專利名稱：一種水冷壁在線安全評價方法
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)測少量的水冷壁管 內(nèi)特征參數(shù)并利用流動傳熱計算在線判斷水冷壁是否發(fā)生流量脈動、壁溫超 溫、疲勞蠕變斷裂的安全評價技術(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、運行穩(wěn)定的特點，但是實際運行中，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 點，測量整個爐膛工況的實時變化，且計算時依賴大量的經(jīng)驗參數(shù)，使得推 算的結(jié)果誤差值過大。
因此，應(yīng)針對性地對水冷壁運行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，利用管內(nèi)流動傳熱 規(guī)律及少量的測量參數(shù)對部件不同位置的實時狀態(tài)(溫度、流量、壓力及殘 余壽命)進(jìn)行評估，及時正確地將狀態(tài)和壽命評估結(jié)果應(yīng)用到設(shè)備管理決策 中，可明顯提高設(shè)備運行的安全性、可靠性，實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運行和依據(jù)狀 態(tài)安排檢驗與維修管理，全面實施設(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價方法，該方法能夠在 線監(jiān)測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 計算、校核點，并通過流動傳熱計算在線判斷水冷壁是否發(fā)生流量脈動、壁 溫超溫、疲勞蠕變斷裂等。為了實現(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價方法，其特征在于，該方法將電站鍋爐水冷壁 特征參數(shù)作為計算、校核點，在給定負(fù)荷率、節(jié)流方式下，在線計算各負(fù)荷 率下的各回路流量，進(jìn)而計算出口汽溫、壓力、壁溫，進(jìn)行蠕變、疲勞剩余 壽命計算，并實時顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運行的依 據(jù)，具體包括下列步驟
1) 少量測點的布置
測點布置的原則是在滿足計算的情況下采用盡量少的測點，所得的測量 值部分作為計算的初始值帶入，部分作為校核值，實時對計算過程進(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 點，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 中間管附近布置測點，進(jìn)行溫度、流量、壓力測量；通過測點能反映出受熱 面不同位置吸熱能力、流量分配的不同，將測量值進(jìn)行插值計算、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)輸入計算軟件，包括管組管子數(shù)量、管長、傾角、 內(nèi)徑、材料、集箱結(jié)構(gòu)；
用鍋爐上原有的溫度、流量、壓力測點或加裝少量爐外壁溫測點，每隔 一定時間由計算軟件采集這些數(shù)據(jù)及必要的鍋爐運行參數(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計算回路， 在高度方向劃分若干個區(qū)段，用回路中的一根管的水動力特性代表所在回路 的水動力特性，沿高度各個區(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)，自下而上各個輻射區(qū)構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)；四面墻組成一個大的并聯(lián)系統(tǒng)，下 公共點可認(rèn)為是水冷壁入口集箱，而上公共點是頂棚出口集箱；3) 在線計算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力，進(jìn)行水動力不穩(wěn)定性評定-.
通過逐步計算，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的數(shù)據(jù)，采用四次方切比雪夫多項式擬 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式擬合獲得串并聯(lián)系統(tǒng)的水動力曲線方程，-
4) 在線計算水冷壁壁溫，進(jìn)行壁溫評定
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)流動時 發(fā)生傳熱惡化時，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 ^或臨界干度l來判別是否出現(xiàn)傳熱惡化；
5) 蠕變、疲勞損傷在線壽命評定 A.受熱面應(yīng)力在線監(jiān)測.-
應(yīng)力在線監(jiān)測只需監(jiān)測實時壓力，并通過下式計算求得
式中，P為工作壓力，MPa; D為管子原始中徑，mm; Ss為管子實際壁 厚，mm; Kp為綜合減弱系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)；
實際運行中，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; S。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)測系統(tǒng)中，Sw、 Sn、 8 1采用水管鍋爐強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，并根據(jù)鍋爐檢驗實測壁厚 定期校核修正；B. 蠕變壽命損傷的評定
在一定溫度條件下，應(yīng)力(T與蠕變破壞時間T存在如下關(guān)系-T = A(fB
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)行短期的試驗獲得；
采用蠕變計算公式，對于某應(yīng)力，絕對溫度T、蠕變破壞時間T和應(yīng)力CT 有如下關(guān)系
對于給定材料，可根據(jù)其實測對應(yīng)不同溫度和時間的材料持久強(qiáng)度數(shù)據(jù) 求出系數(shù)^、 "7、 A、 ^和常數(shù)C;
在線監(jiān)測中，通過實時計算管壁溫度和應(yīng)力，可得到壽命損耗率；對于 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定-
對部件進(jìn)行疲勞壽命評價時，首先統(tǒng)計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)0>=1時，即認(rèn)為發(fā)生了疲勞破壞； 6)在線顯示、記錄數(shù)據(jù).-
