CN114169105A - 一种预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法 - Google Patents

一种预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用氧化皮厚度和运行负荷预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法。本发明基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用有限元模拟建立热传导模型，从而建立氧化皮厚度和工作载荷与管壁温度的预测方法，拟合蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布，并结合边界条件参数得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系，利用不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的桥梁，最终建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的数学解析式，从而达到预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度下过热器管外侧最高壁温温度，为评估负荷、氧化皮厚度对过热器管壁温度的影响提供指导。

Description

一种预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁 温度的方法
技术领域
本发明属于厚壁奥氏体耐热不锈钢管技术领域，尤其涉及一种预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法，具体涉及一种基于氧化皮厚度和负荷预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢管壁温度的方法。
背景技术
超临界电站锅炉事故分析中，管壁超温是引起过热器和再热器失效的重要原因，据不完全统计，过热器因过热导致的爆管事故比例高达60％～70％。电站锅炉运行过程中，过热器和再热器受热面的管壁长期处于高温高压的环境中，极易在管子内壁中形成高温氧化皮，一般氧化皮的导热系数仅为金属导热系数的1/20，但可导致管壁无法正常冷却，传热恶化，管壁出现超温的情况。而超温会进一步加剧氧化皮的产生，造成恶性循环。与此同时，达到一定厚度的氧化皮会发生剥落堵塞管道，在启停炉中，氧化皮的剥落，也易堵塞管道，严重时则会导致过热爆管事故，影响电站锅炉的安全运行。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于氧化皮厚度和负荷预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢管壁温度的方法，基于实际工况中氧化皮厚度对管壁温度的影响，通过有限元的计算及边界条件的合理假设，建立氧化皮厚度和工作载荷与管壁温度的预测方法，为评估负荷、氧化皮厚度对过热器管壁温度的影响提供指导。
本发明提供了一种基于氧化皮厚度和运行负荷预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法，包括如下步骤：
(1)基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用WorkbenchDesign Modeler建立热传导模型；
(2)由所述热传导模型建立蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布；
(3)由所述过热器管壁温度场分布结合边界条件参数，得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系：
T(x)＝41.43x+558.49；
式中T(x)为管壁外侧温度，℃；
x为氧化皮厚度，mm；
(4)通过不同边界条件参数，获得不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的关系：
60％负荷：T(x)＝23.07x+554.78；
70％负荷：T(x)＝29.15x+555.74；
100％负荷：T(x)＝41.43x+558.4；
(5)建立方程系数与负荷的关系式：
T(x,y)＝a(y)x+b(y)；
式中，y为负荷比例；
(6)拟合并获得：
a(y)＝0.45y-3.09；
b(y)＝0.09y+549.25；
(7)建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的矫正公式：
T(x,y)＝(0.45y-3.09)x+0.09y+549.25；
式中，x为氧化皮厚度，mm；
y为负荷比例。
优选的，所述T(x，y)解析式拥有自精确功能，可预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度对过热器管外侧最高壁温温度的影响。
本发明基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用有限元模拟建立热传导模型，从而建立氧化皮厚度和工作载荷与管壁温度的预测方法，拟合蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布，并结合边界条件参数得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系，利用不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的桥梁，最终建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的数学解析式，从而达到预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度下过热器管外侧最高壁温温度，为评估负荷、氧化皮厚度对过热器管壁温度的影响提供指导。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于氧化皮厚度和运行负荷预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法，包括如下步骤：
