CN109253870B - 生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法 - Google Patents

生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法，本装置由管道测厚仪、温度传感器、云服务平台、可视交互平台组成，管道测厚仪和温度传感器与云服务平台连接；云服务平台具有数据计算、比对和存储的功能，并将计算结果传送到可视交互平台；可视交互平台提供曲线、三维成型、打印、寿命期限预警服务。本方法通过本装置确定热交换管种类，云服务平台分别对过热器管、省煤器管或水冷壁管的剩余寿命进行计算，可视交互平台输出热交换管剩余寿命的计算结果，并发出剩余寿命预警信号，提供剩余寿命控制措施及生物质燃料锅炉热交换管检修作业计划。本装置及方法实现热交换管寿命的定量评估和定期监控，确保锅炉安全可靠运行。

Description

生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法
技术领域
本发明涉及一种生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法。
背景技术
一般锅炉热交换管主要包括水冷壁管、省煤器管、过热器管、再热器管四种类型；生物质燃料发电机组的特点是锅炉炉型小、炉内无再热管、炉内受热面在运行过程中受碱金属腐蚀情况严重。与传统燃煤锅炉热交换管过热、蠕变、腐蚀和疲劳导致的失效形式不同，生物质燃料锅炉热交换管的失效主要是过热与腐蚀共同作用的结果。
在生物质燃料锅炉中，通过入炉燃料的元素分析不能确定燃料在燃烧过程中碱金属元素的释放量，进而无法评估其对生物质燃料锅炉热交换管寿命的影响以及热交换管受腐蚀的情况，并且生物质燃料锅炉运行中更是无法监测热交换管的腐蚀情况。随着运行时长的增加，当锅炉热交换管的管壁厚度达到临界尺寸时，就有可能发生爆管，导致锅炉运行发生事故。现有生物质燃料锅炉热交换管寿命评估大多仅仅依靠运行经验进行估计，并没有合适的装置和方法供生物质燃料锅炉热交换管进行寿命评估。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法，本装置及方法克服传统热交换管寿命评估的缺陷，实现热交换管寿命的定量评估和定期监控，当热交换管达到寿命极限时及时预警，确保锅炉安全可靠运行。
为解决上述技术问题，本发明生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置包括管道测厚仪、温度传感器、云服务平台和可视交互平台，所述管道测厚仪和温度传感器分别检测热交换管壁厚和被测壁厚处的烟气温度，并且检测数据经有线网络或无线网络传输至所述云服务平台，所述云服务平台内置锅炉运行期间炉内烟气温度分布数据，所述云服务平台与可视交互平台通讯连接，所述可视交互平台根据需求提供曲线、三维成型、打印、寿命期限预警服务。
一种基于上述评估装置的生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估方法包括如下步骤：
步骤一、在锅炉停炉检修期间，采用管道测厚仪检测锅炉热交换管壁厚尺寸并传输至云服务平台；
步骤二、由温度传感器检测锅炉运行时被测热交换管壁厚处的烟气温度并传输至云服务平台，云服务平台调用锅炉运行期间炉内烟气温度分布数据并依据被测热交换管壁厚处的烟气温度判断该被测热交换管是过热器管、省煤器管或水冷壁管；
步骤三、如判断为过热器管，考虑壁厚减薄和高温蠕变共同作用的情况下，按式(1)计算过热器管的剩余寿命，
