CN104154522A - 锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明为满足爆管抢修工作的需要，提供一种锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法。即通过采集热管进、出口集箱的蒸汽压力、温度以及受热管出口温度测点处数据变化，将受热管离散化为n个管段，然后根据前一管段入口蒸汽压力、焓计算后一管段的入口蒸汽压力、焓，并以此推算得到受热管其它管段上的参数；然后将受热管泄漏分为三个阶段：未泄漏阶段、爆口未充分发展和爆口充分发展阶段；针对第二阶段进行评估，即根据进口集箱和出口集箱的蒸汽参数，进行对不同爆口面积的受热管评估和根据受热管出口温度测点的测量数据评估爆口大小；最后，根据进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度，以及泄漏面积的情况下，给出危险的爆口面积范围完成各管段的评估。

Description

锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法

技术领域

本发明属于电厂热能动力工程领域，涉及到一种锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法，特别适用于锅炉再热器受热管，该方法根据运行参数评估受热管爆口以外管段的超温幅度、时间和位置，以及爆口的发展过程。

背景技术

再热器是电厂锅炉的主要受热面之一，由于管材缺陷、异物堵塞、蒸汽和烟气参数分布偏差、吹灰不当以及管内积盐等原因，电厂锅炉再热器的爆漏事故时有发生，这类事故发生后，发电机组不得不停下来消缺，使可利用率降低。再热器受热管一旦发生爆漏即无法逆转，开始时爆口很小，泄漏量不大，随着爆口的发展，泄漏流量逐渐增大，由于再热汽压力较高，气流冲击力大，发生爆漏的受热管会对周围的受热管造成损害，使附近受热管的管壁减薄，引起二次泄漏，爆管事故分析表明，大多数发生泄漏的受热管是被邻近爆漏管吹损所致；在现有的监测水平下，在一次再热器泄漏事故中，包括原始泄漏管及吹损管在内，总计需要更换的受热管大多在10～15根左右，这些受热管受到的损伤情况各异，有的受热管局部爆开或减薄，有的受热管发生明显过热，由于每根受热管长度达到几十米，检修时，需要对爆口以外的管段进行检查和测厚，以确定更换的范围。

受热管爆漏之后，对于现场来说，最重要的是确认和更换已经损伤的受热管，使机组尽快投入运行，因此，受热管爆漏发生后，在技术人员寻找和确认需要更换的受热管的过程中，较为关注如下问题：受热管爆漏过程中，哪些管段在爆管过程中容易超温？爆漏受热管的下游管段的超温幅度如何？爆口是怎样发展的？随着爆口的发展，管段内蒸汽温度分布在爆漏过程中如何变化？由于对这些问题缺乏了解，目前的爆管抢修工作有很大盲目性，爆管抢修时，将局部管段更换成新管段，点火运行后，经常在其它部位反复爆开，这是最困扰抢修工作的事，发生这种状况的主要原因是，一是吹扫减薄管的检查不彻底，二是泄漏管爆口下游管段过热检查不彻底。

抢修工作的核心是确定哪些管段需要更换，因此，评估受热管在事故中的运行状态，尤其是评估爆漏过程中管内蒸汽流量和温度变化以及超温幅度是一件重要的工作，它能够帮助检修人员寻找和确定需要更换的管段，给爆管抢修工作提供指导性方向，但目前现有的文献和专利中，还未见有涉及这方面的问题。

发明内容

为满足爆管抢修工作的需要，本发明提供一种锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法，即通过采集受热管进、出口集箱的蒸汽压力、温度以及受热管出口温度测点处数据变化，将受热管离散化为n个管段，其中弯头、联箱进、出口直接作为管段处理，然后根据前一管段入口蒸汽压力、焓计算后一管段的入口蒸汽压力、焓，并以此推算得到受热管其它管段上的参数；

然后将受热管泄漏分为三个阶段：未泄漏阶段、爆口未充分发展和爆口充分发展阶段；

针对第二阶段进行评估，此时有两种情况，即第一种根据进口集箱蒸汽压力、温度以及出口集箱的蒸汽压力，对不同爆口面积的受热管评估以及第二种根据受热管出口温度测点的测量数据评估爆口大小；

当爆口面积过大，泄漏进入第三阶段，此时无法采用第二阶段的方法对不同爆口面积的受热管进行评估，第三阶段是根据进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度，进行不同泄漏面积下受热管运行状态的评估，并结合第二阶段对不同爆口面积的受热管的评估结果，给出危险的爆口面积范围，爆口面积在此范围内的受热管容易发生过热，易过热的管段位于受热管出口或进入爆口之前的管段。

