專利名稱：一種水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電站鍋爐安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過監(jiān)測(cè)少量的水冷壁管內(nèi)特征參數(shù)并利用流動(dòng)傳熱計(jì)算在線判斷水冷壁是否發(fā)生流量脈動(dòng)、壁溫超溫、疲勞蠕變斷裂的安全評(píng)價(jià)技術(shù)。

背景技術(shù)：
超(超)臨界壓力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)是成熟的技術(shù)，具有效率高、排放少、易于調(diào)峰、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是實(shí)際運(yùn)行中，水冷壁熱偏差將導(dǎo)致流量偏差擴(kuò)大，致使偏差管內(nèi)工質(zhì)熱物理性質(zhì)劇烈變化，進(jìn)而產(chǎn)生流量偏差和傳熱惡化，使水冷壁壁溫偏差增大，其危害比亞臨界自然循環(huán)鍋爐的程度嚴(yán)重得多。而傳統(tǒng)的測(cè)量方法由于受到技術(shù)的約束，無法在爐膛設(shè)置大量的測(cè)點(diǎn)，測(cè)量整個(gè)爐膛工況的實(shí)時(shí)變化，且計(jì)算時(shí)依賴大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使得推算的結(jié)果誤差值過大。
因此，應(yīng)針對(duì)性地對(duì)水冷壁運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，利用管內(nèi)流動(dòng)傳熱規(guī)律及少量的測(cè)量參數(shù)對(duì)部件不同位置的實(shí)時(shí)狀態(tài)(溫度、流量、壓力及殘余壽命)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)正確地將狀態(tài)和壽命評(píng)估結(jié)果應(yīng)用到設(shè)備管理決策中，可明顯提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行和依據(jù)狀態(tài)安排檢驗(yàn)與維修管理，全面實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法，該方法能夠在線監(jiān)測(cè)少量的電站鍋爐水冷壁特征參數(shù)(進(jìn)出口流量、溫度、壓力等)作為計(jì)算、校核點(diǎn)，并通過流動(dòng)傳熱計(jì)算在線判斷水冷壁是否發(fā)生流量脈動(dòng)、壁溫超溫、疲勞蠕變斷裂等。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案 一種水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，該方法將電站鍋爐水冷壁特征參數(shù)作為計(jì)算、校核點(diǎn)，在給定負(fù)荷率、節(jié)流方式下，在線計(jì)算各負(fù)荷率下的各回路流量，進(jìn)而計(jì)算出口汽溫、壓力、壁溫，進(jìn)行蠕變、疲勞剩余壽命計(jì)算，并實(shí)時(shí)顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運(yùn)行的依據(jù)，具體包括下列步驟 1)少量測(cè)點(diǎn)的布置 測(cè)點(diǎn)布置的原則是在滿足計(jì)算的情況下采用盡量少的測(cè)點(diǎn)，所得的測(cè)量值部分作為計(jì)算的初始值帶入，部分作為校核值，實(shí)時(shí)對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行修正； 具體的布置方法為在各受熱面上選擇具有代表性的管段，布置少量測(cè)點(diǎn)，即在爐膛下輻射區(qū)、中輻射區(qū)、上輻射區(qū)各受熱面進(jìn)出口集箱兩側(cè)管及中間管附近布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行溫度、流量、壓力測(cè)量；通過測(cè)點(diǎn)能反映出受熱面不同位置吸熱能力、流量分配的不同，將測(cè)量值進(jìn)行插值計(jì)算、加權(quán)處理，作為受熱面不同位置吸熱、流量不均系數(shù)； 2)輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)劃分回路區(qū)段 將管組的各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算軟件，包括管組管子數(shù)量、管長(zhǎng)、傾角、內(nèi)徑、材料、集箱結(jié)構(gòu)； 用鍋爐上原有的溫度、流量、壓力測(cè)點(diǎn)或加裝少量爐外壁溫測(cè)點(diǎn)，每隔一定時(shí)間由計(jì)算軟件采集這些數(shù)據(jù)及必要的鍋爐運(yùn)行參數(shù)； 按結(jié)構(gòu)尺寸和吸熱相差不多的原則，將水冷壁劃分為若干個(gè)計(jì)算回路，在高度方向劃分若干個(gè)區(qū)段，用回路中的一根管的水動(dòng)力特性代表所在回路的水動(dòng)力特性，沿高度各個(gè)區(qū)段的壓降之和即為總壓降，水冷壁系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜的串并聯(lián)回路系統(tǒng)，其中每一面墻的每一輻射區(qū)由若干回路構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，自下而上各個(gè)輻射區(qū)構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)；四面墻組成一個(gè)大的并聯(lián)系統(tǒng)，下公共點(diǎn)可認(rèn)為是水冷壁入口集箱，而上公共點(diǎn)是頂棚出口集箱； 