[优秀毕业论文]电站锅炉后屏过热器壁温计算及爆管研究.doc
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1、毕 业 论 文 作 者: 学 号: 系 : 动力工程 专 业: 热能与动力工程 题 目: 电站锅炉后屏过热器壁温计算 及爆管研究 指导者: (姓 名) (专业技术职务) 评阅者: (姓 名) (专业技术职务) 2007 年 6 月 东北电力大学本科毕业论文 摘 要 近年来,我国的火力发电机组逐渐向大容量方向发展。由于锅炉蒸汽参数的不断 提高,过热器和再热器系统受热面积越来越大,设计和布置日趋复杂,不可避免地导 致并联各管内的流量与吸热量发生差异。过热器受热面中的工质是高温高压的蒸汽, 而受热面又处于烟气温度较高的区域,工作条件比较恶劣。因而受设计、制造、运行 等诸多方面因素的影响,过热器受热面
2、经常发生超温现象,严重时发生爆管事故。目 前,大型电站锅炉爆管事故(BFT)已成为当前威胁发电设备稳定运行的突出矛盾,而 且随着旧机组服役时间的增加及新机组投产量和参数的提高,这类事故还有逐年上升 的趋势,是影响安全发供电的主要因素。研究和防止过热器爆管已成为保证火电厂安 全经济运行和提高经济效益的关键课题之一。 本文以研究了爆管问题为主,对电站燃煤锅炉过热器超温、爆管的问题进行了综 合研究,通过对过热器系统的热偏差理论的研究,详细分析了造成过热器超温、爆管 的原因,给出了预防过热器超温、爆管的方法,并结合一台具体的锅炉,计算了在不 同煤种、不同负荷的情况下其后屏几个危险点的管壁温度,建立了壁
3、温与负荷的关系, 提出了锅炉安全工作的负荷及燃料限制,并提出了技术改造方案。现场的热力实验印 证了技术改造方法的可行性。 关键词:过热器、超温、爆管、壁温计算、技术改造 摘 要 I ABSTRACT In recent years, thermal generator unit capacity rased more and more in china. With steam parameter in boiler increased continuously,heating surface area of superheater and reheater became bigger and
4、bigger, and the design and arrangement became more and more complex, and these lead to the flow and heat absorption capacity difference in parallel tubes unavoidably. Because the mediator working in the superheater are high temperature and high pressure steam, and the heating surfaces are in the hig
5、h temperature fume area, so the working condition is bad. Overtmperature, even tube explosion in the heating surface of superheater always happen because of many elements in design, manufacture and operation.At present, tube explosion of power station (BTF become an important problem influencing the
6、 safe of the power station operation. And with the increase of the time on active service of old units and improvement of operation amount and parameter on new units, this kind of accident has trend of rising year by year, and is the main factor influencing the safe of the operation. So, study on pr
