畢業(yè)論文 電站鍋爐后屏過熱器壁溫計(jì)算及爆管研究.doc

畢業(yè)論文作者：學(xué)號(hào)：系：動(dòng)力工程專業(yè)：熱能與動(dòng)力工程題目：電站鍋爐后屏過熱器壁溫計(jì)算及爆管研究指導(dǎo)者：(姓名)(專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者：(姓名)(專業(yè)技術(shù)職務(wù))2007年6月摘要I摘要近年來，我國的火力發(fā)電機(jī)組逐漸向大容量方向發(fā)展。由于鍋爐蒸汽參數(shù)的不斷提高，過熱器和再熱器系統(tǒng)受熱面積越來越大，設(shè)計(jì)和布置日趨復(fù)雜，不可避免地導(dǎo)致并聯(lián)各管內(nèi)的流量與吸熱量發(fā)生差異。過熱器受熱面中的工質(zhì)是高溫高壓的蒸汽，而受熱面又處于煙氣溫度較高的區(qū)域，工作條件比較惡劣。因而受設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等諸多方面因素的影響，過熱器受熱面經(jīng)常發(fā)生超溫現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆管事故。目前，大型電站鍋爐爆管事故(BFT)已成為當(dāng)前威脅發(fā)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的突出矛盾，而且隨著舊機(jī)組服役時(shí)間的增加及新機(jī)組投產(chǎn)量和參數(shù)的提高，這類事故還有逐年上升的趨勢，是影響安全發(fā)供電的主要因素。研究和防止過熱器爆管已成為保證火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵課題之一。本文以研究了爆管問題為主，對(duì)電站燃煤鍋爐過熱器超溫、爆管的問題進(jìn)行了綜合研究，通過對(duì)過熱器系統(tǒng)的熱偏差理論的研究，詳細(xì)分析了造成過熱器超溫、爆管的原因，給出了預(yù)防過熱器超溫、爆管的方法，并結(jié)合一臺(tái)具體的鍋爐，計(jì)算了在不同煤種、不同負(fù)荷的情況下其后屏幾個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的管壁溫度，建立了壁溫與負(fù)荷的關(guān)系，提出了鍋爐安全工作的負(fù)荷及燃料限制，并提出了技術(shù)改造方案?，F(xiàn)場的熱力實(shí)驗(yàn)印證了技術(shù)改造方法的可行性。關(guān)鍵詞：過熱器、超溫、爆管、壁溫計(jì)算、技術(shù)改造本科畢業(yè)論文IIABSTRACTInrecentyears，thermalgeneratorunitcapacityrasedmoreandmoreinchina.Withsteamparameterinboilerincreasedcontinuously，heatingsurfaceareaofsuperheaterandreheaterbecamebiggerandbigger，andthedesignandarrangementbecamemoreandmorecomplex，andtheseleadtotheflowandheatabsorptioncapacitydifferenceinparalleltubesunavoidably.Becausethemediatorworkinginthesuperheaterarehightemperatureandhighpressuresteam，andtheheatingsurfacesareinthehightemperaturefumearea，sotheworkingconditionisbad.Overtmperature，eventubeexplosionintheheatingsurfaceofsuperheateralwayshappenbecauseofmanyelementsindesign，manufactureandoperation.Atpresent，tubeexplosionofpowerstation(BTFbecomeanimportantprobleminfluencingthesafeofthepowerstationoperation.Andwiththeincreaseofthetimeonactiveserviceofoldunitsandimprovementofoperationamountandparameteronnewunits，thiskindofaccidenthastrendofrisingyearbyyear，andisthemainfactorinfluencingthesafeoftheoperation.So，studyonpreventingtubeexplosionbecomeoneofthekeysubjectsonpowerplantsafeeconomicaloperationandincreasingeconomicefficiency.Theresearchdevelopedontheovertemperatureandtubeexplosionofsuperheaterinpowerplantandanalysedthereasonofovertemperatureandtubeexplosionofsuperheaterbytheresearchonheatdeviationcoefficientandgavetheprecaution.Theauthorhas，calculatedsomedangerouspointswhileusingdifferentcoalsandrunningunderdifferentloadcondition，establishedthemathematicrelationonwalltemperaturewithload，andproposedthelimitofloadandfuelforsafeworkandgiventhetechnologicaltransformationmethodstosolvetheseproblemsandprovedthefeasibilityofthemethodsbytheanalysisoffieldthermalperformanceoftheboiler.KeyWords：superheater，overtemperature，tubeexplosion，thermalcalculation，technologicaltransformation目錄III目錄摘要.IABSTRACT.II目錄.III第1章緒論.-1-1.1課題的選題背景.-1-1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀.-1-1.3壁溫計(jì)算.-3-第2章過熱器系統(tǒng)的熱偏差理論分析.-4-2.1熱力不均勻性.-5-2.1.1沿?zé)煹缹挾鹊臒崃Σ痪鶆蛐?-5-2.1.2沿?zé)煹栏叨?或深度)的熱力不均勻性.-5-2.1.3同屏(片)各管的熱力不均勻性.-6-2.2水力不均勻性.-7-2.2.1集箱效應(yīng)引起的流量不均勻性.-7-2.2.2管子結(jié)構(gòu)差異引起的流量分配不均勻性.-7-2.2.3熱效流動(dòng)引起的流量分配不均勻性.-7-第3章受熱面超溫爆管原因及預(yù)防措施綜述.-8-3.1設(shè)計(jì)原因造成受熱面超溫、爆管原因綜述.-8-3.1.1熱力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符.-8-3.1.2爐膜選型不當(dāng).-8-3.1.3過熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受熱面布置不合理.-8-3.1.4壁溫計(jì)算方法不完善，導(dǎo)致材質(zhì)選用不當(dāng).-9-3.2制造工藝、安裝及檢修質(zhì)量對(duì)受熱面超溫、爆管的影響.-9-3.2.1聯(lián)箱中間隔板焊接問題.-10-3.2.2聯(lián)箱管座角焊縫問題.-10-3.2.3異種鋼管的焊接問題.-10-3.2.4普通焊口質(zhì)量問題.-10-3.2.5管子彎頭橢圓度和管壁減薄問題.-11-3.2.6異物堵塞管路.-11-3.2.7管材質(zhì)量問題.-11-3.3調(diào)溫裝置設(shè)計(jì)不合理或不能正常工作引起的受熱面超溫爆管的分析.-11-3.3.1減溫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理.-12-3.3.2噴水減溫器容量不合適.-12-3.3.3文氏管式噴水減溫器端部隔板漏流及局部渦流.-12-3.3.4噴水減溫器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能問題.-13-3.3.5再熱器調(diào)節(jié)受熱面.-13-3.3.6擋板調(diào)溫裝置.-13-本科畢業(yè)論文IV3.3.7煙氣再循環(huán).-13-3.3.8火焰中心的調(diào)節(jié).-14-3.4鍋爐運(yùn)行狀況影響受熱面超溫、爆管的幾種情況簡介.-14-3.4.1爐內(nèi)然燒工況.-15-3.4.2高壓加熱器投入率低.-15-3.4.3煤種的差異.-15-3.4.4負(fù)荷變化.-16-3.4.5汽機(jī)高壓缸排汽溫度降低.-16-3.4.6受熱面站污.-16-3.4.7磨損與腐蝕.-16-3.4.8運(yùn)行管理.-17-3.5預(yù)防過熱器管壁超溫的方法.-17-3.5.1結(jié)構(gòu)措施.-17-3.5.2運(yùn)行措施.-18-第4章熱偏差和壁溫計(jì)算.-23-4.1熱偏差系數(shù)的計(jì)算.-23-4.1.1結(jié)構(gòu)偏差系數(shù)的計(jì)算.-23-4.1.2吸熱偏差的計(jì)算.-23-4.1.3水力偏差系數(shù)的計(jì)算.-25-4.2壁溫計(jì)算.-29-第5章屏式過熱器結(jié)果分析及應(yīng)用.-34-5.1計(jì)算結(jié)果.-34-5.2計(jì)算結(jié)果應(yīng)用.-36-5.2.1鍋爐安全工作的負(fù)荷及燃料限制.-36-5.2.2預(yù)防超溫的技術(shù)方案.-36-結(jié)論.-39-致謝.-40-參考文獻(xiàn).-41-第1章緒論-1-第1章緒論1.1課題的選題背景改革開放的20年是我國電力工業(yè)大發(fā)展時(shí)期，到2000年底全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3.19億kW，年發(fā)電量達(dá)到13685億kWh，成為世界上第二大電力生產(chǎn)國。隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，火力發(fā)電機(jī)組的容量不斷增大，電站鍋爐過熱器超溫爆管、泄漏的問題也日益嚴(yán)重，影響了發(fā)電廠的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由此引起的非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間占總停運(yùn)時(shí)間的20%左右，少發(fā)電量占總少發(fā)電量的25%左右。所以分析鍋爐過熱器爆管的機(jī)理及原因，監(jiān)測過熱器的管壁溫度，從根本上采取措施減少過熱器由于管壁超溫引起的爆管。對(duì)于發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的一項(xiàng)工作1。目前，大型電站鍋爐爆管事故(BTF)已成為當(dāng)前威脅發(fā)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的突出矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“七五”期間全國200MW以上機(jī)組共發(fā)生鍋爐事故1976次，其中鍋爐爆漏事故為1417次，占鍋爐事故的72%2。在鍋爐爆管事故中過熱器爆管造成的事故損失最大，而且隨著舊機(jī)組服役時(shí)間的增加及新機(jī)組投產(chǎn)量和參數(shù)的提高，這類事故還有逐年上升的趨勢，是影響安全發(fā)供電的主要因素。鍋爐過熱器、再熱器及省煤器既是受熱面又是承壓部件。而過熱器是鍋爐承壓部件中工作溫度最高的受熱面，管內(nèi)流過的是高溫高壓蒸汽，其傳熱性能較差，而管外又是高溫?zé)煔猓幁h(huán)境惡劣，因此損壞事故的比例非常大。因此，研究和防止過熱器爆管已成為保證火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵課題。了解過熱器爆管事故的直接原因和根本原因，搞清管子失效的機(jī)理，并提出預(yù)防措施，減少過熱器爆管的發(fā)生是當(dāng)前的首要問題。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀造成過熱器爆管的直接原因很多，而其中最主要的是設(shè)計(jì)因素、制造安裝檢修和運(yùn)行。而設(shè)計(jì)因素中有圓燃燒方式本身所固有的缺陷。四角切圓燃燒的爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升氣流由爐膛出口進(jìn)入對(duì)流煙道時(shí)，存在相當(dāng)強(qiáng)的殘余旋轉(zhuǎn)，引起對(duì)流煙道兩側(cè)的煙速差和煙溫本科畢業(yè)論文-2-差，使煙道內(nèi)熱負(fù)荷分布不均，從而導(dǎo)致過熱器超溫爆管。設(shè)計(jì)選用系數(shù)不合理。如華能上安電廠由B&W公司設(shè)計(jì)、制造的“W”型鍋爐，選用了不合理的受熱面系數(shù)，使?fàn)t膛出口煙溫實(shí)測值比設(shè)計(jì)值高801003。過熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置不合理。如金竹山電廠1號(hào)爐屏式過熱器進(jìn)入三級(jí)過熱器的左右交叉方式欠佳，導(dǎo)致三、四級(jí)過熱器頻繁爆管4。計(jì)算中沒有充分考慮熱偏差。如淮北電廠5號(hào)爐過熱器在后屏設(shè)計(jì)中沒有將前屏造成的偏差考慮進(jìn)去，引起過熱器爆管5。爐膛結(jié)構(gòu)不合理。如邢臺(tái)發(fā)電廠4號(hào)爐屏底與折焰角之間的間隙太大，后屏不能有效地消除爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)，增大過熱器的熱負(fù)荷，導(dǎo)致超溫爆管6。其中制造、安裝和維修因素包括：鋼材質(zhì)量差、管子本身存在分層、夾渣等缺陷，運(yùn)行時(shí)受溫度和應(yīng)力影響缺陷擴(kuò)大而爆管。如荊門熱電廠4號(hào)爐過熱器彎頭發(fā)生的爆管7，錯(cuò)用鋼材；如靖遠(yuǎn)電廠4號(hào)爐的制造、維修過程中，應(yīng)該用合金鋼的高溫過熱器出口聯(lián)箱管座錯(cuò)用碳鋼，使碳鋼管座長期過熱爆破8，焊接質(zhì)量差。如鶴壁電廠1000t/h鍋爐過熱器制造時(shí)焊接質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致頻繁爆管9。安裝質(zhì)量問題。如揚(yáng)州發(fā)電廠DG670/140-8型固態(tài)排渣煤粉爐的包墻過熱器未按照?qǐng)D紙要求施工，使管子排列、固定和膨脹間隙出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致爆管10。異物堵塞管子。如長春熱電二廠1號(hào)爐因管路堵塞造成短時(shí)超溫爆管11。