電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法
2023-10-10 23:08:49 3
專利名稱：電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電站鍋爐技術領域的方法，具體是一種電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法。
背景技術：
近年來，我國發電行業的高速發展，超臨界和超超臨界發電機組大量投運，鍋爐等級、溫度、壓力等參數隨著提升。目前金屬材料已經用到了接近最高耐溫等級，相應的材料在應力超溫方面的裕量越來越小，運行中多項因素都會引起超溫現象，還引發了由於材料超溫造成的管內氧化皮的生成過快並脫落引起堵塞爆管等問題。鍋爐爆管事故不但會造成上千萬元的直接經濟損失，導致管組壽命大幅度減小，而且還存在連續爆管的隱患。為了消除電站鍋爐過熱器和再熱器管系在運行中因管壁超溫引起的爆管，以及延緩管內氧化皮生成速度和脫落可控以及延長管系的使用壽命，更好地實現電站鍋爐爐內管系的狀態檢修， 急需提出一種電站鍋爐過熱器和再熱器管系內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，對電站鍋爐過熱器和再熱器管系的實時在線運行情況、動態壁溫、金屬應力強度超溫範圍、管內氧化皮生成情況進行實時監測。其經濟利益、節能減排及運行可靠性要求突出而且迫切，與我國12. 5規劃中國家能源建設密切相關。經對現有的技術文獻檢索發現①專利申請名稱一種檢測鍋爐彎管內氧化皮堆積量的方法，專利申請號 200910226739. 3，專利公開號CN 101782420，該技術自述包括下述步驟(1)現場擇取樣品；( 模擬現場，在樣管一端加入氧化皮；(3)磁化處理；(4)測出剩磁磁場強度值；(5)遞加氧化皮；(6)重複步驟(3)、步驟(4) ； (7)重複步驟(5)、步驟(6) ； (8)建立關係曲線圖； (9)現場檢測，磁化處理；(10)測出剩磁磁場強度值B; (11)使用關係曲線圖對照被檢測彎管，查出現場被檢測的鍋爐彎管內的氧化皮堆積量。首先，該技術的應用範圍很有限，其僅對已經生成的管內氧化皮堆積量進行檢測， 而沒有技術措施減緩氧化皮生成的功能。其次，該技術無法實現在線動態監測。第三，該技術無法對馬氏體鋼管進行檢測。②專利申請名稱一種超臨界鍋爐高溫受熱面管內氧化皮探測儀及探測方法，專利申請號201010019498. 8，專利公開號=CN 101750011A，該技術自述探測方法是通過測量探頭和基準探頭分別把來自受檢管的待測部位和無氧化皮部位的磁信號轉化為電壓信號，該兩個電壓信號經放大電路放大後通過減法器獲得差值電壓信號，由A/D轉換器將差值電壓信號轉化為數位訊號，該數位訊號由單片機處理後送到顯示器顯示。該技術的應用範圍很有限，其僅對停運的鍋爐上對管內氧化皮作出量化的探測， 並沒有對運行中鍋爐的管內氧化皮進行監測。③專利申請名稱超臨界鍋爐高溫管內氧化皮堵塞在線預警裝置及預警方法，專利申請號201010522422. 7，專利公開號CN 10205^62A，該技術自述包括依次信號連接的溫度傳感器、數據採集器、數據分析系統、預警控制器和報警設備，所述溫度傳感器分布在鍋爐出口集箱附近的各個高溫管道上。由於超臨界鍋爐管壁溫度與管內氧化皮堵塞存在強烈的耦合關係，當管道的溫度偏差大於預先設定值S 1和壁溫變化率大於預先設定值 δ 2時，即可以預測該管道發生氧化皮堵塞，從而發出堵塞預警信號。該預警裝置還可以顯示超臨界鍋爐不同高溫管屏管壁溫度及其變化率的實時數據、歷史數據，同時兼有超溫報警、趨勢報警的功能。該技術利用這些測點所測量的溫度與管內氧化皮堵塞作藕合關係來監測氧化皮堵塞的方法效率是不高的。因為(1)電站鍋爐中一個管組具有上千甚至幾千根管子，不可能每根管子上裝設測點。如果沒有正確選擇這些測點的布置位置和安裝方法，這些測點的代表性就不高，正好測到溫度最高的氧化皮堵塞管子的概率是很低的。(2)沒有對一個管組中所有管子爐內各計算管段的汽溫和壁溫進行全覆改的準確計算，不可能監測到各根管子內壁氧化皮生成的速率和厚度。