7、eventing tube explosion become one of the key subjects on power plant safe economical operation and increasing economic efficiency. The research developed on the overtemperature and tube explosion of superheater in power plant and analysed the reason of overtemperature and tube explosion of superhea
8、ter by the research on heat deviation coefficient and gave the precaution. The author has,calculated some dangerous points while using different coals and running under different load condition ,established the mathematic relation on wall temperature with load, and proposed the limit of load and fue
9、l for safe work and given the technological transformation methods to solve these problems and proved the feasibility of the methods by the analysis of field thermal performance of the boiler. KeyKey WordsWords: superheater, overtemperature, tube explosion, thermal calculation, technological transfo
10、rmation 东北电力大学本科毕业论文 II 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACTABSTRACT.II 目目 录录.III 第第 1 章章 绪绪 论论1 1.1 课题的选题背景1 1.2 国内外研究的现状1 1.3 壁温计算3 第第 2 章章 过热器系统的热偏差理论分析过热器系统的热偏差理论分析5 2.1 热力不均匀性6 2.1.1 沿烟道宽度的热力不均匀性.6 2.1.2 沿烟道高度(或深度)的热力不均匀性.7 2.1.3 同屏(片)各管的热力不均匀性7 2.2 水力不均匀性8 2.2.1 集箱效应引起的流量不均匀性8 2.2.2 管子结构差异引起的流量分配不均匀性.8 2.2.3
11、热效流动引起的流量分配不均匀性.8 第第 3 章章 受热面超温爆管原因及预防措施综述受热面超温爆管原因及预防措施综述9 3.1 设计原因造成受热面超温、爆管原因综述9 3.1.1 热力计算结果与实际不符.9 3.1.2 炉膜选型不当.9 3.1.3 过热器系统结构设计及受热面布置不合理.9 3.1.4 壁温计算方法不完善,导致材质选用不当10 3.2 制造工艺、安装及检修质量对受热面超温、爆管的影响 10 3.2.1 联箱中间隔板焊接问题11 3.2.2 联箱管座角焊缝问题11 3.2.3 异种钢管的焊接问题11 3.2.4 普通焊口质量问题.11 3.2.5 管子弯头椭圆度和管壁减薄问题.1
12、2 3.2.6 异物堵塞管路.12 3.2.7 管材质量问题.12 3.3 调温装置设计不合理或不能正常工作引起的受热面超温爆管的分析12 3.3.1 减温水系统设计不合理.13 3.3.2 喷水减温器容量不合适.13 3.3.3 文氏管式喷水减温器端部隔板漏流及局部涡流.13 3.3.4 喷水减温器调节阀调节性能问题.14 3.3.5 再热器调节受热面.14 3.3.6 挡板调温装置.14 目 录 III 3.3.7 烟气再循环.14 3.3.8 火焰中心的调节.15 3.4 锅炉运行状况影响受热面超温、爆管的几种情况简介15 3.4.1 炉内然烧工况.16 3.4.2 高压加热器投入率低.