式(1)中，t过为壁厚减薄和高温蠕变共同作用下的剩余寿命，K为管壁厚度减薄率，n为应力敏感性，tr为蠕变断裂寿命，
其中：管壁厚度减薄率K按式(2)计算，
式(2)中，δ为管壁初始厚度，δf为管壁最终厚度，τop为管子运行时间；
步骤四、如判断为省煤器管，按式(3)计算省煤器管的剩余寿命，
式(3)中，t省为省煤器管剩余寿命，D为管子原始外径，σy为钢材蠕变温度下的最低强度，p为管内工作压力，δ2为当前测得的管壁厚度，K为管壁厚度减薄率，
其中：K＝(δ1-δ2)/H (4)
式(4)中，δ1为前次测得的管壁厚度，H为前次与当前管壁测厚之间的时间；
步骤五、如判断为水冷壁管，在评估水冷壁管的剩余寿命时，如果其管壁金属温度未超过材料的蠕变温度，则按常温强度校核理论进行剩余寿命的计算，具体计算方法同省煤器管剩余寿命一致，按壁厚减薄率进行评估预测；如果其管壁金属温度超过材料的蠕变温度，则需考虑高温蠕变对寿命的影响，计算方法与过热器管剩余寿命计算一致；
步骤六、可视交互平台以曲线和/或三维造型输出热交换管剩余寿命的计算结果，并发出剩余寿命预警信号，提供剩余寿命控制措施及生物质燃料锅炉热交换管检修作业计划。
进一步，按评估计算的生物质燃料锅炉热交换管的剩余寿命，若剩余寿命 <3年，则在一年内计划大修，并根据测厚结果进行修补或更换；若6年≤剩余寿命<9年，则在一年后但在三年内计划大修，并根据测厚结果进行修补或更换；若剩余寿命≥9年，则在下一次计划检修中予以详细的测厚检查。
进一步，上述步骤二中被测热交换管壁厚处的烟气温度为540～750℃时判断为过热器管 、295～540℃时判断为省煤器管、750-850℃时判断为水冷壁管。
由于本发明生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置及方法采用了上述技术方案，即本装置由管道测厚仪、温度传感器、云服务平台、可视交互平台组成。管道测厚仪和温度传感器以无线或有线的形式与云服务平台连接；云服务平台具有数据计算、比对和存储的功能，并将计算结果传送到可视交互平台；可视交互平台提供曲线、三维成型、打印、寿命期限预警服务。本方法通过本装置确定热交换管种类，云服务平台分别对过热器管、省煤器管或水冷壁管的剩余寿命进行计算，可视交互平台输出热交换管剩余寿命的计算结果，并发出剩余寿命预警信号，提供剩余寿命控制措施及生物质燃料锅炉热交换管检修作业计划。本装置及方法克服传统热交换管寿命评估的缺陷，实现热交换管寿命的定量评估和定期监控，当热交换管达到寿命极限时及时预警，确保锅炉安全可靠运行。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置的原理框图；
图2为本方法的流程框图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置包括管道测厚仪1、温度传感器2、云服务平台3和可视交互平台4，所述管道测厚仪1和温度传感器2分别检测热交换管壁厚和被测壁厚处的烟气温度，并且检测数据经有线网络或无线网络传输至所述云服务平台3，所述云服务平台3内置锅炉运行期间炉内烟气温度分布数据，所述云服务平台3与可视交互平台4 通讯连接，所述可视交互平台4根据需求提供曲线、三维成型、打印、寿命期限预警服务。
一种基于上述评估装置的生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估方法包括如下步骤：
步骤一、在锅炉停炉检修期间，采用管道测厚仪检测锅炉热交换管壁厚尺寸并传输至云服务平台；