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的不足和缺陷，提出一種電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法。本發明實現過熱器和再熱器管系管內氧化皮生成實時動態計算監測，實現了電站鍋爐過熱器和再熱器管系的安全、經濟運行，並為鍋爐的狀態檢修提供了直接的數據支持。本發明是通過以下技術方案實現的本發明包括以下步驟步驟1、從現場爐內壁溫系統在線計算資料庫讀取實時金屬壁溫和應力數據；步驟2、讀取步驟1的實時數據，計算管子內壁工質的邊界層溫度；步驟3、讀取步驟1的實時數據，計算金屬內壁氧化加劇溫度和金屬內壁氧化加劇
溫度裕量；步驟4、讀取步驟1的實時數據，計算管內氧化皮實時生成厚度；步驟5、分離出爐內各監測點的金屬內壁氧化加劇溫度裕量和管內氧化皮實時生成厚度數據存入匯總資料庫，動態統計和顯示爐內各監測點的當前金屬內壁氧化加劇溫度裕量、管內氧化皮厚度和當前管段材料和規格，並按照排序自動生成直觀的分布圖表和列表；步驟6、各監測管段的氧化頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化時間、管內氧化皮厚度的分布情況顯示。其中步驟1所述的實時金屬壁溫和應力數據，是指高溫受熱面管系各計算監測點的實時金屬壁溫和應力數據。步驟1所述的讀取實時金屬壁溫和應力數據，方法如下①建立與現場實時爐內壁溫系統所提供的爐內各管系的管段數據表結構相應的實時資料庫表結構；②利用現場實時爐內壁溫系統所提供的爐內各管系的實時金屬壁溫和應力數據的資料庫地址，通過API接口，實時讀取到已建立的本地伺服器資料庫中。步驟2中所述的內壁工質邊界層溫度tbj為
tbj = tb-β qmXRbj/2其中，tb為管壁熱阻均分點的管壁溫度；β為管子外徑與內徑之比；qm為監測點管子的外壁沿周界最大熱負荷；Rbj為管子內壁工質邊界層熱阻。步驟3中所述的金屬內壁氧化加劇溫度裕量tyy為tyy = tyj-tbj式中，tyj為金屬內壁氧化加劇溫度；tbj為管子內壁工質邊界層溫度。所述的金屬內壁氧化加劇溫度，是指決定於金屬的材質和鋼材的熱處理過程的溫度。金屬成分中耐高溫合金元素鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、釩(V)和鈮(Nb)等成分含量高， 以及晶粒細的鋼材，金屬內壁氧化加劇溫度tyj值高。同時管子內壁經過細晶粒或噴丸等處理的鋼材(例如super 304H鋼材)，tyj值也比未經處理的鋼材高。步驟4中所述的管內氧化皮實時生成厚度是指在線監測系統的兩個動態計算時間段τ內，管子的內壁氧化皮實時生成厚度δρ為δ ρ = (2KXe(Q/EtbJ) )°·5ΧΡ°·07Χ τ0'5式中Ρ為鍋爐運行壓力；tbj為內壁工質邊界層溫度；τ為計算的時間間隔；K、 Q、R為與材料有關的特性參數，鋼材金屬成分中耐高溫合金元素鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、 釩(V)和鈮(Nb)等成分含量高，以及晶粒細的鋼材，K值和Q值減小，R值則基本不變，為 8. 314J/kmol 左右。步驟5中所述的動態統計爐內各監測點的金屬內壁氧化加劇溫裕量和管內氧化皮實時生成厚度數據，是按照排序自動生成直觀的分布圖表和列表，其步驟如下①按各管組屏號為橫坐標、以氧化加劇頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化加劇時間、 管內氧化皮厚度為縱坐標，以散點矢量圖和列表的方式顯示前100 800管段的氧化加劇頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化加劇時間、管內氧化皮厚度的分布圖和列表；②當滑鼠放到各散點上時出現滑鼠響應框，內容為該管段的部位、材料規格及氧化加劇頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化加劇時間和管內氧化皮厚度。步驟5中所述的存入匯總資料庫，是指把管內氧化皮生成加速報警的管段，按照報警時間、溫度裕量記入資料庫，以及把爐內各監測管段的管內氧化皮實時生成厚度的計算數值累計加入資料庫，形成歷史資料庫。