13、16 3.4.3 煤种的差异.16 3.4.4 负荷变化.17 3.4.5 汽机高压缸排汽温度降低.17 3.4.6 受热面站污.17 3.4.7 磨损与腐蚀.17 3.4.8 运行管理.18 3.5 预防过热器管壁超温的方法18 3.5.1 结构措施18 3.5.2 运行措施.19 第第 4 章章 热偏差和壁温计算热偏差和壁温计算24 4.1 热偏差系数的计算24 4.1.1 结构偏差系数的计算.24 4.1.2 吸热偏差的计算.24 4.1.3 水力偏差系数的计算26 4.2 壁温计算.30 第第 5 5 章章 屏式过热器结果分析及应用屏式过热器结果分析及应用35 5.1 计算结果35 5
14、.2 计算结果应用 37 5.2.1 锅炉安全工作的负荷及燃料限制.37 5.2.2 预防超温的技术方案.37 结结 论论40 致致 谢谢41 参考文献参考文献42 东北电力大学本科毕业论文 - 0 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题的选题背景 改革开放的20年是我国电力工业大发展时期,到2000 年底全国发电装机容量达到 3.19亿kW,年发电量达到13685 亿kWh, 成为世界上第二大电力生产国。随着我国电力 工业的发展, 火力发电机组的容量不断增大, 电站锅炉过热器超温爆管、泄漏的问题 也日益严重, 影响了发电厂的安全、稳定和经济运行。由此引起的非计划停运时间占总 停运时间的20%
15、左右,少发电量占总少发电量的25%左右。 所以分析锅炉过热器爆管的 机理及原因, 监测过热器的管壁温度, 从根本上采取措施减少过热器由于管壁超温引 起的爆管。 对于发电机组安全经济运行是非常重要的一项工作1。 目前,大型电站锅炉爆管事故(BTF)已成为当前威胁发电设备稳定运行的突出矛盾。 据统计,“七五”期间全国 200MW 以上机组共发生锅炉事故 1976 次,其中锅炉爆漏事故 为 1417 次,占锅炉事故的 72%2 。在锅炉爆管事故中过热器爆管造成的事故损失最大, 而且随着旧机组服役时间的增加及新机组投产量和参数的提高,这类事故还有逐年上升 的趋势,是影响安全发供电的主要因素。 锅炉过热
16、器、再热器及省煤器既是受热面又是承压部件。而过热器是锅炉承压部件 中工作温度最高的受热面,管内流过的是高温高压蒸汽,其传热性能较差,而管外又是 高温烟气,所处环境恶劣,因此损坏事故的比例非常大。因此,研究和防止过热器爆管 已成为保证火电厂安全经济运行和提高经济效益的关键课题。了解过热器爆管事故的直 接原因和根本原因,搞清管子失效的机理,并提出预防措施,减少过热器爆管的发生是 当前的首要问题。 1.2 国内外研究的现状 造成过热器爆管的直接原因很多, 而其中最主要的是设计因素、制造安装检修和运 行。 而设计因素中有圆燃烧方式本身所固有的缺陷。四角切圆燃烧的炉内旋转上升气流 由炉膛出口进入对流烟道
17、时, 存在相当强的残余旋转, 引起对流烟道两侧的烟速差和 第 1 章 绪 论 - 1 - 烟温差, 使烟道内热负荷分布不均, 从而导致过热器超温爆管。设计选用系数不合理。 如华能上安电厂由B 外壁氧化皮110mm ,又使管壁减薄,因此爆 管频繁18。燃煤灰分高。如山东十里泉电 东北电力大学本科毕业论文 - 2 - 厂的SG400/140-M413型锅炉, 燃煤灰分高达37.11% ,长期运行造成磨损爆管19。高压 加热器投入率低。如江西景德镇电厂SG220-100-1 型煤粉炉的高压加热器长期投用不正 常, 给水温度为150160, 一直未达到设计要求的215, 使过热蒸汽温度升高, 造成超温
18、爆管20。 国际上已经对锅炉爆管机理有了很深研究,可分为22种故障机理,并且已有19种都 已查明并彻底解决,但有三种机理在当时是不能有效地、彻底地解决。这三种机理是: 发生在水冷壁水侧和省煤器管的腐蚀疲劳爆管, 发生在超临界机组水冷壁烟气侧管壁最 高热流量段的环形裂纹以及飞灰磨损。进一步分析表明可用率提高的障碍不是技术问题, 而是管理和经济问题,研究人员发现, 电厂人员经常是不接触技术的管理,很难断定事 故机理。 而结合我国电站锅炉过热器爆管事故实际, 把电站锅炉过热器爆管归纳为以下 9 种不同的机理:长期过热、短期过热、磨损、汽侧的氧腐蚀、应力腐蚀裂纹、热疲劳、 高温腐蚀、异种金属焊接、质量