而運(yùn)行狀況因素是蒸汽品質(zhì)不良，引起管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致管壁過熱爆管。如鎮(zhèn)海發(fā)電廠6號(hào)爐(DG670/140-8)曾因這類問題引起7次爆管12。燃燒煤種偏離設(shè)計(jì)煤種，使著火點(diǎn)延遲，火焰中心上移，當(dāng)爐膛高度不足，過熱器就會(huì)過熱爆管。運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)。如渾江發(fā)電廠3號(hào)爐，過熱器使用的材質(zhì)基本都工作在材質(zhì)允許的極限溫度中，在運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)調(diào)整不當(dāng)，發(fā)生瞬時(shí)超溫爆管13。受熱面沾污。如石嘴山電廠9號(hào)爐，因吹灰器沒有投入運(yùn)行，受熱面部分管子結(jié)渣或積灰，使管間吸熱嚴(yán)重不均，從而導(dǎo)致屏式過熱器超溫爆管14，管間振動(dòng)磨損。如來陽電廠1號(hào)爐，固定件與過熱器管屏間的連接焊縫燒裂，管屏發(fā)生振動(dòng)，固定件與管屏內(nèi)圈發(fā)生摩擦，使管壁磨損減薄，在內(nèi)壓力的作用下發(fā)生爆管15。減溫器發(fā)生故障。如巴陵石化公司動(dòng)力廠5號(hào)爐，將減溫器級(jí)調(diào)節(jié)閥固定，用級(jí)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。因起主調(diào)作用的級(jí)減溫器減溫水投入少，冷卻屏式過熱器、高溫過熱器的效果差，增加過熱器超溫的可能16。超期服役。如黃臺(tái)2號(hào)爐過熱器管已運(yùn)行23萬小時(shí)以上，管材球化、氧化嚴(yán)重，已出現(xiàn)蠕變裂紋，如不及時(shí)更換，遲早會(huì)發(fā)生爆管17。管內(nèi)壁積垢、外壁氧化。如洛河電廠2號(hào)爐管內(nèi)壁結(jié)垢0.7mm，使過熱器壁溫升高2030；外壁氧化皮110mm，又使管壁減薄，因此爆管頻繁18。燃煤灰分高。如山東十里泉電廠的SG400/140-M413型鍋爐，燃煤灰分高達(dá)37.11%，長期運(yùn)行造成磨損爆管19。高壓加熱器投入率低。如江西景德鎮(zhèn)電廠SG220-100-1型煤粉爐的高壓加熱第1章緒論-3-器長期投用不正常，給水溫度為150160，一直未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的215，使過熱蒸汽溫度升高，造成超溫爆管20。國際上已經(jīng)對(duì)鍋爐爆管機(jī)理有了很深研究，可分為22種故障機(jī)理，并且已有19種都已查明并徹底解決，但有三種機(jī)理在當(dāng)時(shí)是不能有效地、徹底地解決。這三種機(jī)理是：發(fā)生在水冷壁水側(cè)和省煤器管的腐蝕疲勞爆管，發(fā)生在超臨界機(jī)組水冷壁煙氣側(cè)管壁最高熱流量段的環(huán)形裂紋以及飛灰磨損。進(jìn)一步分析表明可用率提高的障礙不是技術(shù)問題，而是管理和經(jīng)濟(jì)問題，研究人員發(fā)現(xiàn)，電廠人員經(jīng)常是不接觸技術(shù)的管理，很難斷定事故機(jī)理。而結(jié)合我國電站鍋爐過熱器爆管事故實(shí)際，把電站鍋爐過熱器爆管歸納為以下9種不同的機(jī)理：長期過熱、短期過熱、磨損、汽側(cè)的氧腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、熱疲勞、高溫腐蝕、異種金屬焊接、質(zhì)量控制失誤【2123】。1.3壁溫計(jì)算大容量鍋爐的分隔屏與后屏過熱器的傳熱計(jì)算關(guān)系著鍋爐的汽溫特性以至鍋爐的變負(fù)荷性能。正確的理論計(jì)算方法應(yīng)能客觀反映鍋爐在變負(fù)荷、改變各層燃燒器投入方式等條件下的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律。關(guān)于后屏過熱器壁溫計(jì)算方法分別在以下文獻(xiàn)有所涉及：文獻(xiàn)24中對(duì)屏式過熱器的壁溫計(jì)算方法進(jìn)行了分析研究，通過對(duì)比，采用了一種更為嚴(yán)格的數(shù)值計(jì)算方法，并且編制了壁溫?cái)?shù)值計(jì)算程序。將屏式過熱器各離散化為小單元，按工質(zhì)流動(dòng)順序逐次計(jì)算小單元的熱負(fù)荷，進(jìn)而求出壁溫分布，對(duì)屏式過熱器入口進(jìn)行二維離散，考慮影響管子傳熱的結(jié)構(gòu)、位置、流動(dòng)等偏差因素。該方法便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的管壁溫度計(jì)算預(yù)測。文獻(xiàn)25用了與文獻(xiàn)23基本一致的方法對(duì)電站鍋爐對(duì)流過熱器的壁溫進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)26提出了大容量鍋爐屏式過熱器傳熱計(jì)算新方法，不僅能突出屏式過熱器傳熱