900mw鍋爐水冷壁鰭片超寬問(wèn)題及處理1

1、900MW鍋爐水冷壁鰭片超寬問(wèn)題分析及處理【摘要】上海外高橋二期2900MW火電工程，在安裝階段遇到了鍋爐水冷壁局部鰭片寬度超標(biāo)的問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題的處理和工期的尖銳矛盾，從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度出發(fā)，經(jīng)理論分析和研究，了解了鰭片超寬會(huì)產(chǎn)生的后果，并找出了兼顧質(zhì)量和工期的解決途徑?！娟P(guān)鍵詞】鍋爐 水冷壁 鰭片1、 項(xiàng)目及鍋爐簡(jiǎn)介上海外高橋二期工程、目前正在建設(shè)二臺(tái)900MW燃煤超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐島由德國(guó)ALSTOM能源公司(EVT)設(shè)計(jì)并供貨，鍋爐為直流塔式、一次再熱、單爐膛、四角切圓、固態(tài)排渣煤粉爐。第一臺(tái)機(jī)組計(jì)劃2003年底整組啟動(dòng)，2004年6月投產(chǎn)。鍋爐的基本數(shù)據(jù)如下：最大連續(xù)出力： 2

2、788t/h主蒸汽/再熱蒸汽溫度 542/568主蒸汽壓力 24.955MPa(BMCR工況)爐頂標(biāo)高 114.5m爐膛截面 21.48m21.48m2、 問(wèn)題的原由2003年3月，ALSTOM公司派設(shè)計(jì)部門(mén)的專家對(duì)鍋爐本體的安裝進(jìn)行了全面檢查，而后以書(shū)面的形式提出了整改意見(jiàn)。在這其中，過(guò)渡段垂直水冷壁的修改成了一個(gè)矛盾的焦點(diǎn)。圖1 (背火側(cè))鑄鋼聯(lián)接件根據(jù)設(shè)計(jì)，鍋爐水冷壁以接近爐膛出口的63.85m為分界(爐膛出口標(biāo)高68.4m)，下部采用螺旋水冷壁，螺旋角為26.2o，上部仍為傳統(tǒng)的垂直水冷壁。兩者之間采用一種特殊的鑄鋼件(見(jiàn)圖1)進(jìn)行機(jī)械聯(lián)接，而管內(nèi)工質(zhì)則通過(guò)鑄件中間引出管引至外側(cè)聯(lián)箱進(jìn)

3、行混合。制造廠對(duì)水冷壁采用分片方式出廠。每片約3m寬。在安裝過(guò)程中，為滿足對(duì)爐膛總尺寸的要求，將部分片間鰭片進(jìn)行了加寬處理。由于對(duì)鰭片寬度增加后可能會(huì)產(chǎn)生的負(fù)面影響認(rèn)識(shí)不足，這一問(wèn)題被擱置了下來(lái)。在2003年3月ALSTOM設(shè)計(jì)專家對(duì)本體的檢查過(guò)程中，共確定有7處靠近螺旋水冷壁的垂直水冷壁鰭片寬度超標(biāo)。ALSTOM設(shè)計(jì)專家和總部對(duì)這一問(wèn)題的意見(jiàn)非常明確，必須進(jìn)行處理，以使這部分的鰭片寬度全部調(diào)整到最大允許值以內(nèi)。3、 ALSTOM的處理方案及與工期的矛盾過(guò)渡段垂直水冷壁管的設(shè)計(jì)尺寸為:管徑:33.76.3mm節(jié)距:60mm；(最大允許值：64mm)圖2 (向火側(cè))鑄鋼聯(lián)接件鰭片:26.36mm

4、對(duì)于各超寬鰭片的處理，ALSTOM的現(xiàn)場(chǎng)專家根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求制定了一個(gè)工藝方案。總思路是將該處的鰭片寬度調(diào)減至最大允許值內(nèi)，同時(shí)將超過(guò)允許值的部分均攤至相鄰的鰭片。每個(gè)鰭片寬度擬增加3mm。以最大節(jié)距處為81mm為例，該點(diǎn)總共要調(diào)整(81-60)3=7處。又因垂直段與螺旋管的相連按2:1配置（見(jiàn)圖2）。故垂直段需每?jī)筛ㄅc一根螺旋管對(duì)應(yīng)）設(shè)一處切割調(diào)整點(diǎn)。另外，在垂直段鰭片寬度調(diào)整的同時(shí)，還必須相應(yīng)調(diào)整較長(zhǎng)的一段垂直管所對(duì)應(yīng)的螺旋管的角度和鰭片的寬度。由于每個(gè)鑄鋼聯(lián)接件對(duì)應(yīng)四根垂直管，故還需在其中間(如圖2中黑線處)進(jìn)行切割。對(duì)于這樣一個(gè)方案，施工單位感到難以接受。其一是鑄鋼件切割處鰭片特窄

