CN103678813A - 超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法 - Google Patents

Abstract

超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法：S1在测点上布置测量设备；S2采集多个测点、不同工况、不同时刻的压力、温度、流量海量数据；S3工况采集数据的前处理；S4运用COMSOL软件建立各数据采集点处管子的物理数学模型；S5将S3处理好的海量数据按照COMSOL软件要求以时间变量的参数整理输入至物理数学模型中，计算得到结果；S6计算数据的后处理；S7计算数据结果分析：导出文件输入至数据分析软件中，给出管子氧化皮在不同工况条件下各参数变化曲线；通过数据及其曲线图可进行后续分析或进一步的模拟分析所用。本发明中的评估方法一方面涉及了瞬态过程氧化皮中温度、应力分析；另一方面采用实测采集的FCB过程数据，使得评估方法更加真实有效。

Description

超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法

技术领域

本发明涉及一种超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法，尤其是涉及一种基于海量实测数据与多参数瞬态数值模拟技术耦合对氧化皮进行评估的方法。本发明适用于超超临界机组锅炉瞬态工况下高温受热面管子中温度、应力、应变的估计，研究管子中氧化皮的生长、破裂、剥落的过程。

背景技术

目前电厂超超临界机组中过热器、再热器等高温受热面的管子在受到两侧流体中水分子的作用下生成大量的氧化皮。达到一定的条件时，管子上的氧化皮越来越厚并破裂，最后剥落。这些剥落的氧化皮剥落后在管道某些部位堆积，致使管子的流体通道减小或堵塞、管子的温度不均匀，这会对机组运行安全有不可回避的影响。因此，对管子中氧化皮生长、破裂、剥落过程的研究可获得改善这一问题的方法。由于难以实现对管子中氧化皮关键部位实时监测，即是难以实测获得变工况下管子中各关键部位的温度、形变数据。现今多以氧化皮生成后的管道实物作为对象研究氧化皮生长过程中各种钢材氧化皮成分和剥落后氧化皮再生后的微观结构，或为一定稳态下工况条件下氧化皮生长、剥落的数值模拟研究。实际运行中氧化皮的生长和剥落是长期受到管子内外流体流量、压力、温度等参数综合的作用，它们的影响或在长时间中作用或者在急速变化时也起到了决定性的影响导致了氧化皮变厚、破裂、剥落。特别的，在电厂甩负荷运行或FCB过程中管子中影响氧化皮的因素随工况变化急速变化，此情况下更值得关注和研究。

目前已有关于超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的应力和温度评估方法，而未出现关于超超临界机组锅炉受热面管子氧化皮的评估方法；同时，现有的评估方法虽多涉及数值模拟方法，但均为稳态边界条件下的评估，未涉及瞬态过程，且其评估中未采用真实采集数据作为评估的边界条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法，本发明基于海量参数数据和多参数瞬态数值模拟技术，获取真实采集的管子及其氧化皮中的温度和应力相关参数随着工况变化而变化的数据来对氧化皮进行评估，丰富的工况数据可真实地还原工况，真实贴近管子内壁面上氧化皮的运行时环境条件了解其发展过程，使得评估与实际结果相当吻合。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法，其特征是：包括以下步骤：

S1在锅炉高温受热面管子的多个测点上布置测量设备及数据采集设备；

S2通过测量设备及数据采集设备或电厂SIS系统、MIS系统采集锅炉高温受热面管子多个测点、不同工况、不同时刻的压力、温度、流量海量数据并存储之；

S3工况采集数据的前处理：将采集到的海量数据在excel（office的办公软件）中分类处理成随时间变化的量，作为数值模拟备用文档；

S4模拟软件建立瞬态模型：运用COMSOL软件建立各数据采集点（采集数据来自SIS系统的测点数据）处管子的物理数学模型(首次采用COMSOL软件模拟，模型是自己处理的)，真实描述管子的内部结构特性以及运行环境的工况条件；

S5模拟结果中应力、温度等参数在不同位置处数据的导出：将S3处理好的海量数据按照模拟（COMSOL）软件要求以时间变量的参数整理输入至物理数学模型中，计算数值模拟得到结果；

S6计算数据的后处理：通过COMSOL软件后处理功能将关键点（前面没出现过哦图3中的4个点）的相关温度、压力、应力数据导出为文件；

S7计算数据结果分析：导出文件输入至数据分析软件（origin或excel）中，给出管子氧化皮在不同工况条件下各参数变化曲线；通过数据及其曲线图可进行后续分析或进一步的模拟分析所用。

所述的步骤S4具体为：

建立有限元模型，加载的工况参数采集于电厂锅炉在甩负荷过程或FCB过程的数据，整个过程为瞬态状态，基于过热器管子的几何结构对称和假设所承受热载荷的对称特性，选取管子的1/4截面，采用COMSOL软件建立管子截面的二维热分析数值模型；

