_L ²后，ΔP_f＝ΔP_L□Ψ_L ²，从以上计算过程可以看出，Chisholm方法综合考虑了物性、质量流速的影响。

CE推荐内螺纹管中摩擦阻力为光管中的1.66倍，即

ΔP_f ^*＝1.66ΔP_f

Kohler给出的内螺纹管汽液两相摩擦阻力计算方法如下：

R＝(1-x)²+x²(v_L/v_g)(λ_g/λ_L)+6x^1.2(1-x)^0.41(v_g/v_L)

＝(μ_g/μ_L)^0.4[1-(μ_g/μ_L)]F_rL ^-0.05W_oL ^-0.033

这里F_rL＝(G²v_L ²)/(gD_i)，W_oL＝(G²D_iv_L)/σ

λ_g，λ_L由以下两式确定：

λ_g＝0.0213+(1.01×10⁴/Re_g ^1.2)

λ_L＝0.0213+(1.01×10⁴/Re_L ^1.2)

Re_g＝GD_i/μ_g，Re_L＝GD_i/μ_L

ΔP_f ^*＝RΔP_L＝Rλ(h/D_i)(G²/2)v_L

两相区重位压降的计算方法如下：

ΔP_h＝ρ_mgh

混合物的密度为：

ρ_m＝α/v_g+(1-α)/v_L

α为界面平均含气率。

截面含气率和体积含汽率从理论上存在以下关系：

α＝1/{1+S[(1-β)/β]}

由体积含汽率β和质量含汽率x的关系

β＝1/{1+(v_L/v_g)[(1-x)/x]}

可得：

α＝1/{1+S(v_L/v_g)[(1-x)/x]}

其中S为汽速和水速之比。

滑速比S为多种计算方法，现采用电站锅炉水动力计算方法：

S＝1+(0.4+β²)/(G·v_L)0.5·(1-P/221.5)

具体计算时，首先确定体积含汽率，进而确定滑速比S，求得截面含汽率α，然后求得ρ_m，即可确定重位压降ρ_m。

3)复杂串并联回路水动力特性曲线方程

a.单回路的水动力特性曲线方程

i回路j段在流量G_i下的出口焓值i_i，j为：

i_i，j＝i_i，j-1+Q_i，j/G_i

其中，Q_i，j——i回路j段的吸热量。

j段的摩擦压降ΔP_f(i，j，G_i)和重位压降ΔP_h(i，j，G_i)分别为：

ΔP_f(i，j，G_i)＝f₁(P，i_i，j-1，i_i，j，G_i，D_i，j，h_i，j)

ΔP_h(i，j，G_i)＝f₂(P，i_i，j-1，i_i，j，G_i，D_i，j，h_i，j，2)

在某一级辐射区上累加，可得：

${\mathrm{\ΔP}}_f(i,G_i)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_f(i,j,G_i)$

${\mathrm{\ΔP}}_h(i,G_i)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_h(i,j,G_i)$

ΔP(i，G_i)＝ΔP_f(i，G_i)+ΔP_h(i，G_i)

对多个流量重复以上过程的计算，就可得到摩擦压降和重位压降之和与流量的对应关系，通过切比雪夫(chebyshev)曲线拟合数学处理，即可获得i回路的水动力曲线方程。同时得到ΔP＝F_i，1(G)和G＝F_i，2(ΔP)，以备后面计算方便。经验表明，四次chebyshev拟合以足够满足精度要求。

当计算下辐射区域时，必须考虑进口节流压降和三叉管局部阻力压降。其压降为：

ΔP(i，G_i)＝ΔP_f(i，G_i)+ΔP_h(i，G_i)+ΔP_JL(i，G_i)+ΔP_SC(i，G_i)

b.并联回路的水动力特性曲线方程：

参见图1(a)，设并联回路由N个单回路组成，已知入口工质的总流量G_sum，入口焓i_m和入口压力P_in。在水冷壁结构已知的情况下，可以认为有：

ΔP＝f(G_sum，i_in，P_in)