5、且厚，常規(guī)方法難以實(shí)施且質(zhì)量也不能保證。其二是整個(gè)工藝方案的涉及面廣且修改工作量大，技術(shù)要求高，難度大。按施工單位的測(cè)算，不考慮鑄鋼聯(lián)接件的切割，完成該項(xiàng)任務(wù)也至少需兩個(gè)月。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，德方表示可派遣專門(mén)人員并攜帶切割專用工具。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，德方也愛(ài)莫能助。時(shí)值4月初，鍋爐本體施工已接近尾聲，按計(jì)劃，4月底應(yīng)完成鍋爐水壓前的全部準(zhǔn)備工作。如果實(shí)施這一方案，工期就將推遲一個(gè)多月。且不提在缺電形勢(shì)下項(xiàng)目推遲投產(chǎn)所造成的社會(huì)影響和損失，光發(fā)電的直接收益損失就要上億元人民幣。但如果不處理這一問(wèn)題，ALSTOM明確表示將不能保證設(shè)備的性能和質(zhì)量，由此而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)和后果將由業(yè)主來(lái)承擔(dān)。因此，如何權(quán)衡

6、并解決這樣一個(gè)兩難問(wèn)題確實(shí)極其棘手。4、 鰭片超寬的后果分析及對(duì)策要對(duì)上述問(wèn)題作出正確的決策，首先必須就鰭片超寬后將產(chǎn)生什么后果進(jìn)行分析和評(píng)估。圖3 水冷壁工作示意圖爐內(nèi)燃燒熱主要以輻射的方式投射于水冷壁表面，再通過(guò)金屬的導(dǎo)熱由水冷壁傳導(dǎo)至管道內(nèi)側(cè)。而后管內(nèi)工質(zhì)（水）通過(guò)和管道內(nèi)壁間以對(duì)流放熱的形式吸收熱量并將其帶走。（水冷壁背火側(cè)敷有保溫材料，可以視為絕熱體）。由圖可見(jiàn)，鰭片段所吸收的輻射熱，是以點(diǎn)a為中心，在鰭片內(nèi)向兩側(cè)傳導(dǎo)至管壁。因此從定性的角度來(lái)看，鰭片的溫度分布是向火側(cè)的a點(diǎn)溫度為最高，并沿兩側(cè)逐步降低。從定性的角度即可看出，當(dāng)鰭片寬度增加后，在相同的爐內(nèi)輻射熱強(qiáng)度下，投射于鰭片表面

7、的熱量上升，這部分熱量都將以a點(diǎn)為對(duì)稱軸沿鰭片內(nèi)向兩側(cè)傳導(dǎo)。顯而易見(jiàn)，由于傳導(dǎo)熱阻的存在，熱量越高，傳導(dǎo)溫差越大，相應(yīng)的a點(diǎn)溫度將越高。為研究鰭片表面溫度分布的規(guī)律，可截取寬度為1/2（圖中a-b段）的單位長(zhǎng)度的鰭片作為研究對(duì)象。如圖4：圖4 鰭片內(nèi)傳熱示意圖現(xiàn)考察圖中x點(diǎn)處的斷面熱通量。根據(jù)圖3知，背火側(cè)為絕熱面。而鰭片的中心截面（圖4的a-h面）則由于對(duì)稱的原因無(wú)熱量傳導(dǎo)。亦可視為絕熱面。因此，圖4中鰭片的向火面投射到的熱量只能在鰭片內(nèi)沿x軸的正方向傳導(dǎo)。因此，x點(diǎn)的垂直截面向右側(cè)所傳導(dǎo)的熱量就等于a-x面所投射到的輻射熱。即： (1)式中：X斷面處鰭片傳導(dǎo)熱量 a-x面輻射吸熱量 根據(jù)傳

