超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法
2023-05-30 20:46:46 2
超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法
【專利摘要】超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法：S1在測點上布置測量設備；S2採集多個測點、不同工況、不同時刻的壓力、溫度、流量海量數據；S3工況採集數據的前處理；S4運用COMSOL軟體建立各數據採集點處管子的物理數學模型；S5將S3處理好的海量數據按照COMSOL軟體要求以時間變量的參數整理輸入至物理數學模型中，計算得到結果；S6計算數據的後處理；S7計算數據結果分析：導出文件輸入至數據分析軟體中，給出管子氧化皮在不同工況條件下各參數變化曲線；通過數據及其曲線圖可進行後續分析或進一步的模擬分析所用。本發明中的評估方法一方面涉及了瞬態過程氧化皮中溫度、應力分析；另一方面採用實測採集的FCB過程數據，使得評估方法更加真實有效。
【專利說明】超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法，尤其是涉及一種基於海量實測數據與多參數瞬態數值模擬技術耦合對氧化皮進行評估的方法。本發明適用於超超臨界機組鍋爐瞬態工況下高溫受熱面管子中溫度、應力、應變的估計，研究管子中氧化皮的生長、破裂、剝落的過程。
【背景技術】
[0002]目前電廠超超臨界機組中過熱器、再熱器等高溫受熱面的管子在受到兩側流體中水分子的作用下生成大量的氧化皮。達到一定的條件時，管子上的氧化皮越來越厚並破裂，最後剝落。這些剝落的氧化皮剝落後在管道某些部位堆積，致使管子的流體通道減小或堵塞、管子的溫度不均勻，這會對機組運行安全有不可迴避的影響。因此，對管子中氧化皮生長、破裂、剝落過程的研究可獲得改善這一問題的方法。由於難以實現對管子中氧化皮關鍵部位實時監測，即是難以實測獲得變工況下管子中各關鍵部位的溫度、形變數據。現今多以氧化皮生成後的管道實物作為對象研究氧化皮生長過程中各種鋼材氧化皮成分和剝落後氧化皮再生後的微觀結構，或為一定穩態下工況條件下氧化皮生長、剝落的數值模擬研究。實際運行中氧化皮的生長和剝落是長期受到管子內外流體流量、壓力、溫度等參數綜合的作用，它們的影響或在長時間中作用或者在急速變化時也起到了決定性的影響導致了氧化皮變厚、破裂、剝落。特別的，在電廠甩負荷運行或FCB過程中管子中影響氧化皮的因素隨工況變化急速變化，此情況下更值得關注和研究。
[0003]目前已有關於超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的應力和溫度評估方法，而未出現關於超超臨界機組鍋爐受熱面管子氧化皮的評估方法；同時，現有的評估方法雖多涉及數值模擬方法，但均為穩態邊界條件下的評估，未涉及瞬態過程，且其評估中未採用真實採集數據作為評估的邊界條件。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題，就是提供一種超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法，本發明基於海量參數數據和多參數瞬態數值模擬技術，獲取真實採集的管子及其氧化皮中的溫度和應力相關參數隨著工況變化而變化的數據來對氧化皮進行評估，豐富的工況數據可真實地還原工況，真實貼近管子內壁面上氧化皮的運行時環境條件了解其發展過程，使得評估與實際結果相當吻合。
[0005]解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:
[0006]一種超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法，其特徵是:包括以下步驟:
[0007]SI在鍋爐高溫受熱面管子的多個測點上布置測量設備及數據採集設備；
[0008]S2通過測量設備及數據採集設備或電廠SIS系統、MIS系統採集鍋爐高溫受熱面管子多個測點、不同工況、不同時刻的壓力、溫度、流量海量數據並存儲之；[0009]S3工況採集數據的前處理:將採集到的海量數據在excel (office的辦公軟體)中分類處理成隨時間變化的量，作為數值模擬備用文檔；
[0010]S4模擬軟體建立瞬態模型:運用COMSOL軟體建立各數據採集點(採集數據來自SIS系統的測點數據)處管子的物理數學模型(首次採用COMSOL軟體模擬，模型是自己處理的)，真實描述管子的內部結構特性以及運行環境的工況條件；