3)在線計(jì)算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力，進(jìn)行水動(dòng)力不穩(wěn)定性評(píng)定 通過逐步計(jì)算，獲得包括節(jié)流元件、局部阻力元件、水冷壁各回路不同流量下的壓降，這樣獲得回路分散點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用四次方切比雪夫多項(xiàng)式擬合，在以獲得的壓降-流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到回路的水動(dòng)力曲線方程；在串聯(lián)系統(tǒng)中，根據(jù)工質(zhì)“流量相等，壓降疊加”的特性，在并聯(lián)系統(tǒng)中，根據(jù)“壓降相等，流量疊加”的特性獲得串、并聯(lián)回路的壓降-流量或流量-壓降數(shù)據(jù)，據(jù)此通過切比雪夫多項(xiàng)式擬合獲得串并聯(lián)系統(tǒng)的水動(dòng)力曲線方程； 4)在線計(jì)算水冷壁壁溫，進(jìn)行壁溫評(píng)定 膜式水冷壁向火正面外壁溫最高，受熱管內(nèi)汽液兩相工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)發(fā)生傳熱惡化時(shí)，其換熱系數(shù)大幅下降，可能導(dǎo)致管壁超溫；用臨界熱負(fù)荷qcr或臨界干度xcr來判別是否出現(xiàn)傳熱惡化； 5)蠕變、疲勞損傷在線壽命評(píng)定 A.受熱面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè) 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)只需監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)壓力，并通過下式計(jì)算求得 σ＝KPPD/2SS 式中，P為工作壓力，MPa；D為管子原始中徑，mm；Ss為管子實(shí)際壁厚，mm；Kp為綜合減弱系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)； 實(shí)際運(yùn)行中，由于腐蝕和磨損，不可避免地存在管子壁厚減薄的現(xiàn)象，為此 Ss＝Sb-Sw-Sn-Sm 式中，Sb為原始壁厚，mm；Sw為外壁腐蝕減薄厚度，mm；Sn為內(nèi)壁腐蝕減薄厚度，mm；Sm為飛灰磨損減薄厚度，mm；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，Sw、Sn、Sm采用水管鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，并根據(jù)鍋爐檢驗(yàn)實(shí)測(cè)壁厚定期校核修正； B.蠕變壽命損傷的評(píng)定 在一定溫度條件下，應(yīng)力σ與蠕變破壞時(shí)間τ存在如下關(guān)系 τ＝Aσ-B 式中，A、B為與鋼種及溫度有關(guān)的常數(shù)，通過恒溫條件下，采用較高的應(yīng)力進(jìn)行短期的試驗(yàn)獲得； 采用蠕變計(jì)算公式，對(duì)于某應(yīng)力，絕對(duì)溫度T、蠕變破壞時(shí)間τ和應(yīng)力σ有如下關(guān)系 T(C+lgτ)＝a0+a1 lgσ+a2 lg2σ+a3 lg3σ 對(duì)于給定材料，可根據(jù)其實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)不同溫度和時(shí)間的材料持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)求出系數(shù)a0、a1、a2、a3和常數(shù)C； 在線監(jiān)測(cè)中，通過實(shí)時(shí)計(jì)算管壁溫度和應(yīng)力，可得到壽命損耗率；對(duì)于蠕變損傷，滿足線性累加原則，即可將壽命損耗率累加，得到總的壽命損耗； C.疲勞損傷的在線壽命評(píng)定 對(duì)部件進(jìn)行疲勞壽命評(píng)價(jià)時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)出部件承受的各種循環(huán)應(yīng)力的幅值，再根據(jù)S-N曲線找出對(duì)應(yīng)的斷裂周次，由下式即得到部件的累積損傷程度 式中ni為各種循環(huán)應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)；Ni為相應(yīng)循環(huán)應(yīng)力的允許循環(huán)次數(shù)，當(dāng)Φ＝1時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了疲勞破壞； 6)在線顯示、記錄數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)記錄計(jì)算數(shù)據(jù)，并存入在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫。
本發(fā)明的水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法所帶來的技術(shù)特點(diǎn)是 1、采用的水動(dòng)力、壁溫、蠕變疲勞損傷計(jì)算方法，能保證方程求解的收斂性，算法精度高，CPU占用?。? 2、能以少量的特征參數(shù)實(shí)時(shí)地在線計(jì)算各回路管段的流量、壁溫、剩余壽命； 3、具有顯示、記錄、統(tǒng)計(jì)功能； 4、實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行和依據(jù)狀態(tài)安排檢驗(yàn)與維修管理，全面實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修。



圖1是回路流量疊加原理圖，其中，圖(a)是并聯(lián)回路流量疊加原理圖，圖(b)是串聯(lián)回路壓降疊加原理圖； 圖2是上下公共點(diǎn)之間的壓降、流量對(duì)應(yīng)關(guān)系圖； 圖3是本發(fā)明的流程圖； 圖4是單管區(qū)段壓降計(jì)算子程序框圖； 圖5是水冷壁水動(dòng)力程序框圖； 為了更清楚地理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