8、熱學(xué)： (2)式中：X截面y點(diǎn)處沿x軸正方向傳熱量；鰭片導(dǎo)熱系數(shù)； X截面y點(diǎn)處沿x軸正方向溫度梯度。為簡(jiǎn)化分析，若忽略y軸上沿x軸方向溫度梯度的變化，則可用X截面處的平均溫度梯度取代。且因，從而式（2）便轉(zhuǎn)為： (3)又，根據(jù)輻射傳熱公式： (4)式中：K廣義輻射傳熱系數(shù)； T0爐內(nèi)輻射源平均溫度（絕對(duì)）； TS(x)x點(diǎn)表面溫度（絕對(duì)）。因?yàn)闋t內(nèi)輻射源平均溫度T0遠(yuǎn)高于鰭片表面溫度TS，既:因此，當(dāng)TS沿壁面從a到b點(diǎn)變化時(shí)，變化很小。據(jù)此，令： qR平均輻射傳熱強(qiáng)度則式(4)：；將其及式(3)代入式(1)得： (5)解此方程得：；當(dāng)x=b時(shí)，有t(b)=tb，代入得：既： (6)當(dāng)且僅當(dāng)

9、x=0時(shí),t(0)既為鰭片中心表面溫度: 注 (7)注：可以證明，整個(gè)上述推導(dǎo)過(guò)程中所作的簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的綜合誤差很小。限于篇幅，其誤差分析略。在式(7)中，輻射傳熱強(qiáng)度qR和鰭片導(dǎo)熱系數(shù)均為常數(shù)，而水冷壁管表面溫度tb受管內(nèi)工質(zhì)溫度所鉗制(通常為工質(zhì)溫度加約5060)，故由式(7)可知，鰭片中心表面溫度t(0)與鰭片寬度的平方成正比，與鰭片的厚度成反比。至此，實(shí)際上鰭片超寬的后果已經(jīng)明朗，如鰭片寬度增加，鰭片中心表面溫度將呈平方關(guān)系上升，僅以節(jié)距為72mm為例，則鰭片寬度為38.3mm。與設(shè)計(jì)寬度26.3mm(節(jié)距60mm)的平方之比達(dá)2.12。也就是說(shuō)鰭片表面中心相對(duì)于根部的溫升將上升一倍余，

10、鰭片材料不可能有如此的耐溫裕度(ALSTOM給出的最大節(jié)距為64mm，相當(dāng)于鰭片最大允許寬度30.3mm ,與設(shè)計(jì)寬度的平方之比僅為1.33?？梢?jiàn)設(shè)計(jì)的耐溫裕度很小。)。故這斷不會(huì)被容忍。由此證明，ALSTOM關(guān)于超寬鰭片必須處理的意見(jiàn)是正確的。否則在機(jī)組啟動(dòng)后不久就可能將鰭片燒壞。值得慶幸的是公式(7)同時(shí)也指出了一條解開(kāi)這個(gè)兩難問(wèn)題的新途徑：若要維持t(0)不變，可通過(guò)增加鰭片厚度h的方法來(lái)補(bǔ)償寬度b2的增加。如此處理，不必去考慮原先的設(shè)計(jì)值，包括爐內(nèi)輻射熱強(qiáng)度、材料允許溫度、水冷壁面溫度等，只要滿足幾何條件b2/h不變即可。當(dāng)然，在實(shí)際操作時(shí)，更換鰭片的方法并不可取，因?yàn)椴豢赡苡懈鞣N厚度

11、的現(xiàn)成鰭片供選用。但是這可以通過(guò)在鰭片的兩面進(jìn)行堆焊的方法來(lái)達(dá)到增加厚度的目的。同樣以節(jié)距72mm為例，鰭片兩面可各堆焊3.5mm，使實(shí)際厚度達(dá)13mm。便可達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康?。而這一處理方法的工作量遠(yuǎn)小于原先的方案。對(duì)這特定時(shí)候的特定問(wèn)題，在同樣達(dá)到解決問(wèn)題的前提下，工作量已是打開(kāi)這一“死結(jié)”的關(guān)鍵所在。另外，考慮到ALSTOM的設(shè)計(jì)最大節(jié)距為64mm，若以此為補(bǔ)償基準(zhǔn)，則節(jié)距為72mm處的鰭片厚度可為h=(38.32/30.32)*6=9.6mm。即堆焊總厚度只需3.6mm即可。順便說(shuō)明的是，也曾有過(guò)在超寬鰭片處改用耐熱不銹鋼的設(shè)想，但考慮到該處鰭片將會(huì)出現(xiàn)局部高溫，相應(yīng)會(huì)增加表面結(jié)焦的風(fēng)