步骤二、由温度传感器检测锅炉运行时被测热交换管壁厚处的烟气温度并传输至云服务平台，云服务平台调用锅炉运行期间炉内烟气温度分布数据并依据被测热交换管壁厚处的烟气温度判断该被测热交换管是过热器管、省煤器管或水冷壁管；
步骤三、如判断为过热器管，考虑壁厚减薄和高温蠕变共同作用的情况下，按式(1)计算过热器管的剩余寿命，
式(1)中，t过为壁厚减薄和高温蠕变共同作用下的剩余寿命，K为管壁厚度减薄率，n为应力敏感性，tr为蠕变断裂寿命，
其中：管壁厚度减薄率K按式(2)计算，
式(2)中，δ为管壁初始厚度，δf为管壁最终厚度，τop为管子运行时间，
上述计算基于应力解析法中的Larson-Miller参数法，其具体数学模型为：
LMP＝T(C+lgtr)＝C0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ
上式为推导估算材料高温持久强度的数学解析式，上式中，LMP为材料强度，C为材料老化因子，T为金属当量温度，σ为管子内壁周向应力，
其中：
式两式中，p为管内工作压力，D内为管子内径，a和b分别为材料常数，x 为管子内壁氧化皮厚度，t为过热器已运行时间；
步骤四、如判断为省煤器管，按式(3)计算省煤器管的剩余寿命，
式(3)中，t省为省煤器管剩余寿命，D为管子原始外径，σy为钢材蠕变温度下的最低强度，p为管内工作压力，δ2为当前测得的管壁厚度，K为管壁厚度减薄率，
其中：K＝(δ1-δ2)/H (4)
式(4)中，δ1为前次测得的管壁厚度，H为前次与当前管壁测厚之间的时间；
步骤五、如判断为水冷壁管，在评估水冷壁管的剩余寿命时，如果其管壁金属温度未超过材料的蠕变温度，则按常温强度校核理论进行剩余寿命的计算，具体计算方法同省煤器管剩余寿命一致，按壁厚减薄率进行评估预测；如果其管壁金属温度超过材料的蠕变温度，则需考虑高温蠕变对寿命的影响，计算方法与过热器管剩余寿命计算一致；
步骤六、可视交互平台以曲线和/或三维造型输出热交换管剩余寿命的计算结果，并发出剩余寿命预警信号，提供剩余寿命控制措施及生物质燃料锅炉热交换管检修作业计划。
优选的，按评估计算的生物质燃料锅炉热交换管的剩余寿命，若剩余寿命 <3年，则在一年内计划大修，并根据测厚结果进行修补或更换；若6年≤剩余寿命<9年，则在一年后但在三年内计划大修，并根据测厚结果进行修补或更换；若剩余寿命≥9年，则在下一次计划检修中予以详细的测厚检查。生物质燃料锅炉热交换管的大修按《发电企业设备检修导则》的大修周期和大修项目进行，其主要包括检查管子磨损、腐蚀、弯曲、变形、裂纹、疲劳、胀粗、过热、鼓包、蠕变等情况，并测厚、更换缺陷热交换管。
优选的，上述步骤二中被测热交换管壁厚处的烟气温度为540～750℃时判断为过热器管 、295～540℃时判断为省煤器管、750-850℃时判断为水冷壁管。
本装置和方法实现了生物质燃料锅炉热交换管剩余寿命的定期评估监控、在线计算存档、寿命期限预警。如果接到评估装置预警，锅炉热交换管的剩余寿命偏短时，通过及时安排计划检修来合理使用锅炉热交换管的剩余寿命，达到了定期监控锅炉热交换管剩余寿命的技术效果，从而减少生物质燃料锅炉的非计划停炉时间，确保锅炉安全可靠运行。
例如对于某型号130t/h的生物质燃料锅炉，在该锅炉停炉检修期间，采用本装置和方法对锅炉热交换管的寿命进行评估计算。
首先在锅炉停炉检修期间，采用管道测厚仪测量锅炉热交换管壁厚，得到壁厚＝5.5mm；
输入测厚位置的烟气温度420℃，云服务平台调用锅炉运行期间炉内烟气温度的分布，判断该热交换管是省煤器管，则对该省煤器管剩余寿命进行计算；
该省煤器管上次停炉测得管壁厚度为5.7mm，距离本次停炉时间为7300h，本次停炉测得省煤器管管壁厚度为5.5mm，那么管壁减薄率为：