步驟5中所述的動態統計和顯示，是指用戶在「管內氧化監測報警」菜單中選擇不同的管組進入後，看到的是歷史中發生過管內氧化加劇的管段的抗氧化允許溫度的報警溫度、報警時長、最高壁溫、該管段的管內氧化皮厚度和當前管段的材料和規格。本發明在計算出金屬內壁氧化加劇溫度和管內氧化皮實時生成厚度時，現有技術對鍋爐過熱器再熱器運行安全性計算中，沒有爐內各點內壁氧化皮生成厚度和氧化皮生成速度加劇溫度的計算，而在現代大容量、高參數鍋爐的實踐經驗表明，許多超溫和爆管事故都是管內氧化皮生成的速度過高所引起。本發明是根據實時運行的鍋爐壓力和溫度，在線動態計算爐內各點管子的內壁蒸汽邊界層溫度，邊界層溫度與材料的氧化加劇溫度相比較得出氧化皮生成速度加劇溫度裕量，採用內壁蒸汽邊界層溫度與材料的氧化加劇溫度相比較得出氧化皮生成速度加劇溫度裕量，是因為在管子內壁蒸汽的邊界層中，蒸汽與材料的熱量交換和質量交換最為劇烈。在這一層中，蒸汽中的A與管壁金屬中的狗反應生成!^e3O4和I^e2O3的反應也最為劇烈。本發明為了消除和減緩電站鍋爐過熱器和再熱器管系在運行中因為管內氧化皮生成速度的加快和脫落造成的爆管和對停爐檢修時對管內氧化皮的狀態管理提供數據支持，可以延長高溫管系的使用壽命。本發明根據實時爐內壁溫系統的實時在線運行情況、動態壁溫、金屬應力強度超溫範圍，對管內氧化皮生成進行計算，給出電站鍋爐延長管系的使用壽命的管系內氧化皮減緩生成和脫落控制的措施。本發明與現有技術相比，具有顯著的技術效果和技術進步(1)本發明通過在線報警的方式，避免了在鍋爐運行過程中爐內管段因溫度過高造成管內氧化皮生成加劇現象的發生；( 本發明通過每分鐘2次在線計算的方式，精確的得到各監測管段的管內氧化皮累積厚度，避免了停爐離線割管檢查，同時便於管內氧化皮的管理；(3)本發明根據累積的管內氧化皮厚度數據，可自動給出管內氧化皮預防運行中脫落部位和方案措施，實現了電廠對管內氧化皮的狀態檢修。本發明實現了過熱器和再熱器管系爐內管內氧化皮生成在線計算和在線監測，能夠延緩管內氧化皮生成速度和脫落可控以及延長管系使用壽命的技術效果；解決了當前我國的電站鍋爐技術領域急需解決的重大的技術難題，避免電站鍋爐因為管內氧化皮脫落堵管引起的爆管，給企業、給國家造成的巨大的直接經濟損失。具體效益指標如下①啟停爐效益分析以一臺鍋爐每年減少一次非停、每次停爐搶修6天、負荷率 60%、發電利潤按0. 1元/kWh計算的經濟效益為(以下數據不包括電網對非停事故的罰款)容減少啟停損失多發電量減少經濟損失
1000MW超超臨界鍋爐^^O萬元8640萬kWh 944萬元
660Mff超超臨界鍋爐55萬元5703萬kffh625. 3萬元
600Mff亞超臨界鍋爐—50萬元5184萬kWh568· 4萬元
300Mff亞臨界鍋爐25萬元2592萬kWh284. 2萬元 ②避免降參數運行在節能減排方面的經濟效益以1000MW機組為例，設計供電煤耗為^Og/kWh。按照BMCR、主蒸汽和再熱蒸汽同時降溫15°C，平均負荷為75% BMCR，年運行7000小時計算
項目年減少量經濟效f
節煤(標煤) 11812噸 1181萬元廠循環熱效率降低0.75%-0.8% _③電廠因延長過熱器再熱器高溫管屏使用壽命的經濟效益以一臺600MW鍋爐為例，鍋爐鋼材總重25000噸，受壓部件重7500噸。其中高溫管屏高級耐溫合金鋼的重量為四30噸，造價超過1億元人民幣，其設計壽命為10萬小時。 以延長高溫管屏的使用壽命2萬小時計算，經濟效益超過2千萬人民幣，也是非常可觀的。 2007年，從日本進口的HR3C、SUPER304H兩種管材價格漲價三倍，達到每噸30萬元以上，因此更加需要通過精心運行延長其使用壽命，提高經濟效益。④社會效益我國電廠因鍋爐發生爆管的事故很多(進口鍋爐，例如某電廠自美國i^osterwheeler公司進口的600MW鍋爐前屏式過熱器熱器、北侖電廠自美國CE公司進口的600MW鍋爐末級再熱器和末級過熱器，以及另一個某電廠自美國B&W公司進口的600麗鍋爐屏式過熱器)。據統計，全國每年發生的過熱器再熱器爆管有幾百起。如果採用本發明就可防止事故發生，經濟效益將是非常巨大的，並且可避免因鍋爐超溫引起的爆管停電所造成的地區經濟損失，特別是在夏冬季用電高峰季節，其社會效益和間接經濟效益更為顯