[0011]S5模擬結果中應力、溫度等參數在不同位置處數據的導出:將S3處理好的海量數據按照模擬(COMSOL)軟體要求以時間變量的參數整理輸入至物理數學模型中，計算數值模擬得到結果；
[0012]S6計算數據的後處理:通過COMSOL軟體後處理功能將關鍵點(前面沒出現過哦圖3中的4個點)的相關溫度、壓力、應力數據導出為文件；
[0013]S7計算數據結果分析:導出文件輸入至數據分析軟體(origin或excel)中,給出管子氧化皮在不同工況條件下各參數變化曲線；通過數據及其曲線圖可進行後續分析或進一步的模擬分析所用。
[0014]所述的步驟S4具體為:
[0015]建立有限元模型，加載的工況參數採集於電廠鍋爐在甩負荷過程或FCB過程的數據，整個過程為瞬態狀態，基於過熱器管子的幾何結構對稱和假設所承受熱載荷的對稱特性，選取管子的1/4截面，採用COMSOL軟體建立管子截面的二維熱分析數值模型；
[0016]簡化和假設:(I)基體和氧化皮、各層氧化物界面結合良好，連續且各向同性，不計接觸熱阻，氧化皮沒有出現大面積剝落現象；(2)氧化皮簡化成Fe3O4和Fe-Cr尖晶石的雙層結構，基體和氧化皮界面沒有顯著的顯微變化；(3)高溫受熱面管子在蒸汽側氧化過程中，符合能量守恆定律和質量守恆定量，管子的整體壁厚保持不變；(4)管子外側沒有出現煙氣偏差，煙氣流動場和溫度場均勻；(5)不考慮管子基體、氧化皮疲勞和蠕變等因素；
[0017]模型邊界條件:(I)過熱器管子蒸汽側溫度、壓力為採自電廠實測數據值；(2)管子煙氣側溫度、速度、流量數據結合鍋爐設計資料通過熱力計算獲得；(3)管子兩壁面為對流換熱，對流換熱係數由相應計算公式用模擬軟體計算而得；(4)管子初始溫度為初始流體穩態溫度場下的計算數值。
[0018]本發明的應用範圍可涉及如下方面:
[0019]1、火力發電廠有亞臨界參數機組、超臨界參數機組、超超臨界參數機組，火力發電廠均利用蒸汽驅動輪機發電，均存在氧化皮問題；
[0020]2、火力發電廠設備中的鍋爐過熱器、再熱器及其他熱交換器中均存在氧化皮；
[0021]3、非電廠設備中涉及高溫流體熱交換器的情況中存在管道化學反應生長出管道膜的情況；
[0022]4、除COMSOL這種商業軟體其他類似商業軟體,如Ansys、Solidfforks等亦可；
[0023]5、數值模擬的工況海量數據可來自真實情況的採集數據，可來自計算、可來自另一模擬導出數據。
[0024]有益效果:本發明可在瞬態過程模擬獲得不同時間中的模擬結果，對參數快速變化、多個參數變化、參數長時間或超長時間變化的情況更能夠反應真實情況，其中單點的海量數據、多點的海量數據、多點多參數的海量數據能夠真實體現邊界條件獲得更準確的數據。[0025]本發明中的評估方法一方面涉及了瞬態過程氧化皮中溫度、應力分析；另一方面採用實測採集的FCB過程數據，使得評估方法更加真實有效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為數值模擬方法的實施過程及分析過程圖；
[0027]圖2為數值模擬模型示意圖；
[0028]圖3為數據採集點幾何位置示意圖；
[0029]圖4為圖3的局部放大示意圖；
[0030]圖5為鍋爐過熱器I級管的溫度、流量、壓力採集海量數據曲線圖；
[0031]圖6為模擬模型中管道四觀測點處溫度隨時間的變化曲線圖；
[0032]圖7為模擬模型中管道四觀測點處應力隨時間的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合說明書附圖對本發明作進一步的描述。
[0034]參見圖1的數值模擬方法的實施過程及分析過程圖和圖2的數值模擬模型示意圖。
[0035]本發明的超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法實施例，包括以下步驟:
[0036]SI在鍋爐高溫受熱面管子的多個測點上布置測量設備及數據採集設備；
[0037]S2通過測量設備及數據採集設備或電廠SIS系統、MIS系統採集鍋爐高溫受熱面管子多個測點、不同工況、不同時刻的壓力、溫度、流量海量數據並存儲之，為後續模擬分析計算提供模擬的真實條件；
[0038]S3工況採集數據的前處理:將採集到的海量數據在excel (office辦公軟體)中分類處理成隨時間變化的量，作為數值模擬備用文檔；
[0039]S4模擬軟體建立瞬態模型:運用COMSOL軟體建立各數據採集點處管子的物理數學模型，真實描述管子的內部結構特性以及運行環境的工況條件；
[0040]具體為:
[0041]通過建立有限元模型對甩負荷或FCB過程中的鍋爐過熱器管的熱交換和應力瞬態變化情況進行模擬計算，過程中的過熱器管所加載的工況參數採集於電廠鍋爐在甩負荷過程或FCB過程的數據，整個過程為瞬態狀態。