ΔP——并联回路进、出口公共点的总压差。

按单回路水动力特性曲线方程的计算方法，分别求出并联回路中的每个回路在i_in和P_in条件下的水动力曲线方程。由于各回路并联，进、出口公共点之间在同一压降下工作，并联回路水动力特性曲线可以根据“压降相等，流量叠加”原则得到

对回路i，流量为G_i时，已知其压降ΔP_i，则并联回路中其余回路的流量分别为：

G₁＝F_1，2(ΔP_i)

G₂＝F_2，2(ΔP_i)

G_N＝F_N，2(ΔP_i)

并联回路的总流量为：

$G=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i$

对其他的G_i计算就可获得整个并联回路的ΔP-G数据，同样采用chebyshev拟合，即可获得并联回路的水动力曲线方程。

ΔP＝F₃(G)

获得并联回路的压降。

已知的G_sum，由上式即可获得ΔP_sum，同时也可得到出口处的i_out和P_out。

c、串联回路的水动力特性曲线方程

参见图1(b)，串联系统中，总水动力特性曲线可以根据工质“流量相等，压降叠加”的原则得到。

不论方框代表的是并联回路、单回路，还是单管，如图2所示，已知方框I前的i₁，G_sum，P₁，依据单回路的水动力特性曲线方程和并联回路的水动力特性曲线方程的方法，既可求出方框I后的i₂，G_sum，P₂和方框II后的i₃，G_sum，P₃，依次类推，便可得到G_sum与多级串联回路的上下公共点之间的压降的对应关系。多对G_sum-ΔP数据，即可获得串联回路的水动力曲线方程。

4)进行水动力不稳定性评定

多值性分析：是指管屏的水动力特性呈三次方曲线，因此对应于一个压降有三个流量，从而造成很大的流量偏差或不稳定性，这种流动不稳定性主要可能发生于低负荷时。通过低负荷时拟合出的水动力特性曲线判断是否存在多值性。

脉动分析：在直流锅炉和强制循环锅炉的并联蒸发受热面中，当运行中遇到各种扰动或工况变化时，使管子的进口流量G和出口的蒸汽流量D可能随时间发生周期性的波动，这种现象被称为脉动。可以通过管内质量流速是否超过界限质量流速(ρw)_j值进行判断。后者按下式进行计算：

${\left(\mathrm{\ρw}\right)}_j=4.62\×{10}^{-9}{K}_P{\left({\mathrm{\ρw}}^{p=9.8}\right)}_j\frac{\mathrm{ql}}{d_n}$

式中，(ρw^p＝9.8)_j-在9.8MPa时的界限质量流速，kg/(m²/s)；

K_p-压力修正系数，按进口阻力系数ξ和压力p查得；

q-管子内壁平均热负荷，w/m²；

l-管子长度，m；

d_n-管子内径，m

4、在线计算水冷壁壁温，进行壁温评定

膜式水冷壁向火正面外壁温最高。受热管内汽液两相工质在管内流动时发生传热恶化时，其换热系数大幅下降，可能导致管壁超温。用临界热负荷q_cr或临界干度x_cr来判别是否出现传热恶化。

当局部点q_n＜q_cr或者x＜x_cr时，认为不会发生传热恶化，无需进行壁温校核计算。对于欠热水区域，也无需进行壁温的校核计算，当q_n＞q_cr或x＞x_cr时，认为发生了传热恶化，这是需要校核计算壁温，看其是否超过安全极限温度。

对于光管的临界热负荷采用如下公式计算：

q_cr＝22.95[(212-P)·G]^0.5·(1-x)