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圖1為本發明實施步驟方框示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例本實施例為某發電廠1000MW超超臨界電站鍋爐，高溫再熱器管系採用圖1所示的實施步驟方框示意圖。本實施例1000MW超超臨界鍋爐高溫再熱器共有44片屏，每片屏有M根管子。共計1056根管子，計算6336個計算點。本實施例包括以下步驟第一步從現場實時爐內壁溫系統資料庫讀取高溫受熱面管系各計算監測點的實時金屬壁溫和應力數據；根據爐內實時壁溫系統的爐內各管系的管段數據表結構，建立對應的實時資料庫表結構。再根據現場實時爐內壁溫系統所提供的爐內各管系的實時金屬壁溫和應力數據資料庫地址，通過API接口，以每分鐘2次的時間間隔實時讀取到已建立的本地伺服器資料庫中。第二步根據步驟1讀取的實時金屬壁溫和應力數據，計算管子內壁工質的邊界層溫度；管子內壁工質的邊界層溫度tbj = tb-^qmXRbj/2其中，tb為讀取的管壁熱阻均分點的管壁溫度；β為管子外徑與內徑之比；qm為監測點管子的外壁沿周界最大熱負荷；Rbj為管子內壁工質邊界層熱阻。本實施例1000MW超超臨界電站鍋爐高溫再熱器6336個計算點的爐內管壁熱阻均分點壁溫的計算值範圍在570 660°C之間。第三步根據內壁工質的邊界層溫度，計算管子金屬內壁氧化加劇溫度和金屬內壁氧化加劇裕量。管子金屬內壁氧化加劇裕量tyy = tyj-tbj其中，tyj為金屬內壁氧化加劇溫度；tbj為管子內壁工質邊界層溫度。本實施例1000MW超超臨界電站鍋爐高溫再熱器6336個計算點的內壁工質邊界層
8溫度tbj計算值範圍在565 650°C之間。各種金屬內壁氧化加劇溫度tyj主要決定於金屬的材質和鋼材的熱處理過程。金屬成分中耐高溫合金元素鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、釩 (V)和鈮(Nb)等成分含量高，以及晶粒細的鋼材，金屬內壁氧化加劇溫度tyj值高。同時管子內壁經過細晶粒或噴丸等處理的鋼材(例如super 304H鋼材)，tyj值也比未經處理的鋼材高。本實施例1000MW超超臨界電站鍋爐高溫再熱器管屏所使用的鋼材為T92、HR3C和 Super304H三種。在本實施例中分別取這三種鋼材的金屬內壁氧化加劇溫度tyj為620°C、 665 °C 和 650 °C ο本實施例對各種耐溫鋼材按它們不同熱處理情況所確定的金屬內壁氧化加劇溫度tyj見下表
權利要求
1.一種電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1、從現場爐內壁溫系統在線計算資料庫讀取實時金屬壁溫和應力數據；步驟2、讀取步驟1的實時數據，計算管子內壁工質的邊界層溫度；步驟3、讀取步驟1的實時數據，計算金屬內壁氧化加劇溫度和金屬內壁氧化加劇溫度裕量；步驟4、讀取步驟1的實時數據，計算管內氧化皮實時生成厚度；步驟5、分離出爐內各監測點的金屬內壁氧化加劇溫度裕量和管內氧化皮實時生成厚度數據存入匯總資料庫，動態統計和顯示爐內各監測點的當前氧化加劇溫度裕量、管內氧化皮厚度和當前管段材料和規格，並按照排序自動生成直觀的分布圖表和列表；步驟6、各監測管段的氧化頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化時間、管內氧化皮厚度的分布情況顯示。
2.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟1所述的實時金屬壁溫和應力數據，是指高溫受熱面管系各計算監測點的實時金屬壁溫和應力數據。
3.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟1所述的讀取實時金屬壁溫和應力數據，方法如下①建立與現場實時爐內壁溫系統所提供的爐內各管系的管段數據表結構相應的實時資料庫表結構；②利用現場實時爐內壁溫系統所提供的爐內各管系的實時金屬壁溫和應力數據的資料庫地址，通過API接口，實時讀取到已建立的本地伺服器資料庫中。