19、控制失误【2123】。 1.3 壁温计算 大容量锅炉的分隔屏与后屏过热器的传热计算关系着锅炉的汽温特性以至锅炉的变 负荷性能。正确的理论计算方法应能客观反映锅炉在变负荷、改变各层燃烧器投入方式 等条件下的实际运行规律。 关于后屏过热器壁温计算方法分别在以下文献有所涉及: 文献24中对屏式过热器的壁温计算方法进行了分析研究,通过对比,采用了一种 更为严格的数值计算方法,并且编制了壁温数值计算程序。将屏式过热器各离散化为小 单元,按工质流动顺序逐次计算小单元的热负荷,进而求出壁温分布,对屏式过热器入 口进行二维离散,考虑影响管子传热的结构、位置、流动等偏差因素。该方法便于在计 算机上实现快速准确的
20、管壁温度计算预测。 文献25用了与文献23基本一致的方法对电站锅炉对流过热器的壁温进行了改进。 文献26提出了大容量锅炉屏式过热器传热计算新方法,不仅能突出屏式过热器传 热过程的实际规律,而且计算简便。对一些重要的细节进行了比较详细的理论分析。 文献27提出了原苏联热力计算标准 第 1 章 绪 论 - 3 - (1973 年)73 法的壁温计算提出了其中许多不足并且提出了修改意见并编制了计算程序。 东北电力大学本科毕业论文 - 4 - 第 2 章 过热器系统的热偏差理论分析 过热器和再热器长期安全工作的首要条件是其金属壁温不超过材料的最高允许温度。 然而,要满足这一条件是有一定难度的,这是因为
21、过热器和再热器中工质的温度最高, 受热面的热负荷也相当高,而蒸汽的放热系数却较小,故其管壁温度很高,已接近钢材 的最高允许温度。运行时,由于热偏差或汽温变化等原因,可能使个别管子因壁温过高 或者超过允许温度而损坏。过热器和再热器的管壁温度与其并列管子间的热偏差密切相 关。所谓热偏差指过热器和再热器管组中因各根管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负 荷可能不同而引起的每根管子中的蒸汽焓增不同的现象28。热偏差的程度可用热偏差系 数来衡量,即 (2-1) 0 h hp 式中:热偏差管(所检测管子)中工质的焓增,kJ/kg; p h 管组中工质的平均焓增,kJ/kg。 0 h 由于工质的焓增是由管子外壁
22、所受到的热负荷 Q、受热面积 H 以及管子内部工质流 量 G 所决定,因此可以得到热偏差系数的公式为:在式(21)中,和可表示为: p h 0 h kgkJ G Fq h p pp p /, kgkJ G Fq h/, 0 00 0 式中:分别为偏差管外壁面热负荷,kJ/(m2s),受热面积,m2,及工质流 ppp GFq、 量,kg/s; 分别为管组外壁面热负荷,kJ/(m2s),受热面积,m2,及工质流量, 000 GFq、 kg/s。 于是,有: (22) G Fq p pp GGF F q q 000 / 1 吸热不均匀系数; q 第 2 章 过热器系统的热偏差理论分析 - 5 - 结
23、构不均匀系数; F 流量不均匀系数。 G 由于过热器和再热器并列工作的管子间的受热面积差别不大,所以结构不均匀系数 基本上近似于 1,因根据式(22),产生热偏差的主要原因是吸热不均和流量不均。显 F 然,对于过热器来说,最危险的将是热负荷较大而蒸汽流量又较小,因而其汽温又较高 的那些管子。 2.1 热力不均匀性 在实际运行过程中,由于结构设计和运行中的诸多因素的影响,过热器和再热器受 热面的不同管排及同一管排的不同管圈的热负荷存在着很大的差别,使各管圈的吸热量 不同,这种现象称为热力不均匀性。它主要包括三方面:沿烟道宽度的热力不均匀性; 沿烟道高度(或深度)的热力不均匀性;同屏(片)各管的热
24、力不均匀性。 2.1.1 沿烟道宽度的热力不均匀性 我国的大容量电站锅炉大多采用四角布置切圆燃烧方式,这种燃烧方式的特点是在 炉内按一假想切圆组织燃烧,在炉内燃烧器区域形成一个稳定的旋转大火球。各个角的 煤粉气流喷入炉内受到上游已燃高温旋转火焰的点燃而迅速着火,因此着火条件良好, 煤种适应性较广,几乎可以成功的燃用各种固体燃料。炉内的强烈旋转使煤粉气流的后 期湍流混合仍然十分强烈,煤粉燃尽条件也较理想。 但是,四角切圆燃烧也存在其固有的缺点33-36。由于炉内旋转上升气流在炉膛出口 还存在相当强的残余旋转强度,故在对流烟道内会对其热负荷分布产生不利影响。当四 角切圆燃烧器的四股射流中出现一角或
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