简化和假设：（1）基体和氧化皮、各层氧化物界面结合良好，连续且各向同性，不计接触热阻，氧化皮没有出现大面积剥落现象；（2）氧化皮简化成Fe₃O₄和Fe-Cr尖晶石的双层结构，基体和氧化皮界面没有显著的显微变化；（3）高温受热面管子在蒸汽侧氧化过程中，符合能量守恒定律和质量守恒定量，管子的整体壁厚保持不变；（4）管子外侧没有出现烟气偏差，烟气流动场和温度场均匀；（5）不考虑管子基体、氧化皮疲劳和蠕变等因素；

模型边界条件：（1）过热器管子蒸汽侧温度、压力为采自电厂实测数据值；（2）管子烟气侧温度、速度、流量数据结合锅炉设计资料通过热力计算获得；（3）管子两壁面为对流换热，对流换热系数由相应计算公式用模拟软件计算而得；（4）管子初始温度为初始流体稳态温度场下的计算数值。

本发明的应用范围可涉及如下方面：

1、火力发电厂有亚临界参数机组、超临界参数机组、超超临界参数机组，火力发电厂均利用蒸汽驱动轮机发电，均存在氧化皮问题；

2、火力发电厂设备中的锅炉过热器、再热器及其他热交换器中均存在氧化皮；

3、非电厂设备中涉及高温流体热交换器的情况中存在管道化学反应生长出管道膜的情况；

4、除COMSOL这种商业软件其他类似商业软件，如Ansys、SolidWorks等亦可；

5、数值模拟的工况海量数据可来自真实情况的采集数据，可来自计算、可来自另一模拟导出数据。

有益效果：本发明可在瞬态过程模拟获得不同时间中的模拟结果，对参数快速变化、多个参数变化、参数长时间或超长时间变化的情况更能够反应真实情况，其中单点的海量数据、多点的海量数据、多点多参数的海量数据能够真实体现边界条件获得更准确的数据。

本发明中的评估方法一方面涉及了瞬态过程氧化皮中温度、应力分析；另一方面采用实测采集的FCB过程数据，使得评估方法更加真实有效。

附图说明

图1为数值模拟方法的实施过程及分析过程图；

图2为数值模拟模型示意图；

图3为数据采集点几何位置示意图；

图4为图3的局部放大示意图；

图5为锅炉过热器1级管的温度、流量、压力采集海量数据曲线图；

图6为模拟模型中管道四观测点处温度随时间的变化曲线图；

图7为模拟模型中管道四观测点处应力随时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的描述。

参见图1的数值模拟方法的实施过程及分析过程图和图2的数值模拟模型示意图。

本发明的超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法实施例，包括以下步骤：

S1在锅炉高温受热面管子的多个测点上布置测量设备及数据采集设备；

S2通过测量设备及数据采集设备或电厂SIS系统、MIS系统采集锅炉高温受热面管子多个测点、不同工况、不同时刻的压力、温度、流量海量数据并存储之，为后续模拟分析计算提供模拟的真实条件；

S3工况采集数据的前处理：将采集到的海量数据在excel（office办公软件）中分类处理成随时间变化的量,作为数值模拟备用文档；

S4模拟软件建立瞬态模型：运用COMSOL软件建立各数据采集点处管子的物理数学模型,真实描述管子的内部结构特性以及运行环境的工况条件；

具体为：

通过建立有限元模型对甩负荷或FCB过程中的锅炉过热器管的热交换和应力瞬态变化情况进行模拟计算，过程中的过热器管所加载的工况参数采集于电厂锅炉在甩负荷过程或FCB过程的数据，整个过程为瞬态状态。

计算对象

模拟计算对象以某电厂1000MW超超临界机组的1级过热器管子为例，模型结构如图2。该电厂1级过热器进口管的材料为T23，其中管子的氧化皮厚30μm，与管子基底钢材接触的10μm为氧化尖晶石结构，位于主体钢材料和氧化四铁之间，材料的物性参数见表1。基于过热器管子的几何结构对称和假设所承受热载荷的对称特性，选取管子的1/4截面，采用COMSOL软件建立管子截面的二维热分析数值模型。

有限元模型的建立

通过模拟对象及工况的分析在建立模型前需对模型进行合理化的假设条件。蒸汽侧氧化皮一般为双层结构，外层氧化物以Fe₃O₄为主，内层氧化物为Fe-Cr尖晶石。整体氧化皮主要成分是Fe₃O₄。结合管子属性和锅炉实际运行工况，对所建立的模型条件做合理的简化和假设：（1）基体和氧化皮、各层氧化物界面结合良好，连续且各向同性，不计接触热阻，氧化皮没有出现大面积剥落现象；（2）氧化皮简化成双层的Fe₃O₄和Fe-Cr尖晶石结构，基体和氧化皮界面没有显著的显微变化；（3）高温受热面管子在蒸汽侧氧化过程中，符合能量守恒定律和质量守恒定量，管子的整体壁厚保持不变；（4）管子外侧没有出现烟气偏差，烟气流动场和温度场均匀；（5）不考虑管子基体、氧化皮疲劳和蠕变等因素。