(1)基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用WorkbenchDesign Modeler建立热传导模型；
(2)由所述热传导模型建立蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布；
(3)由所述过热器管壁温度场分布结合边界条件参数，得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系：
T(x)＝41.43x+558.49；
式中T(x)为管壁外侧温度，℃；
x为氧化皮厚度，mm；
(4)通过不同边界条件参数，获得不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的关系：
60％负荷：T(x)＝23.07x+554.78；
70％负荷：T(x)＝29.15x+555.74；
100％负荷：T(x)＝41.43x+558.4；
(5)建立方程系数与负荷的关系式：
T(x,y)＝a(y)x+b(y)；
式中，y为负荷比例；
(6)拟合并获得：
a(y)＝0.45y-3.09；
b(y)＝0.09y+549.25；
(7)建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的矫正公式：
T(x,y)＝(0.45y-3.09)x+0.09y+549.25；
式中，x为氧化皮厚度，mm；
y为负荷比例。
在本发明中，电站锅炉中，高温过热器处于水平烟道空间，此处受热面主要是通过对流传热和热传导的形式完成冷、热流体的热交换，对于辐射传热的影响忽略不计。
在本发明中，所述边界条件参数优选包括：管内温度、管内对流系数、管外温度和管外对流系数。
在本发明中，假设材料为常物性、各向同性、无内部热源且稳态传热，本发明中的问题简化为存在第三类边界条件的圆筒壁一维稳态导热问题，即导热微分方程方程为：
Figure BDA0003394451850000041
内、外管壁的第三类边界条件表示为：
外壁对流：
Figure BDA0003394451850000042
管壁热传导：
Figure BDA0003394451850000043
内部对流：
Figure BDA0003394451850000044
稳态传热过程中，三者相等，
Figure BDA0003394451850000045
即
Figure BDA0003394451850000046
对多层圆筒壁传热过程的热流量，由下式计算得到：
Figure BDA0003394451850000047
式中，q——热流密度，W/m2；
λg——管壁的导热系数，W/(m·℃)；
h1——高温烟气侧对流系数，W/(m2·℃)；
h2——蒸汽侧对流系数，W/(m2·℃)；
Tf1——高温烟气温度，℃；
Tf2管内蒸汽温度，℃；
Tw1——外管壁温度，℃；
Tw2——内管壁温度，℃；
r1、r2——分别为外、内管壁半径，m；
d1、d2——分别为外、内管壁直径，m。
对于管内纵向对流传热系数的计算采用Petukhov关系式：
Figure BDA0003394451850000051
f＝(1.82lg Re-1.64)-2 (8)
式中，Nu——努塞尔数；
Re——雷诺系数；
Pr——普朗特数；
f——Darcy摩擦阻力系数，采用了Filonenko关系式计算；
λ——流体导热系数，W/(m·℃)；
d——管子当量直径，m；
w——流体流速m/s；
v——流体的运动粘度，m2/s；
μ——流体的动力粘度，Pa·s；
cp——流体定压比热容KJ/(Kg.℃)。
对于管外烟气的对流系数采用如下公式：
Figure BDA0003394451850000052
式中，Cs——管束几何布置方式的修正系数；
Cz——烟气行程方向上管子排数的修正系数。
对于管外烟气的传热系数，引入热有效系数：
hx＝ψh1 (10)
式中，hx——烟气流体传热系数，W/(m·℃)；
ψ——热有效系数，对于燃用烟煤、褐煤、烟煤的洗中煤时，ψ＝0.65，燃用无烟煤屑和贫煤时，ψ＝0.6。
在本发明中，所述T(x，y)解析式拥有自精确功能，可预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度对过热器管外侧最高壁温温度的影响。
本发明基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用有限元模拟建立热传导模型，从而建立氧化皮厚度和工作载荷与管壁温度的预测方法，拟合蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布，并结合边界条件参数得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系，利用不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的桥梁，最终建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的数学解析式，从而达到预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度下过热器管外侧最高壁温温度，为评估负荷、氧化皮厚度对过热器管壁温度的影响提供指导。
实施例
某电厂使用的耐热钢管材料为12Cr18Ni12Ti奥氏体不锈钢，电厂提供的不同负荷下蒸汽、耐热管管径、壁厚、压力、温度等参数如表1、表2所示，烟气的工作参数如表3所示。