具體實(shí)施例方式 傳統(tǒng)的測(cè)量方法由于受到技術(shù)的約束，無法在爐膛設(shè)置大量的測(cè)點(diǎn)，測(cè)量整個(gè)爐膛工況的實(shí)時(shí)變化；所布置的測(cè)點(diǎn)并不能恰好處在具有最高壁溫的管段上，往往出現(xiàn)管壁超溫的位置沒有監(jiān)測(cè)到的情況；同時(shí)計(jì)算依賴大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使得推算的結(jié)果誤差值過大。
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法，基于少量的管內(nèi)被測(cè)特征參數(shù)動(dòng)態(tài)分析和管內(nèi)流動(dòng)傳熱計(jì)算，在給定負(fù)荷率、節(jié)流方式下(節(jié)流壓降或孔圈阻力系數(shù))，在線計(jì)算各負(fù)荷率下的各回路流量，進(jìn)而計(jì)算出口汽溫、壓力、壁溫，進(jìn)行蠕變、疲勞剩余壽命計(jì)算，并實(shí)時(shí)顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運(yùn)行的依據(jù)，具體包括下列步驟 1、少量測(cè)點(diǎn)的布置 由于受到技術(shù)的約束，無法在爐膛設(shè)置大量的測(cè)點(diǎn)，測(cè)量整個(gè)爐膛工況的實(shí)時(shí)變化，所以，測(cè)點(diǎn)布置的原則是在滿足計(jì)算的情況下采用盡量少的測(cè)點(diǎn)。所得的測(cè)量值部分作為計(jì)算的初始值帶入，部分作為校核值，實(shí)時(shí)對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行修正。
具體的說在各受熱面上選擇具有代表性的管段，布置少量測(cè)點(diǎn)，即在爐膛下輻射區(qū)、中輻射區(qū)、上輻射區(qū)各受熱面進(jìn)出口集箱兩側(cè)管及中間管附近布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行溫度、流量、壓力測(cè)量。通過測(cè)點(diǎn)能反映出受熱面不同位置吸熱能力、流量分配的不同，將測(cè)量值進(jìn)行插值計(jì)算、加權(quán)處理，作為受熱面不同位置(爐膛寬度和高度方向)吸熱、流量不均系數(shù)。
2、輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)劃分回路區(qū)段 將管組的各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算軟件，包括管組管子數(shù)量、管長(zhǎng)、傾角、內(nèi)徑、材料、集箱結(jié)構(gòu)等。
用鍋爐上原有的溫度、流量、壓力測(cè)點(diǎn)或加裝少量爐外壁溫測(cè)點(diǎn)，每隔一定時(shí)間由計(jì)算軟件采集這些數(shù)據(jù)及必要的鍋爐運(yùn)行參數(shù)。
按結(jié)構(gòu)尺寸和吸熱相差不多的原則，將水冷壁劃分為若干個(gè)計(jì)算回路，在高度方向劃分若干個(gè)區(qū)段。用回路中的一根管的水動(dòng)力特性代表所在回路的水動(dòng)力特性，沿高度各個(gè)區(qū)段的壓降之和即為總壓降。水冷壁系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜的串并聯(lián)回路系統(tǒng)，其中每一面墻的每一輻射區(qū)由若干回路構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，自下而上各個(gè)輻射區(qū)構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)。四面墻組成一個(gè)大的并聯(lián)系統(tǒng)，下公共點(diǎn)可認(rèn)為是水冷壁入口集箱，而上公共點(diǎn)是頂棚出口集箱。
3、在線計(jì)算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力，進(jìn)行水動(dòng)力不穩(wěn)定性評(píng)定 通過逐步計(jì)算，獲得個(gè)回路(包括節(jié)流元件、局部阻力元件、水冷壁等)不同流量下的壓降。這樣獲得回路分散點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用四次方切比雪夫多項(xiàng)式擬合，在以獲得的壓降-流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到回路的水動(dòng)力曲線方程。
在串聯(lián)系統(tǒng)中，根據(jù)工質(zhì)“流量相等，壓降疊加”的原則，在并聯(lián)系統(tǒng)中，可以根據(jù)“壓降相等，流量疊加”的原則來獲得串、并聯(lián)回路的壓降-流量或流量-壓降數(shù)據(jù)，據(jù)此通過切比雪夫多項(xiàng)式擬合獲得串并聯(lián)系統(tǒng)的水動(dòng)力曲線方程。對(duì)于直流鍋爐，入口總流量Msum總是已知的，即可求得壓降ΔP。
1)計(jì)算吸熱量 i回路j段單管吸熱量為 Qi，j＝q·ηi·ηj·hi，j·s 其中 q——爐膛平均熱負(fù)荷； ηi，ηj——爐膛寬度和高度方向上的不均勻系數(shù)； hi，j——i回路j段高度； s——管間距。
回路吸熱量為 其中，數(shù)組NOC(i)是i回路的管子根數(shù)。
大回路大區(qū)段吸熱量為 通過選擇不同的i1，i2，j1，j2可以計(jì)算得到任何墻和集箱間的吸熱量。
2)計(jì)算各回路在Gi流量下的摩擦壓降和重位壓降 i回路j段出口焓為 ii，j＝ii，j-1+Qi，j÷Gi ΔPf(i，j)＝f1(P，ii，j-1，ii，j，Gi，Di，hi，j，α) ΔPh(i，j)＝f2(P，ii，j-1，ii，j，Gi，Di，hi，j，α) 鍋爐水冷壁管中加速壓降可忽略，只計(jì)算摩擦壓降和重位壓降。水冷壁有光管和內(nèi)螺紋管組成。