所述进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度已知，在这种条件下，对于受热管泄漏的第二阶段，对不同爆口面积的受热管，评估的步骤为：

①假设受热管入口蒸汽流量m₁，采用递推法依次计算下游管段的蒸汽参数；

②根据爆口面积为已知，计算爆口的泄漏量；

③计算爆口后管段内的蒸汽流量，按递推法得到爆口后管段的蒸汽参数；

④最后一个管段出口压力为p′_ou，计算该压力与出口集箱压力p_ou差值e＝|p′_ou-p_ou|，若e小于给定的微小量，则进入步骤⑤，否则，返回步骤①，对流量m₁进行修正，从步骤①开始重新计算；

⑤e小于给定微小量后，得到的各管段蒸汽流量、压力和温度作为最终结果，计算结束；

得到的蒸汽流量、压力和温度作为评估不同爆口的受热管上不同部位的管段超温状态的依据。

所述根据受热管出口温度测点的测量数据，评估爆口大小的步骤为：

①假设爆口面积值A_c；

②假设受热管入口蒸汽流量m₁，按递推法得到爆口后管段的蒸汽参数；

③计算爆口的泄漏量；

③计算爆口后管段内的蒸汽流量，按递推法得到爆口后管段的蒸汽参数；

④最后一个管段出口压力为p′_ou，计算该压力与出口集箱压力p_ou差值e₁＝|p′_ou-p_ou|，若e₁小于给定的微小量，则进入步骤⑥，否则，回到步骤②，对流量m₁进行修正，从步骤②开始重新进行计算；

⑤受热管出口温度测点5所在管段处的蒸汽温度为t′_bw，计算该温度与受热管出口温度测点5的测量值t_bw差值e₂＝|t′_bw-t_bw|，若e₂小于给定的微小量，则进入步骤⑦，否则，回到步骤①，对爆口面积值A_c进行修正，从步骤①开始重新进行计算；

⑥e₁和e₂都小于给定微小量后，得到的爆口面积以及各管段蒸汽流量、压力和温度作为最终结果，计算结束；

因此，根据受热管出口温度测点的历史曲线，得到不同时刻的爆口面积，以及在该过程中，管段蒸汽流量、压力和温度的的变化，进而评估管段的超温时间、幅度以及爆口的发展过程。

对于受热管泄漏的第三阶段，已知的参数是进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度，以及泄漏面积的情况下，评估的步骤为：

①假设从出口集箱流入受热管的蒸汽流量m₂；

②假设从进口集箱流入受热管的蒸汽流量m₁；

③分别从受热管两端开始，向爆口处采用递推法计算各管段上的蒸汽参数；

④从两端得到爆口处的压力分别为p_b和p′_b，计算差值e₁＝|p′_b-p_b|，若e₁小于给定的微小量，则进入步骤⑤，否则，回到步骤②，对流量m₁进行修正，从步骤②开始重新进行计算；

⑤采用给定的爆口面积和爆口处的蒸汽参数计算爆口泄漏流量m_xl；

⑥计算差值e₂＝|m₁+m₂-m_xl|，若e₂小于给定的微小量，则进入步骤⑦，否则，回到步骤①，对流量m₂进行修正，从步骤①开始重新进行计算；

⑦e₁和e₂都小于给定微小量后，得到的各管段蒸汽流量、压力和温度作为最终结果，计算结束；

得到的蒸汽流量、压力和温度作为评估不同爆口的受热管上不同部位的管段超温状态的依据。

本发明通过采集受热管爆漏期间的进出口集箱蒸汽压力、温度等数据，根据采集的数据及受热管出口温度测点的数据变化，推算该受热管爆口的发展过程，以及受热管不同管段上蒸汽流量和温度的分布随爆口面积的变化，评估局部管段的超温幅度和时间等。

当已知受热管3上管段2内的蒸汽流量m时，利用下式计算管中蒸汽流速：

$u=\frac{m}{\mathrm{\ρA}}---\left(1\right)$

式中ρ、u、A、m分比为管内密度、流速、横截面积和管内质量流量。

在段2上的压降Δp按下式计算：

$\mathrm{\Δp}=(-\mathrm{\ρ}g\sin \mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\λ}}{d}\frac{{\mathrm{\ρu}}^2}{2})\mathrm{\Δz}---\left(2\right)$