模型边界条件：（1）过热器管子蒸汽侧温度、压力为采自电厂实测数据值；（2）管子烟气侧温度、速度、流量等数据结合锅炉设计资料通过热力计算获得；（3）管子两壁面为对流换热，对流换热系数由相应计算公式在模拟软件计算而得；（4）管子初始温度为初始流体稳态温度场下的计算数值。

表1各级管子中材料的物性参数

S5模拟结果中应力、温度等参数在不同位置处数据的导出：将S3处理好的海量数据按照模拟（COMSOL）软件要求以时间变量的参数整理输入至物理数学模型中，计算数值模拟得到结果；

有限元模型的模拟结果

软件计算后导出数值结果在excel中进行初步处理后导入origin数据处理软件中进一步处理，图5为锅炉过热器1级管的温度、流量、压力采集海量数据曲线图；图6为1级过热器管道4个点处温度随时间变化的曲线；图7为模拟模型中管道四处应力随时间的变化曲线图。

S6计算数据的后处理：通过（COMSOL）软件后处理功能将关键点（图3和图4中4个点）的相关温度、压力、应力数据导出为文件；

图3中表示的是圆管截面，图4为图3的局部放大示意图，点1是管内蒸汽与内氧化皮接触面的观测点；点2是第一层与第二层氧化皮的相交面处的观测点；点3是第二层氧化皮与基体材料的相交面处的观测点；点4是基体材料外表面处的观测点。

S7计算数据结果分析：导出文件输入至数据分析软件中，给出管子氧化皮在不同工况条件下各参数变化曲线。

Claims (2)

1.一种超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法，其特征是：包括以下步骤：

S1在锅炉高温受热面管子的多个测点上布置测量设备及数据采集设备；

S2通过测量设备及数据采集设备或电厂SIS系统、MIS系统采集锅炉高温受热面管子多个测点、不同工况、不同时刻的压力、温度、流量海量数据并存储之；

S3工况采集数据的前处理：将采集到的海量数据在excel中分类处理成随时间变化的量，作为数值模拟备用文档；

S4模拟软件建立瞬态模型：运用COMSOL软件建立各数据采集点处管子的物理数学模型，采集数据来自SIS系统的测点数据，真实描述管子的内部结构特性以及运行环境的工况条件；

S5模拟结果中应力、温度等参数在不同位置处数据的导出：将S3处理好的海量数据按照COMSOL软件要求以时间变量的参数整理输入至物理数学模型中，计算数值模拟得到结果；

S6计算数据的后处理：通过COMSOL软件后处理功能将关键点的相关温度、压力、应力数据导出为文件；

S7计算数据结果分析：导出文件输入至origin或excel数据分析软件中，给出管子氧化皮在不同工况条件下各参数变化曲线；通过数据及其曲线图进行后续分析或进一步的模拟分析所用。

2.根据权利要求1所述的超超临界机组锅炉高温受热面管子氧化皮的评估方法，其特征是：所述的步骤S4具体为：

建立有限元模型，加载的工况参数采集于电厂锅炉在甩负荷过程或FCB过程的数据，整个过程为瞬态状态，基于过热器管子的几何结构对称和假设所承受热载荷的对称特性，选取管子的1/4截面，采用COMSOL软件建立管子截面的二维热分析数值模型；

简化和假设：（1）基体和氧化皮、各层氧化物界面结合良好，连续且各向同性，不计接触热阻，氧化皮没有出现大面积剥落现象；（2）氧化皮简化成Fe₃O₄和Fe-Cr尖晶石的双层结构，基体和氧化皮界面没有显著的显微变化；（3）高温受热面管子在蒸汽侧氧化过程中，符合能量守恒定律和质量守恒定量，管子的整体壁厚保持不变；（4）管子外侧没有出现烟气偏差，烟气流动场和温度场均匀；（5）不考虑管子基体、氧化皮疲劳和蠕变等因素；

模型边界条件：（1）过热器管子蒸汽侧温度、压力为采自电厂实测数据值；（2）管子烟气侧温度、速度、流量数据结合锅炉设计资料通过热力计算获得；（3）管子两壁面为对流换热，对流换热系数由相应计算公式用模拟软件计算而得；（4）管子初始温度为初始流体稳态温度场下的计算数值。

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