a單相壓降計(jì)算 對(duì)光管，處于旺盛紊流區(qū)單相摩擦系數(shù)為 其中，k為粗糙度，對(duì)于SA213T12，k＝0.008。
ΔPf＝f·(L/Din)·(G2/2)·v 對(duì)于四頭內(nèi)螺紋管，CE公司推薦將光管的摩擦阻力乘以1.66得到內(nèi)螺紋管的摩擦阻力 Kohler給出的內(nèi)螺紋管摩擦阻力計(jì)算公式為 f*＝0.0213+1.01×104/Re1.2 對(duì)于超臨界壓力，單相摩擦壓降計(jì)算公式中的平均比容按各區(qū)段進(jìn)、出口平均焓值選取，即i＝(iin+iout)/2 若i處在(i＝1670kJ/kg～2720kJ/kg)，且在區(qū)段內(nèi)Δi＞210kJ/kg時(shí)，平均比容按下式選取 v＝(vout·iout-vin·iin)/(iin-iout) 單相重位壓降計(jì)算公式為 超臨界壓力時(shí)比容v的選取同上。
b.汽液兩相壓降計(jì)算 文獻(xiàn)中已發(fā)表了許多垂直光管的兩相流摩擦壓降，普遍認(rèn)為Chisholm方法較為準(zhǔn)確。
引進(jìn)兩相壓降倍律φL2 ΦL2＝ΔPf/ΔPL＝1+c/x+1/x2 x2＝ΔPL/ΔPg ΔPL，ΔPg分別為兩相流中液相單獨(dú)流過管道時(shí)的阻力及汽相單獨(dú)流過管道時(shí)的阻力。
ΔPL＝λL(h/Di){[G(1-x)]2/2}vL ΔPg＝λg(h/Di){(Gx)2/2}vg 進(jìn)入旺盛紊流區(qū)后 λL＝λg＝1/{4[lg(3700Di/k)]}2 系數(shù)C值按下式計(jì)算 C＝{λ+(C1-λ)[(vg-vL)/vg]0.5}[(vg/vL)0.5+(vL/vg)0.5] (1).G≤G*＝1500kg/m2·s (粗糙管) 取λ＝1.0，C1＝G*/G，計(jì)算C值。
(2).G＞G*＝1500kg/m2·s ΦL2＝(1+c2/x+1/x2)Ψ Ψ＝(1+c/T+1/T2)/(1+c1/T+1/T2) C2＝(vg/vL)0.5+(vL/vg)0.5 T＝[x/(1-x)](2-n)/2(μL/μg)n/2(vL/vg)1/2 求得φL2后，ΔPf＝ΔPL·ΨL2，從以上計(jì)算過程可以看出，Chisholm方法綜合考慮了物性、質(zhì)量流速的影響。
CE推薦內(nèi)螺紋管中摩擦阻力為光管中的1.66倍，即 Kohler給出的內(nèi)螺紋管汽液兩相摩擦阻力計(jì)算方法如下 R＝(1-x)2+x2(vL/vg)(λg/λL)+6x1.2(1-x)0.41(vg/vL)＝(μg/μL)0.4[1-(μg/μL)]FrL-0.05WoL-0.033 這里FrL＝(G2vL2)/(gDi)，WoL＝(G2DivL)/σλg，λL由以下兩式確定 λg＝0.0213+(1.01×104/Reg1.2) λL＝0.0213+(1.01×104/ReL1.2) Reg＝GDi/μg，ReL＝GDi/μL 兩相區(qū)重位壓降的計(jì)算方法如下 ΔPh＝ρmgh 混合物的密度為

為界面平均含氣率。
截面含氣率和體積含汽率從理論上存在以下關(guān)系 由體積含汽率β和質(zhì)量含汽率x的關(guān)系 β＝1/{1+(vL/vg)[(1-x)/x]} 可得 其中S為汽速和水速之比。
滑速比S為多種計(jì)算方法，現(xiàn)采用電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法 S＝1+(0.4+β2)/(G·vL)0.5·(1-P/221.5) 具體計(jì)算時(shí)，首先確定體積含汽率，進(jìn)而確定滑速比S，求得截面含汽率

，然后求得ρm，即可確定重位壓降ρm。
3)復(fù)雜串并聯(lián)回路水動(dòng)力特性曲線方程 a.單回路的水動(dòng)力特性曲線方程 i回路j段在流量Gi下的出口焓值ii，j為 ii，j＝ii，j-1+Qi，j/Gi 其中，Qi，j——i回路j段的吸熱量。
j段的摩擦壓降ΔPf(i，j，Gi)和重位壓降ΔPh(i，j，Gi)分別為 ΔPf(i，j，Gi)＝f1(P，ii，j-1，ii，j，Gi，Di，j，hi，j) ΔPh(i，j，Gi)＝f2(P，ii，j-1，ii，j，Gi，Di，j，hi，j，2) 在某一級(jí)輻射區(qū)上累加，可得 ΔP(i，Gi)＝ΔPf(i，Gi)+ΔPh(i，Gi) 對(duì)多個(gè)流量重復(fù)以上過程的計(jì)算，就可得到摩擦壓降和重位壓降之和與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過切比雪夫(chebyshev)曲線擬合數(shù)學(xué)處理，即可獲得i回路的水動(dòng)力曲線方程。同時(shí)得到ΔP＝Fi，1(G)和G＝Fi，2(ΔP)，以備后面計(jì)算方便。經(jīng)驗(yàn)表明，四次chebyshev擬合以足夠滿足精度要求。
當(dāng)計(jì)算下輻射區(qū)域時(shí)，必須考慮進(jìn)口節(jié)流壓降和三叉管局部阻力壓降。
其壓降為 ΔP(i，Gi)＝ΔPf(i，Gi)+ΔPh(i，Gi)+ΔPJL(i，Gi)+ΔPSC(i，Gi) b.并聯(lián)回路的水動(dòng)力特性曲線方程 參見圖1(a)，設(shè)并聯(lián)回路由N個(gè)單回路組成，已知入口工質(zhì)的總流量Gsum，入口焓iin和入口壓力Pin。在水冷壁結(jié)構(gòu)已知的情況下，可以認(rèn)為有； ΔP＝f(Gsum，iin，Pin) ΔP——并聯(lián)回路進(jìn)、出口公共點(diǎn)的總壓差。
按單回路水動(dòng)力特性曲線方程的計(jì)算方法，分別求出并聯(lián)回路中的每個(gè)回路在iin和Pin條件下的水動(dòng)力曲線方程。由于各回路并聯(lián)，進(jìn)、出口公共點(diǎn)之間在同一壓降下工作，并聯(lián)回路水動(dòng)力特性曲線可以根據(jù)“壓降相等，流量疊加”原則得到 對(duì)回路i，流量為Gi時(shí)，已知其壓降ΔPi，則并聯(lián)回路中其余回路的流量分別為 G1＝F1，2(ΔPi) G2＝F2，2(ΔPi) GN＝FN，2(ΔPi) 并聯(lián)回路的總流量為 對(duì)其他的Gi計(jì)算就可獲得整個(gè)并聯(lián)回路的ΔP-G數(shù)據(jù)，同樣采用chebyshev擬合，即可獲得并聯(lián)回路的水動(dòng)力曲線方程。