在受热管段上的蒸汽焓增Δh分别按下式计算：

式中d为管子内径，m；D为管子外径，m；k_c为传热系数，W/(m².℃)；为烟气平均温度，℃；t为管内蒸汽温度，℃；g为重力加速度，m²/s；θ为受热管与水平方向的倾角，对于垂直管，当从下往上流动时θ＝90°，当从上往下流动时θ＝-90°；λ是沿程摩擦阻力系数；Δz为管段长度，m。

当蒸汽在管内流过弯头或联箱进出口时，局部阻力为：

$\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{jb}}=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\ρu}}^2}{2}---\left(4\right)$

式中Δp_jb为局部阻力引起的压降，Pa；ζ为局部阻力系数。

爆口4泄漏流量m_xl按下式计算：

m_xl＝ρ_cru_cA_c         (5)

$u_c=\sqrt{2(h_0-h_{\mathrm{cr}})}---\left(6\right)$

式中ρ_cr为蒸汽的临界密度，kg/m³；h_cr为蒸汽的临界焓，kJ/kg；u_c为爆口气流速度，m/s；A_c为爆口面积，m²；h₀为爆口处管内蒸汽的滞止焓，kJ/kg。

进口集箱1的压力p_in和温度t_in作为受热管入口参数，将受热管离散化成n个管段，第一个管段入口蒸汽的压力p₁、温度t₁、焓h₁、密度ρ₁等都为已知参数，在已知受热管入口流量m₁的情况下，第一个管段入口速度u₁按式(1)计算，压降Δp₁根据式(2)计算，焓增Δh₁按照式(3)计算，因此根据该管段入口压力p₁和焓h₁，可计算第二管段入口的压力p₂和焓h₂，依次递推，可得到受热管其它管段上的参数。

受热管的泄漏过程分为三个阶段，如图2a，发生泄漏之前，是正常运行的受热管，从进口集箱流入受热管的蒸汽等于从受热管流到出口集箱的蒸汽，即图2a中m₁＝m₂。

在第二阶段，发生了爆口泄漏，但爆口还未得到充分发展，如图2b。由于该阶段爆口泄漏面积小，泄漏流量低，管内仍能维持正常的蒸汽流动，即蒸汽从进口集箱流向出口集箱，只是在爆口处发生了蒸汽泄漏；这个阶段，流入受热管的蒸汽m₁分成两部分，一部分流到出口集箱，另一部分通过爆口漏入烟道，这两部分分别记为m₂、m_xl,，则m₁＝m₂+m_xl。

随着爆口的发展，泄漏流量增大，受热管入口的蒸汽流量m₁也增加，图2b中，左侧管段上的压降增加，若进口集箱内压力不变，爆口处管内压力降低，当爆口处管内压力不能维持气流继续流向出口时，将会发生蒸汽从出口集箱倒流至爆口的情形；这就进入了第三阶段，如图2c。在第三阶段，如图2c中，爆口已充分发展，蒸汽从进、出口集箱同时向爆口流动，从爆口漏入烟道，这时，从进、出口集箱流入受热管的蒸汽流量之和，等于泄漏流量，即m_xl＝m₁₊m₂。