K＝(δ1-δ2)/H＝(5.7-5.5)/7300＝36500
省煤器管管壁的原始厚度为6mm，原始外径为60mm，管道工作压力为 9.8MPa，管壁材质为20G，钢材蠕变温度下的最低强度取240MPa，那么该省煤器管的剩余寿命可按下式进行：
该省煤器管的剩余寿命约为18.7年＞9年，那么在下一次计划检修中，应予以详细的测厚检查，并按照《发电企业设备检修导则》安排锅炉的计划大修周期和计划大修项目。同时由可视交互平台以曲线、三维造型或其他可视化手段输出该省煤器管剩余寿命的计算结果，发出剩余寿命预警信号，提供剩余寿命控制措施，指导生物质燃料锅炉热交换管的检修作业。

Claims (3)

1.一种生物质燃料锅炉热交换管寿命的评估装置的评估方法，其特征在于：所述评估装置包括管道测厚仪、温度传感器、云服务平台和可视交互平台，所述管道测厚仪和温度传感器分别检测热交换管壁厚和被测壁厚处的烟气温度，并且检测数据经有线网络或无线网络传输至所述云服务平台，所述云服务平台内置锅炉运行期间炉内烟气温度分布数据，所述云服务平台与可视交互平台通讯连接，所述可视交互平台根据需求提供曲线、三维成型、打印、寿命期限预警服务；所述评估方法包括如下步骤：
步骤一、在锅炉停炉检修期间，采用管道测厚仪检测锅炉热交换管壁厚尺寸并传输至云服务平台；
步骤二、由温度传感器检测锅炉运行时被测热交换管壁厚处的烟气温度并传输至云服务平台，云服务平台调用锅炉运行期间炉内烟气温度分布数据并依据被测热交换管壁厚处的烟气温度判断该被测热交换管是过热器管、省煤器管或水冷壁管；
步骤三、如判断为过热器管，考虑壁厚减薄和高温蠕变共同作用的情况下，按式(1)计算过热器管的剩余寿命，
式(1)中，t过为壁厚减薄和高温蠕变共同作用下的剩余寿命，K为管壁厚度减薄率，n为应力敏感性，tr为蠕变断裂寿命，
其中：管壁厚度减薄率K按式(2)计算，
式(2)中，δ为管壁初始厚度，δf为管壁最终厚度，τop为管子运行时间；
步骤四、如判断为省煤器管，按式(3)计算省煤器管的剩余寿命，
式(3)中，t省为省煤器管剩余寿命，D为管子原始外径，σy为钢材蠕变温度下的最低强度，p为管内工作压力，δ2为当前测得的管壁厚度，K为管壁厚度减薄率，
其中：
式(4)中，δ1为前次测得的管壁厚度，H为前次与当前管壁测厚之间的时间；
步骤五、如判断为水冷壁管，在评估水冷壁管的剩余寿命时，如果其管壁金属温度未超过材料的蠕变温度，则按常温强度校核理论进行剩余寿命的计算，具体计算方法同省煤器管剩余寿命一致，按壁厚减薄率进行评估预测；如果其管壁金属温度超过材料的蠕变温度，则需考虑高温蠕变对寿命的影响，计算方法与过热器管剩余寿命计算一致；
步骤六、可视交互平台以曲线和/或三维造型输出热交换管剩余寿命的计算结果，并发出剩余寿命预警信号，提供剩余寿命控制措施及生物质燃料锅炉热交换管检修作业计划。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：按评估计算的生物质燃料锅炉热交换管的剩余寿命，若剩余寿命<3年，则在一年内计划大修，并根据测厚结果进行修补或更换；若6年≤剩余寿命<9年，则在一年后但在三年内计划大修，并根据测厚结果进行修补或更换；若剩余寿命≥9年，则在下一次计划检修中予以详细的测厚检查。
3.根据权利要求1或2所述的评估方法，其特征在于：步骤二中被测热交换管壁厚处的烟气温度为540～750℃时判断为过热器管、295～540℃时判断为省煤器管、750-850℃时判断为水冷壁管。
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