ΔP＝F3(G) 獲得并聯(lián)回路的壓降。
已知的Gsum，由上式即可獲得ΔPsum，同時(shí)也可得到出口處的iout和Pout。
c、串聯(lián)回路的水動(dòng)力特性曲線方程 參見圖1(b)，串聯(lián)系統(tǒng)中，總水動(dòng)力特性曲線可以根據(jù)工質(zhì)“流量相等，壓降疊加”的原則得到。
不論方框代表的是并聯(lián)回路、單回路，還是單管，如圖2所示，已知方框I前的i1，Gsum，P1，依據(jù)單回路的水動(dòng)力特性曲線方程和并聯(lián)回路的水動(dòng)力特性曲線方程的方法，既可求出方框I后的i2，Gsum，P2和方框II后的i3，Gsum，P3，依次類推，便可得到Gsum與多級(jí)串聯(lián)回路的上下公共點(diǎn)之間的壓降的對(duì)應(yīng)關(guān)系。多對(duì)Gsum-ΔP數(shù)據(jù)，即可獲得串聯(lián)回路的水動(dòng)力曲線方程。
4)進(jìn)行水動(dòng)力不穩(wěn)定性評(píng)定 多值性分析是指管屏的水動(dòng)力特性呈三次方曲線，因此對(duì)應(yīng)于一個(gè)壓降有三個(gè)流量，從而造成很大的流量偏差或不穩(wěn)定性，這種流動(dòng)不穩(wěn)定性主要可能發(fā)生于低負(fù)荷時(shí)。通過低負(fù)荷時(shí)擬合出的水動(dòng)力特性曲線判斷是否存在多值性。
脈動(dòng)分析在直流鍋爐和強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的并聯(lián)蒸發(fā)受熱面中，當(dāng)運(yùn)行中遇到各種擾動(dòng)或工況變化時(shí)，使管子的進(jìn)口流量G和出口的蒸汽流量D可能隨時(shí)間發(fā)生周期性的波動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為脈動(dòng)?？梢酝ㄟ^管內(nèi)質(zhì)量流速是否超過界限質(zhì)量流速(ρw)j值進(jìn)行判斷。后者按下式進(jìn)行計(jì)算 式中，(ρwp＝9.8)j-在9.8MPa時(shí)的界限質(zhì)量流速，kg/(m2/s)； Kp-壓力修正系數(shù)，按進(jìn)口阻力系數(shù)ξ和壓力p查得； q-管子內(nèi)壁平均熱負(fù)荷，w/m2； l-管子長(zhǎng)度，m； dn-管子內(nèi)徑，m 4、在線計(jì)算水冷壁壁溫，進(jìn)行壁溫評(píng)定 膜式水冷壁向火正面外壁溫最高。受熱管內(nèi)汽液兩相工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)發(fā)生傳熱惡化時(shí)，其換熱系數(shù)大幅下降，可能導(dǎo)致管壁超溫。用臨界熱負(fù)荷qcr或臨界干度xcr來判別是否出現(xiàn)傳熱惡化。
當(dāng)局部點(diǎn)qn＜qcr或者x＜xcr時(shí)，認(rèn)為不會(huì)發(fā)生傳熱惡化，無需進(jìn)行壁溫校核計(jì)算。對(duì)于欠熱水區(qū)域，也無需進(jìn)行壁溫的校核計(jì)算，當(dāng)qn＞qcr或x＞xcr時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了傳熱惡化，這是需要校核計(jì)算壁溫，看其是否超過安全極限溫度。
對(duì)于光管的臨界熱負(fù)荷采用如下公式計(jì)算 qcr＝22.95[(212-P)·G]0.5·(1-x) 對(duì)于光管的臨界干度采用我國(guó)水動(dòng)力計(jì)算方法推薦的公式計(jì)算 xcr＝(605-2.25P)·(860·qn)-0.7·G0.33 對(duì)于內(nèi)螺紋管的臨界熱負(fù)荷采用公式計(jì)算 qcr＝10.28×(22.115-P)0.5681×G0.5295×(1-x)0.1856 對(duì)于內(nèi)螺紋管的臨界干度采用公式計(jì)算 xcr＝1.414×q-0.234×G0.1451e-0.2087×(p/22.115) 內(nèi)壁熱負(fù)荷qn根據(jù)下式計(jì)算 qn＝0.975·(Dw/Dn)·qLOCAL qLOCAL為向火面外壁熱負(fù)荷，由熱力計(jì)算提供。
各回路各個(gè)區(qū)段向火正面外壁面母線溫度及向火正面內(nèi)壁溫度 tn＝tf+Jn·(β/a)·qn 其中 tf——計(jì)算區(qū)段的流體溫度； Jn——管子正面內(nèi)壁均流系數(shù)； β——管子外徑與內(nèi)徑的比值，β＝Dw/Dn； qn——壁溫計(jì)算點(diǎn)處正面外壁輻射熱負(fù)荷； Jn＝f(Bi，s/Dw)，對(duì)于Jn，根據(jù)我國(guó)水動(dòng)力計(jì)算方法的數(shù)據(jù)采用曲線擬合的方法獲得。
管子正面外壁溫度tw按下式計(jì)算 δ——管壁厚度； λ——管壁導(dǎo)熱系數(shù)； 對(duì)于其處理方法同上。
對(duì)于超臨界及超超臨界流體的管壁溫度計(jì)算，因?yàn)閾Q熱系數(shù)不僅與“當(dāng)?shù)亍绷黧w溫度有關(guān)，還與內(nèi)壁溫度有關(guān)，因此是一個(gè)迭代過程。首先假設(shè)一個(gè)內(nèi)壁溫度，由此計(jì)算換熱系數(shù)，再求內(nèi)壁溫度，當(dāng)兩次內(nèi)壁溫度的相差滿足收斂條件時(shí)，結(jié)束迭代。
5、蠕變、疲勞損傷在線壽命評(píng)定 蠕變是鍋爐高溫受壓元件壽命損傷的主要因素之一。蠕變是金屬材料在高溫工作條件下，即使承受低于屈服極限的恒定應(yīng)力的作用，也會(huì)發(fā)生連續(xù)增長(zhǎng)的永久變形行為。
鍋爐高溫受壓元件壽命損傷另一主要因素是低周疲勞，金屬材料受低于抗拉強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用，經(jīng)歷一定次數(shù)交變循環(huán)后，材料會(huì)萌生裂紋而發(fā)生斷裂。