4.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟2中所述的內壁工質邊界層溫度為tbj = tb-^qmXRbj/2其中，tb為管壁熱阻均分點的管壁溫度；j為一管壁熱阻均分點；β為管子外徑與內徑之比；qm為監測點管子的外壁沿周界最大熱負荷；Rbj為管子內壁工質邊界層熱阻。
5.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟3中所述的金屬內壁氧化加劇溫度裕量為tyy = tyj-tbj式中，tyj為金屬內壁氧化加劇溫度；tbj為管子內壁工質邊界層溫度。
6.根據權利要求1或者5所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟3中所述的金屬內壁氧化加劇溫度，是指決定於金屬的材質和鋼材的熱處理過程的溫度，金屬成分中耐高溫合金元素鎳、鉻、鉬、釩和鈮成分含量高、晶粒細的鋼材金屬，內壁氧化加劇溫度就高；管子內壁經過細晶粒或噴丸處理的鋼材，該鋼材金屬內壁氧化加劇溫度也高也比未經處理的鋼材高。
7.根據權利要求6所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，8、根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟4中所述的管內氧化皮實時生成厚度是指在線監測系統的兩個動態計算時間段τ內，管子的內壁氧化皮實時生成厚度δρ為δρ = (2KXe(Q/EtbJ))°-5XP°-07X τ0.5式中Ρ為鍋爐運行壓力；tbj為內壁工質邊界層溫度；τ為計算的時間間隔，每60秒為一次間隔；K、Q、R為與材料有關的特性參數。
8.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟5中所述的爐內各監測點的金屬內壁氧化加劇溫度裕量和管內氧化皮實時生成厚度數據，按照排序自動生成直觀的分布圖表和列表，其步驟如下①按各管組屏號為橫坐標、以氧化加劇頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化加劇時間、管內氧化皮厚度為縱坐標，以散點矢量圖和列表的方式顯示前100 800管段的氧化加劇頻次、 氧化加劇溫度裕量、氧化加劇時間、管內氧化皮厚度的分布圖和列表；②當滑鼠放到各散點上時出現滑鼠響應框，內容為該管段的部位、材料規格及氧化加劇頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化加劇時間和管內氧化皮厚度。
9.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟5中所述的存入匯總資料庫，是指把管內氧化皮生成加速報警的管段，按照報警時間、溫度裕量記入資料庫，以及把爐內各監測管段的管內氧化皮實時生成厚度的計算數值累計加入資料庫，形成歷史資料庫。
10.根據權利要求1所述的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，其特徵是，步驟5中所述的動態統計和顯示，是指用戶在「管內氧化監測報警」菜單中選擇不同的管組進入後，看到的是歷史中發生過管內氧化加劇的管段的抗氧化允許溫度的報警溫度、報警時長、最高壁溫、該管段的管內氧化皮厚度和當前管段的材料和規格。
全文摘要
一種電站鍋爐技術領域的電站鍋爐管系管內氧化皮減緩生成和脫落可控的方法，步驟如下從現場資料庫讀取實時金屬壁溫和應力數據；計算管子內壁工質的邊界層溫度；計算金屬內壁氧化加劇溫度和金屬內壁氧化加劇溫度裕量；計算管內氧化皮實時生成厚度；動態統計和顯示爐內各監測點的當前氧化加劇溫度裕量、管內氧化皮厚度和當前管段材料和規格，以及各監測管段的氧化頻次、氧化加劇溫度裕量、氧化時間、管內氧化皮厚度的分布情況顯示。本發明能夠準確給出電站鍋爐高溫管系各監測管段的管內氧化皮生成情況和生成原因，並可通過運行調整和預警措施，實現減緩氧化皮生成和對脫落預防，避免爆管給企業和國家造成巨大損失。
文檔編號F22B37/38GK102494327SQ20111042601
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者王孟浩, 王衡 申請人:上海望特能源科技有限公司