对于光管的临界干度采用我国水动力计算方法推荐的公式计算：

x_cr＝(605-2.25P)·(860·q_n)^-0.7·G^0.33

对于内螺纹管的临界热负荷采用公式计算：

q_cr＝10.28×(22.115-P)^0.5681×G^0.5295×(1-x)^0.1856

对于内螺纹管的临界干度采用公式计算：

x_cr＝1.414×q^-0.234×G^0.1451e^{-0.2087×(p/22.115)}

内壁热负荷q_n根据下式计算：

q_n＝0.975·(D_w/D_n)·q_LOCAL

q_LOCAL为向火面外壁热负荷，由热力计算提供。

各回路各个区段向火正面外壁面母线温度及向火正面内壁温度：

t_n＝t_f+J_n·(β/α)·q_n

其中：

t_f——计算区段的流体温度；

J_n——管子正面内壁均流系数；

β——管子外径与内径的比值，β＝D_w/D_n；

q_n——壁温计算点处正面外壁辐射热负荷；

J_n＝f(B_i，s/D_w)，对于J_n，根据我国水动力计算方法的数据采用曲线拟合的方法获得。

管子正面外壁温度t_w按下式计算：

t_w＝t_n+J·q·(δ/λ)[2β/(β+1)]

δ——管壁厚度；

λ——管壁导热系数；

对于J＝f(B_i，s/D_w)，其处理方法同上。

对于超临界及超超临界流体的管壁温度计算，因为换热系数不仅与“当地”流体温度有关，还与内壁温度有关，因此是一个迭代过程。首先假设一个内壁温度，由此计算换热系数，再求内壁温度，当两次内壁温度的相差满足收敛条件时，结束迭代。

5、蠕变、疲劳损伤在线寿命评定

蠕变是锅炉高温受压元件寿命损伤的主要因素之一。蠕变是金属材料在高温工作条件下，即使承受低于屈服极限的恒定应力的作用，也会发生连续增长的永久变形行为。

锅炉高温受压元件寿命损伤另一主要因素是低周疲劳，金属材料受低于抗拉强度的交变应力作用，经历一定次数交变循环后，材料会萌生裂纹而发生断裂。

1)受热面应力在线监测

应力在线监测只需监测实时压力，并通过下式计算求得。应力误差对寿命的影响一般远小于温度对寿命的影响。

σ＝K_PPD/2SS

式中，P为工作压力，MPa；D为管子原始中径(公称外径与内径平均值)，mm；S_s为管子实际壁厚，mm；K_p为综合减弱系数和应力集中系数。

实际运行中，由于腐蚀和磨损，不可避免地存在管子壁厚减薄的现象，为此：

S_s＝S_b-S_w-S_n-S_m

式中，S_b为原始壁厚，mm；S_w为外壁腐蚀减薄厚度，mm；S_n为内壁腐蚀减薄厚度，mm；S_m为飞灰磨损减薄厚度，mm。在线监测系统中，S_w、S_n、S_m采用水管锅炉强度计算标准推荐的最大值，并根据锅炉检验实测壁厚定期校核修正。

2)蠕变寿命损伤的评定

在高温蠕变条件下，应力越大，蠕变进行的越快，破坏得越早。试验表明：在一定温度条件下，应力σ与蠕变破坏时间τ存在如下关系：

τ＝Aσ-B

式中，A、B为与钢种及温度有关的常数，可通过恒温条件下，采用较高的应力进行短期的试验获得。

采用经典的蠕变计算公式(L-M公式)，对于某应力，绝对温度T、蠕变破坏时间τ和应力σ有如下关系：

T(C+lgτ)＝a₀+a₁lgσ+a₂lg²σ+a₃lg³σ

对于给定材料，可根据其实测对应不同温度和时间的材料持久强度数据求出系数a₀、a₁、a₂、a₃和常数C。

根据以上分析，由材料的工作温度和工作应力，可以确定部件在该工作温度和工作应力下的使用寿命。在线监测中，通过实时计算管壁温度和应力，可得到寿命损耗率。对于蠕变损伤，满足线性累加原则，即可将寿命损耗率累加，得到总的寿命损耗。

3)疲劳损伤的在线寿命评定

锅炉承压部件在运行期间受到的反复交变应力，主要来源于机组的启停以及变负荷运行时压力和温度的变化和波动。目前常用按疲劳试验破坏前材料所经历的载荷循环周次的多少对疲劳进行分类。通常，把破坏周次大于10⁴～10⁵次的称为高周疲劳，低于此界限的称为低周疲劳。锅炉设备在启停和变负荷运行中产生的热疲劳多属于低周疲劳。