1)受熱面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè) 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)只需監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)壓力，并通過下式計(jì)算求得。應(yīng)力誤差對(duì)壽命的影響一般遠(yuǎn)小于溫度對(duì)壽命的影響。
σ＝KPPD/2SS 式中，P為工作壓力，MPa；D為管子原始中徑(公稱外徑與內(nèi)徑平均值)，mm；Ss為管子實(shí)際壁厚，mm；Kp為綜合減弱系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)。
實(shí)際運(yùn)行中，由于腐蝕和磨損，不可避免地存在管子壁厚減薄的現(xiàn)象，為此 Ss＝Sb-Sw-Sn-Sm 式中，Sb為原始壁厚，mm；Sw為外壁腐蝕減薄厚度，mm；Sn為內(nèi)壁腐蝕減薄厚度，mm；Sm為飛灰磨損減薄厚度，mm。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，Sw、Sn、Sm采用水管鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，并根據(jù)鍋爐檢驗(yàn)實(shí)測(cè)壁厚定期校核修正。
2)蠕變壽命損傷的評(píng)定 在高溫蠕變條件下，應(yīng)力越大，蠕變進(jìn)行的越快，破壞得越早。試驗(yàn)表明在一定溫度條件下，應(yīng)力σ與蠕變破壞時(shí)間τ存在如下關(guān)系 τ＝Aσ-B 式中，A、B為與鋼種及溫度有關(guān)的常數(shù)，可通過恒溫條件下，采用較高的應(yīng)力進(jìn)行短期的試驗(yàn)獲得。
采用經(jīng)典的蠕變計(jì)算公式(L-M公式)，對(duì)于某應(yīng)力，絕對(duì)溫度T、蠕變破壞時(shí)間τ和應(yīng)力σ有如下關(guān)系 T(C+lgτ)＝a0+a1 lgσ+a2 lg2σ+a3 lg3σ 對(duì)于給定材料，可根據(jù)其實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)不同溫度和時(shí)間的材料持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)求出系數(shù)a0、a1、a2、a3和常數(shù)C。
根據(jù)以上分析，由材料的工作溫度和工作應(yīng)力，可以確定部件在該工作溫度和工作應(yīng)力下的使用壽命。在線監(jiān)測(cè)中，通過實(shí)時(shí)計(jì)算管壁溫度和應(yīng)力，可得到壽命損耗率。對(duì)于蠕變損傷，滿足線性累加原則，即可將壽命損耗率累加，得到總的壽命損耗。
3)疲勞損傷的在線壽命評(píng)定 鍋爐承壓部件在運(yùn)行期間受到的反復(fù)交變應(yīng)力，主要來源于機(jī)組的啟停以及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)壓力和溫度的變化和波動(dòng)。目前常用按疲勞試驗(yàn)破壞前材料所經(jīng)歷的載荷循環(huán)周次的多少對(duì)疲勞進(jìn)行分類。通常，把破壞周次大于104～105次的稱為高周疲勞，低于此界限的稱為低周疲勞。鍋爐設(shè)備在啟停和變負(fù)荷運(yùn)行中產(chǎn)生的熱疲勞多屬于低周疲勞。
疲勞壽命具有統(tǒng)計(jì)特性，因此疲勞壽命估算多是在通過大量試驗(yàn)所建立的疲勞設(shè)計(jì)曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法是在一系列的循環(huán)載荷下，測(cè)得無裂紋光滑試件的相應(yīng)的斷裂次數(shù)，由此獲得應(yīng)力與壽命的關(guān)系(σ-N)曲線或應(yīng)力與壽命(ε-N)曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。對(duì)部件進(jìn)行疲勞壽命評(píng)價(jià)時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)出部件承受的各種循環(huán)應(yīng)力的幅值，再根據(jù)S-N曲線找出對(duì)應(yīng)的斷裂周次，由下式即得到部件的累積損傷程度 式中ni為各種循環(huán)應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)；Ni為相應(yīng)循環(huán)應(yīng)力的允許循環(huán)次數(shù)，當(dāng)Φ＝1時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了疲勞破壞。
6、在線顯示、記錄數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)記錄計(jì)算數(shù)據(jù)，并存入在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，做到狀態(tài)檢修和壽命監(jiān)測(cè)的電廠高科技管理的要求。
圖3是本發(fā)明的流程圖，首先在具有代表性的受熱面管段布置少量的測(cè)點(diǎn)，結(jié)合原有的進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)將鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)劃分回路區(qū)段；接下來通過各個(gè)回路不同流量下的壓降。這樣獲得回路分散點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合，在以獲得的壓降-流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到回路的水動(dòng)力曲線方程，進(jìn)而通過串并聯(lián)方法獲得水冷壁整體水動(dòng)力曲線，然后逆向推導(dǎo)，通過總流量得到總壓降，再通過串并聯(lián)方法得到各串并聯(lián)回路的壓降，進(jìn)而在線計(jì)算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力；在流量出口焓值已知的情況下，進(jìn)一步迭代計(jì)算出水冷壁壁溫；在壓力已知的情況下，計(jì)算管段的實(shí)時(shí)應(yīng)力分布、變化幅值，結(jié)合已知的壁溫參數(shù)，進(jìn)行蠕變、疲勞損傷的評(píng)定；最后將所得的數(shù)據(jù)作為在線顯示和歷史記錄返回?cái)?shù)據(jù)庫。