本发明具有如下优点：

(1)能够根据受热管爆漏期间的运行参数，评估整根受热管在爆管期间的运行状态，包括蒸汽冷却流量、超温幅度和位置。

(2)可以识别爆口的危险性，在一定面积范围内的爆口对爆口区域以外的其它管段有严重危害，会引起这些管段的大幅度超温。

(3)该发明能够给爆管抢修工作提供指导，帮助检修人员快速确定需要更换的管段。

电厂锅炉过热器集箱和受热管的布置与再热器基本相同，仅在蒸汽压力和温度参数上有所不同，因此，该发明所述的评估方法也适用于电厂锅炉过热器系统。

附图说明

图1为单根泄漏受热管示意图。

图2a为受热管泄漏第一阶段示意图。

图2b为受热管泄漏第二阶段示意图。

图2c为受热管泄漏第三阶段示意图。

图3为具体实施例中一根爆漏受热管的尺寸图。

图4为具体实施例中一根爆漏受热管的分段图。

图5为具体实施例中的爆漏管出口壁温测量曲线及与相邻的非泄漏管的对比图。

图6为具体实施例中的爆漏管，当爆口面积为190mm²时，管内流量及蒸汽温度分布。

图7为具体实施例中的爆漏管，当爆口面积为240mm²时，管内流量及蒸汽温度分布。

图8为具体实施例中的得到的爆漏管裂纹的泄漏面积随时间的变化图。

图9为具体实施例中未充分发展的爆口，管内流量和泄漏流量与爆口面积的关系。

图10为具体实施例中充分发展的爆口，管内流量和泄漏流量与爆口面积的关系。

其中，1是进口集箱，2是管段，3是受热管，4是爆口，5是温度测点，6是出口集箱。

具体实施方式

实施例中的受热管来自某300MW锅炉的屏式再热器，该再热器横向布置30排，每排14根管并联，管外径为D＝63mm，内径d＝55mm，受热管的尺寸及泄漏点位置见附图3，该根受热管总长度为：2800+11809+700+1837+11000+3200＝31346mm，若认为在入口联箱受热管入口处坐标为z＝0，蒸汽在z＝0处产生局部压降后从进口联箱进入受热管，蒸汽在受热管内z＝2800mm～28146mm管段受到烟气加热，在z＝14609mm处发生泄漏；受热管在z＝15309mm和z＝17146mm处分别经过一个120°和60°的折转，在z＝28146mm处进入炉外开始不受热，在z＝30246mm处有壁温测点，在z＝31346mm处进入出口联箱，。

如附图4，受热管被分成79个管段，管段平均长度约为400mm，在受热管的进、出口以及弯头处产生局部压降，这些部位离散成独立的管段；见附图4中的区段1、40、45、79，其它区段仅需考虑沿程摩擦阻力系数λ。

受热管沿程阻力系数λ＝0.0201，受热管入口局部阻力系数ζ＝0.7(z＝0时)，出口ζ＝1.1(z＝31346时)，120°弯头ζ＝0.14(z＝15309时)，60°弯头ζ＝0.10(z＝17146时)；采集或计算得到的参数有：进口联箱压力p_in＝3.7030MPa，温度t_in＝376.9℃，出口联箱压力p_ou＝3.6674MPa，受热管传热系数k_c＝43.55(w/m².℃)，烟气平均温度

采集的爆漏管出口壁温测量数据见附图5。

根据受热管泄漏的第二阶段的评估程序，得到爆口面积为190mm²时，管内流量及蒸汽温度分布，见附图6。

采用受热管泄漏的第二阶段，根据受热管出口温度测点5的测量数据，评估爆口大小的程序，得到爆口裂纹面积随时间的变化见附图8。

利用受热管泄漏的第三阶段，已知的参数是进口集箱1和出口集箱6的蒸汽压力和温度，以及泄漏面积的情况下的评估程序，得到爆口面积为240mm²时，管内流量及蒸汽温度分布，见附图7。

受热管泄漏的第二阶段是爆口未充分发展阶段，受热管泄漏的第三阶段是爆口充分发展阶段，对于这两个阶段，可以设定不同爆口面积，根据上述评估程序得到不同爆口面积下的管内蒸汽流量和爆口泄漏流量，见附图9和附图10，附图9虚线右侧，当爆口面积大于160mm²时，下游管段蒸汽冷却流量m₂在1t/h以下，冷却流量较低，这部分管段会超温，从附图6可以看出，当爆口面积为190mm²时，出口蒸汽温度达到696.7℃，已大幅度超温。附图10虚线左侧，当爆口面积小于300mm²时，下游管段蒸汽冷却流量m₂在1t/h以下，冷却流量较低，这部分管段会超温，从附图7可以看出，当爆口面积为240mm²时，爆口右侧的蒸汽温度达到731.5℃，已大幅度超温；因此，对于该屏式再热器，爆口尺寸在160mm²到300mm²的爆口是危险爆口，该根泄漏管爆口以外区域容易大幅度超温，且当爆口处于第二阶段时，最高温度区域在出口集箱入口的管段上，当爆口处于第三阶段时，最高温度区域在爆口右侧管段上。

Claims (4)

1.一种锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法，其特征是，即通过采集受热管进、出口集箱的蒸汽压力、温度以及受热管出口温度测点处数据变化，将受热管离散化为n个管段，其中弯头、联箱进、出口直接作为管段处理，然后根据前一管段入口蒸汽压力、焓计算后一管段的入口蒸汽压力、焓，并以此推算得到受热管其它管段上的参数；