表1高温过热器管物性参数
Figure BDA0003394451850000061
表2不同负荷下高温过热器管内蒸汽工作参数
Figure BDA0003394451850000062
Figure BDA0003394451850000071
表3高温过热器标准烟气工作参数
Figure BDA0003394451850000072
通过上述数据，综合式(7)～(10)且电厂采用的煤种为褐煤，得到高温过热器在不同负荷下的边界条件参数，如表4所示。
表4边界条件
Figure BDA0003394451850000073
(1)不同氧化皮厚度与壁温关系的建立
利用Workbench Design Modeler进行三维建模，模型考虑氧化皮是均匀分布在管壁内，而且由于氧化皮相比管壁尺寸相对较小，对氧化皮区域进行了网格加密，并且氧化皮与管壁交界面存在热阻抗变化较大的情况，为保证计算结果的准确性，此区域也进行网格加密，采用了局部区域网格细化、体扫掠的方法生成体网格。
由此建立蒸汽侧氧化皮为0～0.25mm时过热器管壁温度场分布。
考虑到在传热过程中，高温烟气直接接触管子外壁，外壁温度最高，故得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系(100％负荷)：
T(x)＝41.43x+558.49 (11)
(2)不同负荷下氧化皮厚度与温度关系的建立
通过不同边界条件参数，获得不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的关系如下：
60％负荷：T(x)＝23.07x+554.78 (12)
70％负荷：T(x)＝29.15x+555.74 (13)
100％负荷：T(x)＝41.43x+558.49 (14)
假设方程系数与负荷的关系如下：
T(x,y)＝a(y)x+b(y) (15)
式中y——负荷比例。
根据公式(12)～(14)，拟合得到：
a(y)＝0.45y-3.09 (16)
b(y)＝0.09y+549.25 (17)
由此获得高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的矫正公式：
T(x,y)＝(0.45y-3.09)x+0.09y+549.25 (18)
为验证矫正公式的可靠性，对在100％、70％及60％负荷下的仿真结果进行比较，并进行误差分析，如表5～7所示。
表5 100％负荷下仿真结果与矫正公式结果误差分析
Figure BDA0003394451850000081
表6 70％负荷下仿真结果与矫正公式结果误差分析
Figure BDA0003394451850000091
表7 60％负荷下仿真结果与矫正公式结果误差分析
Figure BDA0003394451850000092
由表5～7可知，矫正公式与仿真结果误差较小，100％负荷时，最大绝对误差为0.37℃，最大相对误差为0.07％；70％负荷时，最大绝对误差为0.46℃，最大相对误差为0.08％；60％负荷时，最大绝对误差为0.37℃，最大相对误差为0.07％。由此，矫正公式能够很好的表征负荷、氧化皮厚度对管壁壁温的影响。
本发明基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用有限元模拟建立热传导模型，从而建立氧化皮厚度和工作载荷与管壁温度的预测方法，拟合蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布，并结合边界条件参数得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系，利用不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的桥梁，最终建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的数学解析式，从而达到预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度下过热器管外侧最高壁温温度，为评估负荷、氧化皮厚度对过热器管壁温度的影响提供指导。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (2)

1.一种基于氧化皮厚度和运行负荷预测火电发电厂用12Cr18Ni12Ti奥氏体耐热钢外侧管壁温度的方法，包括如下步骤：
(1)基于电站锅炉中温过热器处于水平烟道空间的传热理论，利用Workbench DesignModeler建立热传导模型；
(2)由所述热传导模型建立蒸汽侧不同氧化皮厚度的过热器管壁温度场分布；
(3)由所述过热器管壁温度场分布结合边界条件参数，得到管壁外侧温度与氧化皮厚度的关系：
T(x)＝41.43x+558.49；
式中T(x)为管壁外侧温度，℃；
x为氧化皮厚度，mm；
(4)通过不同边界条件参数，获得不同负荷下氧化皮厚度与外管壁温度的关系：
60％负荷： T(x)＝23.07x+554.78；
70％负荷： T(x)＝29.15x+555.74；
100％负荷： T(x)＝41.43x+558.4；
(5)建立方程系数与负荷的关系式：
T(x,y)＝a(y)x+b(y)；
式中，y为负荷比例；
(6)拟合并获得：
a(y)＝0.45y-3.09；
b(y)＝0.09y+549.25；
(7)建立高温过热器外管壁温度与氧化皮厚度、负荷之间的矫正公式：
T(x,y)＝(0.45y-3.09)x+0.09y+549.25；
式中，x为氧化皮厚度，mm；
y为负荷比例。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述T(x，y)解析式拥有自精确功能，可预测实际工况下变动的负荷、氧化皮厚度对过热器管外侧最高壁温温度的影响。
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