圖4是單管區(qū)段壓降計(jì)算子程序框圖，它提供了單管中不同流態(tài)的流體的壓降計(jì)算。首先輸入管長(zhǎng)、傾角、內(nèi)徑、流量、壓力等數(shù)據(jù)，判斷是否為超臨界，如果是，直接運(yùn)用超臨界壓降計(jì)算方法計(jì)算壓降；如果不是，則進(jìn)入下一級(jí)程序，依次判斷進(jìn)出口均為兩相，進(jìn)口兩相出口過熱，出口欠熱進(jìn)口過熱，進(jìn)口欠熱，出口兩相等情況，依次運(yùn)用相關(guān)方法計(jì)算壓降。
圖5是水冷壁水動(dòng)力程序框圖，首先讀入設(shè)計(jì)節(jié)流壓降數(shù)據(jù)，然后計(jì)算各個(gè)回路下包括節(jié)流在內(nèi)的分散點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后擬合并聯(lián)回路(各面墻)的水動(dòng)力曲線，接著擬合各串聯(lián)回路(各輻射區(qū))的水動(dòng)力曲線，接著通過各串并聯(lián)回路獲得整個(gè)水冷壁總的水動(dòng)力曲線，然后根據(jù)水冷壁總流量，代到水冷壁水動(dòng)力曲線方程，獲得水冷壁總壓降，然后根據(jù)總壓降，計(jì)算各面墻流量，然后根據(jù)各墻的流量，代入各墻各輻射區(qū)的水動(dòng)力曲線方程，獲得壓降，接著根據(jù)壓降，計(jì)算各回路流量、出口焓值、出口壓力，通過得到各回路流量、出口焓值、出口壓力，可以得到水冷壁壁溫，最后計(jì)算完畢，進(jìn)入下一負(fù)荷的計(jì)算準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
1.一種水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，該方法將電站鍋爐水冷壁特征參數(shù)作為計(jì)算、校核點(diǎn)，在給定負(fù)荷率、節(jié)流方式下，在線計(jì)算各負(fù)荷率下的各回路流量，進(jìn)而計(jì)算出口汽溫、壓力、壁溫，進(jìn)行蠕變、疲勞剩余壽命計(jì)算，并實(shí)時(shí)顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運(yùn)行的依據(jù)，具體包括下列步驟
1)少量測(cè)點(diǎn)的布置
測(cè)點(diǎn)布置的原則是在滿足計(jì)算的情況下采用盡量少的測(cè)點(diǎn)，所得的測(cè)量值部分作為計(jì)算的初始值帶入，部分作為校核值，實(shí)時(shí)對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行修正；
具體的布置方法為在各受熱面上選擇具有代表性的管段，布置少量測(cè)點(diǎn)，即在爐膛下輻射區(qū)、中輻射區(qū)、上輻射區(qū)各受熱面進(jìn)出口集箱兩側(cè)管及中間管附近布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行溫度、流量、壓力測(cè)量；通過測(cè)點(diǎn)能反映出受熱面不同位置吸熱能力、流量分配的不同，將測(cè)量值進(jìn)行插值計(jì)算、加權(quán)處理，作為受熱面不同位置吸熱、流量不均系數(shù)；
2)輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)劃分回路區(qū)段
將管組的各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算軟件，包括管組管子數(shù)量、管長(zhǎng)、傾角、內(nèi)徑、材料、集箱結(jié)構(gòu)；
用鍋爐上原有的溫度、流量、壓力測(cè)點(diǎn)或加裝少量爐外壁溫測(cè)點(diǎn)，每隔一定時(shí)間由計(jì)算軟件采集這些數(shù)據(jù)及必要的鍋爐運(yùn)行參數(shù)；
按結(jié)構(gòu)尺寸和吸熱相差不多的原則，將水冷壁劃分為若干個(gè)計(jì)算回路，在高度方向劃分若干個(gè)區(qū)段，用回路中的一根管的水動(dòng)力特性代表所在回路的水動(dòng)力特性，沿高度各個(gè)區(qū)段的壓降之和即為總壓降，水冷壁系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜的串并聯(lián)回路系統(tǒng)，其中每一面墻的每一輻射區(qū)由若干回路構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，自下而上各個(gè)輻射區(qū)構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)；四面墻組成一個(gè)大的并聯(lián)系統(tǒng)，下公共點(diǎn)可認(rèn)為是水冷壁入口集箱，而上公共點(diǎn)是頂棚出口集箱；
3)在線計(jì)算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力，進(jìn)行水動(dòng)力不穩(wěn)定性評(píng)定