然后将受热管泄漏分为三个阶段：未泄漏阶段、爆口未充分发展和爆口充分发展阶段；

针对第二阶段进行评估，此时有两种情况，即根据进口集箱和出口集箱的蒸汽参数，进行对不同爆口面积的受热管评估和根据受热管出口温度测点的测量数据评估爆口大小；

当爆口面积过大，泄漏进入第三阶段，此时无法采用第二阶段的方法对不同爆口面积的受热管进行评估，第三阶段则根据进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度，进行不同泄漏面积下受热管运行状态的评估，给出危险的爆口面积范围，爆口面积在此范围内的受热管容易发生过热，易过热的管段位于受热管出口或进入爆口之前的管段。

2.如权利要求1所述的锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法，其特征是，所述进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度已知，在这种条件下，对于受热管泄漏的第二阶段，对不同爆口面积的受热管，评估的步骤为：

①假设受热管入口蒸汽流量m₁，采用递推法依次计算下游管段的蒸汽参数；

②根据爆口面积为已知，计算爆口的泄漏量；

③计算爆口后管段内的蒸汽流量，按递推法得到爆口后管段的蒸汽参数；

④最后一个管段出口压力为p′_ou，计算该压力与出口集箱压力p_ou差值e＝|p′_ou-p_ou|，若e小于给定的微小量，则进入步骤⑤，否则，返回步骤①，对流量m₁进行修正，从步骤①开始重新计算；

⑤e小于给定微小量后，得到的各管段蒸汽流量、压力和温度作为最终结果，计算结束；

得到的蒸汽流量、压力和温度作为评估不同爆口的受热管上不同部位的管段超温状态的依据。

3.如权利要求1所述的锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法，其特征是，所述根据受热管出口温度测点的测量数据，评估爆口大小的步骤为：

①假设爆口面积值A_c；

②假设受热管入口蒸汽流量m₁，按递推法得到爆口后管段的蒸汽参数；

③计算爆口的泄漏量；

④计算爆口后管段内的蒸汽流量，按递推法得到爆口后管段的蒸汽参数；

⑤最后一个管段出口压力为p′_ou，计算该压力与出口集箱压力p_ou差值e₁＝|p′_ou-p_ou|，若e₁小于给定的微小量，则进入步骤⑥，否则，回到步骤②，对流量m₁进行修正，从步骤②开始重新进行计算；

⑥受热管出口温度测点5所在管段处的蒸汽温度为t′_bw，计算该温度与受热管出口温度测点5的测量值t_bw差值e₂＝|t′_bw-t_bw|，若e₂小于给定的微小量，则进入步骤⑦，否则，回到步骤①，对爆口面积值A_c进行修正，从步骤①开始重新进行计算；

⑦e₁和e₂都小于给定微小量后，得到的爆口面积以及各管段蒸汽流量、压力和温度作为最终结果，计算结束；

因此，根据受热管出口温度测点的历史曲线，可得到不同时刻的爆口面积，以及在该过程中，管段蒸汽流量、压力和温度的的变化，进而评估管段的超温时间、幅度以及爆口的发展过程。

4.如权利要求3所述的锅炉受热管爆漏过程运行状态评估方法，其特征是，对于受热管泄漏的第三阶段，已知的参数是进口集箱和出口集箱的蒸汽压力和温度，以及泄漏面积的情况下，评估的步骤为：

①假设从出口集箱流入受热管的蒸汽流量m₂；

②假设从进口集箱流入受热管的蒸汽流量m₁；

③分别从受热管两端开始，向爆口处采用递推法计算各管段上的蒸汽参数；

④从两端得到爆口处的压力分别为p_b和p′_b，计算差值e₁＝|p′_b-p_b|，若e₁小于给定的微小量，则进入步骤⑤，否则，回到步骤②，对流量m₁进行修正，从步骤②开始重新进行计算；

⑤采用给定的爆口面积和爆口处的蒸汽参数计算爆口泄漏流量m_xl；

⑥计算差值e₂＝|m₁+m₂-m_xl|，若e₂小于给定的微小量，则进入步骤⑦，否则，回到步骤①，对流量m₂进行修正，从步骤①开始重新进行计算；

⑦e₁和e₂都小于给定微小量后，得到的各管段蒸汽流量、压力和温度作为最终结果，计算结束；

得到的蒸汽流量、压力和温度作为评估不同爆口的受热管上不同部位的管段超温状态的依据。