[0042]計算對象
[0043]模擬計算對象以某電廠1000MW超超臨界機組的I級過熱器管子為例，模型結構如圖2。該電廠I級過熱器進口管的材料為T23，其中管子的氧化皮厚30 μ m，與管子基底鋼材接觸的10 μ m為氧化尖晶石結構，位於主體鋼材料和氧化四鐵之間，材料的物性參數見表I。基於過熱器管子的幾何結構對稱和假設所承受熱載荷的對稱特性，選取管子的1/4截面，採用COMSOL軟體建立管子截面的二維熱分析數值模型。
[0044]有限元模型的建立
[0045]通過模擬對象及工況的分析在建立模型前需對模型進行合理化的假設條件。蒸汽側氧化皮一般為雙層結構，外層氧化物以Fe3O4為主，內層氧化物為Fe-Cr尖晶石。整體氧化皮主要成分是Fe304。結合管子屬性和鍋爐實際運行工況，對所建立的模型條件做合理的簡化和假設:(I)基體和氧化皮、各層氧化物界面結合良好，連續且各向同性，不計接觸熱阻，氧化皮沒有出現大面積剝落現象；(2)氧化皮簡化成雙層的Fe3O4和Fe-Cr尖晶石結構，基體和氧化皮界面沒有顯著的顯微變化；(3)高溫受熱面管子在蒸汽側氧化過程中，符合能量守恆定律和質量守恆定量，管子的整體壁厚保持不變；(4)管子外側沒有出現煙氣偏差，煙氣流動場和溫度場均勻；(5)不考慮管子基體、氧化皮疲勞和蠕變等因素。
[0046]模型邊界條件:(I)過熱器管子蒸汽側溫度、壓力為採自電廠實測數據值；(2)管子煙氣側溫度、速度、流量等數據結合鍋爐設計資料通過熱力計算獲得；(3)管子兩壁面為對流換熱，對流換熱係數由相應計算公式在模擬軟體計算而得；(4)管子初始溫度為初始流體穩態溫度場下的計算數值。
[0047]表1各級管子中材料的物性參數
[0048]
【權利要求】
1.一種超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法，其特徵是:包括以下步驟: Si在鍋爐高溫受熱面管子的多個測點上布置測量設備及數據採集設備； S2通過測量設備及數據採集設備或電廠SIS系統、MIS系統採集鍋爐高溫受熱面管子多個測點、不同工況、不同時刻的壓力、溫度、流量海量數據並存儲之； S3工況採集數據的前處理:將採集到的海量數據在excel中分類處理成隨時間變化的量，作為數值模擬備用文檔； S4模擬軟體建立瞬態模型:運用COMSOL軟體建立各數據採集點處管子的物理數學模型，採集數據來自SIS系統的測點數據，真實描述管子的內部結構特性以及運行環境的工況條件； S5模擬結果中應力、溫度等參數在不同位置處數據的導出:將S3處理好的海量數據按照COMSOL軟體要求以時間變量的參數整理輸入至物理數學模型中，計算數值模擬得到結果; S6計算數據的後處理:通過COMSOL軟體後處理功能將關鍵點的相關溫度、壓力、應力數據導出為文件； S7計算數據結果分析:導出文件輸入至origin或excel數據分析軟體中，給出管子氧化皮在不同工況條件下各參數變化曲線；通過數據及其曲線圖進行後續分析或進一步的模擬分析所用。
2.根據權利要求1所述的超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子氧化皮的評估方法，其特徵是:所述的步驟S4具體為: 建立有限元模型，加載的工況參數採集於電廠鍋爐在甩負荷過程或FCB過程的數據，整個過程為瞬態狀態，基於過熱器管子的幾何結構對稱和假設所承受熱載荷的對稱特性，選取管子的1/4截面，採用COMSOL軟體建立管子截面的二維熱分析數值模型； 簡化和假設:(I)基體和氧化皮、各層氧化物界面結合良好，連續且各向同性，不計接觸熱阻，氧化皮沒有出現大面積剝落現象；(2)氧化皮簡化成Fe3O4和Fe-Cr尖晶石的雙層結構，基體和氧化皮界面沒有顯著的顯微變化；(3)高溫受熱面管子在蒸汽側氧化過程中，符合能量守恆定律和質量守恆定量，管子的整體壁厚保持不變；(4)管子外側沒有出現煙氣偏差，煙氣流動場和溫度場均勻；(5)不考慮管子基體、氧化皮疲勞和蠕變等因素； 模型邊界條件:(I)過熱器管子蒸汽側溫度、壓力為採自電廠實測數據值；(2)管子煙氣側溫度、速度、流量數據結合鍋爐設計資料通過熱力計算獲得；(3)管子兩壁面為對流換熱，對流換熱係數由相應計算公式用模擬軟體計算而得；(4)管子初始溫度為初始流體穩態溫度場下的計算數值。
【文檔編號】G06F17/50GK103678813SQ201310698803
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】湛志鋼, 徐齊勝, 熊楊恆, 程婷, 李方勇, 錢堃 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 武漢大學