疲劳寿命具有统计特性，因此疲劳寿命估算多是在通过大量试验所建立的疲劳设计曲线的基础上进行的。传统的试验方法是在一系列的循环载荷下，测得无裂纹光滑试件的相应的断裂次数，由此获得应力与寿命的关系(σ-N)曲线或应力与寿命(ε-N)曲线，统称为S-N曲线。对部件进行疲劳寿命评价时，首先统计出部件承受的各种循环应力的幅值，再根据S-N曲线找出对应的断裂周次，由下式即得到部件的累积损伤程度：

$\mathrm{\Φ}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}\≤1$

式中：n_i为各种循环应力的循环次数；N_i为相应循环应力的允许循环次数，当Φ＝1时，即认为发生了疲劳破坏。

6、在线显示、记录数据

计算机记录计算数据，并存入在线监测数据库，做到状态检修和寿命监测的电厂高科技管理的要求。

图3是本发明的流程图，首先在具有代表性的受热面管段布置少量的测点，结合原有的进出口测点将锅炉运行数据输入数据库，结合已有的结构数据划分回路区段；接下来通过各个回路不同流量下的压降。这样获得回路分散点的数据拟合，在以获得的压降-流量数据基础上，得到回路的水动力曲线方程，进而通过串并联方法获得水冷壁整体水动力曲线，然后逆向推导，通过总流量得到总压降，再通过串并联方法得到各串并联回路的压降，进而在线计算管段蒸汽流量、出口焓值、压力；在流量出口焓值已知的情况下，进一步迭代计算出水冷壁壁温；在压力已知的情况下，计算管段的实时应力分布、变化幅值，结合已知的壁温参数，进行蠕变、疲劳损伤的评定；最后将所得的数据作为在线显示和历史记录返回数据库。

图4是单管区段压降计算子程序框图，它提供了单管中不同流态的流体的压降计算。首先输入管长、倾角、内径、流量、压力等数据，判断是否为超临界，如果是，直接运用超临界压降计算方法计算压降；如果不是，则进入下一级程序，依次判断进出口均为两相，进口两相出口过热，出口欠热进口过热，进口欠热，出口两相等情况，依次运用相关方法计算压降。

图5是水冷壁水动力程序框图，首先读入设计节流压降数据，然后计算各个回路下包括节流在内的分散点数据，然后拟合并联回路(各面墙)的水动力曲线，接着拟合各串联回路(各辐射区)的水动力曲线，接着通过各串并联回路获得整个水冷壁总的水动力曲线，然后根据水冷壁总流量，代到水冷壁水动力曲线方程，获得水冷壁总压降，然后根据总压降，计算各面墙流量，然后根据各墙的流量，代入各墙各辐射区的水动力曲线方程，获得压降，接着根据压降，计算各回路流量、出口焓值、出口压力，通过得到各回路流量、出口焓值、出口压力，可以得到水冷壁壁温，最后计算完毕，进入下一负荷的计算准备。

Claims (1)

1、一种水冷壁在线安全评价方法，其特征在于，该方法将电站锅炉水冷壁特征参数作为计算、校核点，在给定负荷率、节流方式下，在线计算各负荷率下的各回路流量，进而计算出口汽温、压力、壁温，进行蠕变、疲劳剩余寿命计算，并实时显示、记录有关数据，作为判断水冷壁是否安全运行的依据，具体包括下列步骤：

1)少量测点的布置：

测点布置的原则是在满足计算的情况下采用尽量少的测点，所得的测量值部分作为计算的初始值带入，部分作为校核值，实时对计算过程进行修正；

具体的布置方法为：在各受热面上选择具有代表性的管段，布置少量测点，即在炉膛下辐射区、中辐射区、上辐射区各受热面进出口集箱两侧管及中间管附近布置测点，进行温度、流量、压力测量；通过测点能反映出受热面不同位置吸热能力、流量分配的不同，将测量值进行插值计算、加权处理，作为受热面不同位置吸热、流量不均系数；