12、險(xiǎn)，且由于其他鰭片溫度較低，縱向線膨脹量相對(duì)較小，使得與該鰭片相鄰的水冷壁管將承受很大的熱應(yīng)力。故未采用此方案。5、 問(wèn)題的實(shí)際處理在關(guān)于這一問(wèn)題的多方協(xié)調(diào)會(huì)上，當(dāng)ALSTOM專家和施工單位各執(zhí)己見(jiàn)，僵持不下時(shí)、筆者拿出了公式(7)并作了簡(jiǎn)要解釋，同時(shí)提出了采用堆焊增厚鰭片的解決方案。ALSTOM的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理聽(tīng)后當(dāng)即表示，他認(rèn)為此法理論上成立，實(shí)踐上可操作，他個(gè)人可以接受。當(dāng)然，還需得到總部的批準(zhǔn)。而施工單位則欣然接受，一方面，他們進(jìn)一步理解了鰭片超寬必須處理的原因，另一方面，工作量與工期的矛盾已迎刃而解。而后，ALSTOM總部針對(duì)鰭片增厚方案，采用有限元法，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了校核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果

13、之一見(jiàn)圖5。該圖是以節(jié)距75mm，鰭片厚度增加一倍作為計(jì)算依據(jù)的。這驗(yàn)證了該方案的可行性。圖5 有限元計(jì)算結(jié)果圖不過(guò)，由式(7)可以算出，對(duì)于最寬的鰭片，采用加厚的方案進(jìn)行處理，其厚度須達(dá)20mm。這相對(duì)于直徑為33.7mm的水冷壁管而言似乎太厚。在不同的運(yùn)行工況下，是否會(huì)對(duì)水冷壁管產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力等問(wèn)題，ALSTOM覺(jué)得沒(méi)把握，故提出建議，為保守起見(jiàn)，對(duì)于3處節(jié)距為72mm及以下的，采用堆焊來(lái)處理，而對(duì)于其他的4處，仍須將寬度調(diào)減下來(lái)。這一建議馬上被施工單位愉快的接受。因?yàn)榘纯稍龊聆捚姆椒ㄊ蛊渥畲蠊?jié)距允許為72mm的原則，最大節(jié)距（81mm）處可只割開(kāi)兩處鰭片，而后均攤多余的21mm。使

14、兩處由原先的81/60(mm)變成70.5/70.5(mm)，再施以堆焊即可。這樣，工作量可大為減少。至此，這一兩難問(wèn)題的決策危機(jī)實(shí)際上已被解除。當(dāng)然，實(shí)際的操作情況與上述計(jì)劃仍稍有不同，不過(guò)這已是后話。6、 結(jié)語(yǔ)對(duì)于涉外工程，特別是如外高橋二期工程此類的項(xiàng)目，外商對(duì)設(shè)計(jì)和設(shè)備的質(zhì)量負(fù)責(zé)，經(jīng)常會(huì)遇到上述一類的問(wèn)題。通常情況下，應(yīng)尊重外商的意見(jiàn)。但在特殊情況下，尤其是工期與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生嚴(yán)重矛盾時(shí)，在決策上不能簡(jiǎn)單的以“保質(zhì)量”而丟工期的方式或“保工期”而冒風(fēng)險(xiǎn)的方法去處理。應(yīng)盡可能采用理論研究的方法，分析問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，評(píng)估各種風(fēng)險(xiǎn)，從而往往能找出更有效的解決問(wèn)題的途徑。本文介紹的只是外高橋二期工程

15、中諸多類似案例中的一個(gè)典型而已。7、 參考文獻(xiàn)1、傳熱學(xué)，揚(yáng)世銘。高等教育出版社。1987。10 【Abstract】The problem of over-width in part of the waterwall fins occurred in the boiler of Shanghai Waigaoqiao Thermal Power Plant (2900MW) Project Phase II during boiler erection, which caused the dilemma of spending more time to resolve it and ensuring the milestone of the project . In the view of risk assessment, this paper find