通過逐步計(jì)算，獲得包括節(jié)流元件、局部阻力元件、水冷壁各回路不同流量下的壓降，這樣獲得回路分散點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用四次方切比雪夫多項(xiàng)式擬合，在以獲得的壓降-流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到回路的水動(dòng)力曲線方程；在串聯(lián)系統(tǒng)中，根據(jù)工質(zhì)“流量相等，壓降疊加”的特性，在并聯(lián)系統(tǒng)中，根據(jù)“壓降相等，流量疊加”的特性獲得串、并聯(lián)同路的壓降-流量或流量-壓降數(shù)據(jù)，據(jù)此通過切比雪夫多項(xiàng)式擬合獲得串并聯(lián)系統(tǒng)的水動(dòng)力曲線方程；
4)在線計(jì)算水冷壁壁溫，進(jìn)行壁溫評(píng)定
膜式水冷壁向火正面外壁溫最高，受熱管內(nèi)汽液兩相工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)發(fā)生傳熱惡化時(shí)，其換熱系數(shù)大幅下降，可能導(dǎo)致管壁超溫；用臨界熱負(fù)荷qcr或臨界干度xcr來判別是否出現(xiàn)傳熱惡化；
5)蠕變、疲勞損傷在線壽命評(píng)定
A.受熱面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)
應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)只需監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)壓力，并通過下式計(jì)算求得
σ＝KPPD/2SS
式中，P為工作壓力，MPa；D為管子原始中徑，mm；Ss為管子實(shí)際壁厚，mm；Kp為綜合減弱系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)；
實(shí)際運(yùn)行中，由于腐蝕和磨損，不可避免地存在管子壁厚減薄的現(xiàn)象，為此
Ss＝Sb-Sw-Sn-Sm
式中，Sb為原始壁厚，mm；Sw為外壁腐蝕減薄厚度，mm；Sn為內(nèi)壁腐蝕減薄厚度，mm；Sm為飛灰磨損減薄厚度，mm；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，Sw、Sn、Sm采用水管鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，并根據(jù)鍋爐檢驗(yàn)實(shí)測(cè)壁厚定期校核修正；
B.蠕變壽命損傷的評(píng)定
在一定溫度條件下，應(yīng)力σ與蠕變破壞時(shí)間τ存在如下關(guān)系
τ＝Aσ-B
式中，A、B為與鋼種及溫度有關(guān)的常數(shù)，通過恒溫條件下，采用較高的應(yīng)力進(jìn)行短期的試驗(yàn)獲得；
采用蠕變計(jì)算公式，對(duì)于某應(yīng)力，絕對(duì)溫度T、蠕變破壞時(shí)間τ和應(yīng)力有如下關(guān)系
T(C+lgτ)＝a0+a1 lgσ+a2 lg2σ+a3 lg3σ
對(duì)于給定材料，可根據(jù)其實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)不同溫度和時(shí)間的材料持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)求出系數(shù)a0、a1、a2、a3和常數(shù)C；
在線監(jiān)測(cè)中，通過實(shí)時(shí)計(jì)算管壁溫度和應(yīng)力，可得到壽命損耗率；對(duì)于蠕變損傷，滿足線性累加原則，即可將壽命損耗率累加，得到總的壽命損耗；
C.疲勞損傷的在線壽命評(píng)定
對(duì)部件進(jìn)行疲勞壽命評(píng)價(jià)時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)出部件承受的各種循環(huán)應(yīng)力的幅值，再根據(jù)S-N曲線找出對(duì)應(yīng)的斷裂周次，由下式即得到部件的累積損傷程度
式中ni為各種循環(huán)應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)；Ni為相應(yīng)循環(huán)應(yīng)力的允許循環(huán)次數(shù)，當(dāng)Φ＝1時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了疲勞破壞；
6)在線顯示、記錄數(shù)據(jù)
計(jì)算機(jī)記錄計(jì)算數(shù)據(jù)，并存入在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水冷壁在線安全評(píng)價(jià)方法，首先在各輻射區(qū)具有流動(dòng)傳熱代表性的管段布置少量的測(cè)點(diǎn)，結(jié)合已有的爐外進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)，通過監(jiān)測(cè)少量的電站鍋爐水冷壁管內(nèi)特征參數(shù)作為計(jì)算、校核點(diǎn)，輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，并通過流動(dòng)傳熱規(guī)律在線實(shí)時(shí)計(jì)算該管組所有管子的流量、進(jìn)出口壓力、焓值、沿長(zhǎng)度各段管子的爐內(nèi)壁溫值、應(yīng)力變化幅值等參數(shù)，以判斷是否出現(xiàn)水動(dòng)力不穩(wěn)定性、超溫、蠕變疲勞破壞等不安全因素。計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運(yùn)行的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行和依據(jù)狀態(tài)安排檢驗(yàn)與維修管理，全面實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修。
文檔編號(hào)F22B37/00GK101216164SQ20071030725
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者王樹眾, 趙冉冉, 路 鄭, 佟振霞, 施海華, 煒 裴 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)