2)输入结构参数划分回路区段：

将管组的各种结构数据输入计算软件，包括管组管子数量、管长、倾角、内径、材料、集箱结构；

用锅炉上原有的温度、流量、压力测点或加装少量炉外壁温测点，每隔一定时间由计算软件采集这些数据及必要的锅炉运行参数；

按结构尺寸和吸热相差不多的原则，将水冷壁划分为若干个计算回路，在高度方向划分若干个区段，用回路中的一根管的水动力特性代表所在回路的水动力特性，沿高度各个区段的压降之和即为总压降，水冷壁系统构成复杂的串并联回路系统，其中每一面墙的每一辐射区由若干回路构成并联系统，自下而上各个辐射区构成串联系统；四面墙组成一个大的并联系统，下公共点可认为是水冷壁入口集箱，而上公共点是顶棚出口集箱；

3)在线计算管段蒸汽流量、出口焓值、压力，进行水动力不稳定性评定：

通过逐步计算，获得包括节流元件、局部阻力元件、水冷壁各回路不同流量下的压降，这样获得回路分散点的数据，采用四次方切比雪夫多项式拟合，在以获得的压降-流量数据基础上，得到回路的水动力曲线方程；在串联系统中，根据工质“流量相等，压降叠加”的特性，在并联系统中，根据“压降相等，流量叠加”的特性获得串、并联回路的压降-流量或流量-压降数据，据此通过切比雪夫多项式拟合获得串并联系统的水动力曲线方程；

4)在线计算水冷壁壁温，进行壁温评定：

膜式水冷壁向火正面外壁温最高，受热管内汽液两相工质在管内流动时发生传热恶化时，其换热系数大幅下降，可能导致管壁超温；用临界热负荷q_cr或临界干度x_cr来判别是否出现传热恶化；

5)蠕变、疲劳损伤在线寿命评定：

A.受热面应力在线监测：

应力在线监测只需监测实时压力，并通过下式计算求得：

σ＝K_PPD/2S_S

式中，P为工作压力，MPa；D为管子原始中径，mm；S_s为管子实际壁厚，mm；K_p为综合减弱系数和应力集中系数；

实际运行中，由于腐蚀和磨损，不可避免地存在管子壁厚减薄的现象，为此：

S_s＝S_b-S_w-S_n-S_m

式中，S_b为原始壁厚，mm；S_w为外壁腐蚀减薄厚度，mm；S_n为内壁腐蚀减薄厚度，mm；S_m为飞灰磨损减薄厚度，mm；在线监测系统中，S_w、S_n、S_m采用水管锅炉强度计算标准推荐的最大值，并根据锅炉检验实测壁厚定期校核修正；

B.蠕变寿命损伤的评定：

在一定温度条件下，应力σ与蠕变破坏时间τ存在如下关系：

τ＝Aσ^-B

式中，A、B为与钢种及温度有关的常数，通过恒温条件下，采用较高的应力进行短期的试验获得；

采用蠕变计算公式，对于某应力，绝对温度T、蠕变破坏时间τ和应力有如下关系：

T(C+1gτ)＝a₀+a₁1gσ+a₂1g²σ+a₃1g³σ

对于给定材料，可根据其实测对应不同温度和时间的材料持久强度数据求出系数a₀、a₁、a₂、a₃和常数C；

在线监测中，通过实时计算管壁温度和应力，可得到寿命损耗率；对于蠕变损伤，满足线性累加原则，即可将寿命损耗率累加，得到总的寿命损耗；

C.疲劳损伤的在线寿命评定：

对部件进行疲劳寿命评价时，首先统计出部件承受的各种循环应力的幅值，再根据S-N曲线找出对应的断裂周次，由下式即得到部件的累积损伤程度：

$\mathrm{\Φ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}\≤1$

式中：n_i为各种循环应力的循环次数；N_i为相应循环应力的允许循环次数，当Φ＝1时，即认为发生了疲劳破坏；

6)在线显示、记录数据：

计算机记录计算数据，并存入在线监测数据库。

Images