計算機(jī)記錄計算數(shù)據(jù)，并存入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。 本發(fā)明的水冷壁在線安全評價方法所帶來的技術(shù)特點是
1、 采用的水動力、壁溫、蠕變疲勞損傷計算方法，能保證方程求解的 收斂性，算法精度高，CPU占用小；
2、 能以少量的特征參數(shù)實時地在線計算各回路管段的流量、壁溫、剩余壽命；
3、 具有顯示、記錄、統(tǒng)計功能；
4、 實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運行和依據(jù)狀態(tài)安排檢驗與維修管理，全面實施設(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2是上下公共點之間的壓降、流量對應(yīng)關(guān)系圖，-
圖3是本發(fā)明的流程圖4是單管區(qū)段壓降計算子程序框圖5是水冷壁水動力程序框為了更清楚地理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實例對本 發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
具體實施例方式
傳統(tǒng)的測量方法由于受到技術(shù)的約束，無法在爐膛設(shè)置大量的測點，測 量整個爐膛工況的實時變化；所布置的測點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)測到的情況；同時計算依賴大量的 經(jīng)驗參數(shù)，使得推算的結(jié)果誤差值過大。
針對上述問題，本發(fā)明的水冷壁在線安全評價方法，基于少量的管內(nèi)被 測特征參數(shù)動態(tài)分析和管內(nèi)流動傳熱計算，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))，在線計算各負(fù)荷率下的各回路流量，進(jìn)而計算出 口汽溫、壓力、壁溫，進(jìn)行蠕變、疲勞剩余壽命計算，并實時顯示、記錄有 關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運行的依據(jù)，具體包括下列步驟-
1、少量測點的布置
由于受到技術(shù)的約束，無法在爐膛設(shè)置大量的測點，測量整個爐膛工況的實時變化，所以，測點布置的原則是在滿足計算的情況下采用盡量少的測 點。所得的測量值部分作為計算的初始值帶入，部分作為校核值，實時對計 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，布置少量測點，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 近布置測點，進(jìn)行溫度、流量、壓力測量。通過測點能反映出受熱面不同位 置吸熱能力、流量分配的不同，將測量值進(jìn)行插值計算、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)輸入計算軟件，包括管組管子數(shù)量、管長、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、壓力測點或加裝少量爐外壁溫測點，每隔 一定時間由計算軟件采集這些數(shù)據(jù)及必要的鍋爐運行參數(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計算回路， 在高度方向劃分若干個區(qū)段。用回路中的一根管的水動力特性代表所在回路 的水動力特性，沿高度各個區(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)，自下而上各個輻射區(qū)構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)。四面墻組成一個大的并聯(lián)系統(tǒng)，下 公共點可認(rèn)為是水冷壁入口集箱，而上公共點是頂棚出口集箱。
3、 在線計算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力，進(jìn)行水動力不穩(wěn)定性評
定
通過逐步計算，獲得個回路(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的數(shù)據(jù)，采用四次方切比雪夫多項 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式擬合獲得串并聯(lián)系統(tǒng)的水 動力曲線方程。對于直流鍋爐，入口總流量M,總是已知的，即可求得壓降 AP。
1) 計算吸熱量 ''回路_/段單管吸熱量為
其中
g——爐膛平均熱負(fù)荷；
7i，7,——^^膛寬度和高度方向上的不均勻系數(shù)； 、——f回路/段高度； s——管間距。 回路吸熱量為
其中!數(shù)組M c(o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^J""，義可以計算得到任何墻和集箱間的吸熱量。
2) 計算各回路在g,流量下的摩擦壓降和重位壓降
;回路y段出口焓為<formula>formula see original document page 11</formula>鍋爐^冷壁管中加速壓降可忽略，只計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單相壓降計算
對光管，處于旺盛紊流區(qū)單相摩擦系數(shù)為
/ =-^r
4(lg(3700A^))2
其中，A:為粗糙度，對于SA213T12， * = 0.008。
對于四頭內(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)螺紋管摩擦阻力計算公式為 /-0.0213 + 1.01xl04/Reu
對于超臨界壓力，單相摩擦壓降計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"(4+U)/2
若z'處在G'-1670fc//JfcgC12720ik//A:g)，且在區(qū)段內(nèi)^'>210^/松時，平均 比容按下式選取
v =("加《.U"4《)
單相重位壓降計算公式為
超臨界壓力時比容v的選取同上。 b.汽液兩相壓降計算
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cK2: = AP, / A 丄=1 + c/jc+1/ △Pl, AP,分別為兩相流中液相單獨流過管道時的阻力及汽相單獨流過
管道時的阻力。
A/^(V,G(l-x)]72h
^Wg 2/2}vg
進(jìn)入旺盛紊流區(qū)后
々"g =l/{4[lg(3700Di /k)]}2
系數(shù)C值按下式計算
C = {A+(Cl -*]。5}一。5 +/《
(1) . G《G*=1500kg/tf s (粗糙管)
取入=1.0, d=G7G,計算C值。
(2) . G>G*=1500 kg/ltf s <D￡2=(1 + c2/jc + 1/x2)
甲=(+c/r+i/t2 )/(i+/r+l/r2)
求得仏2后，A^-A^[ F ，從以上計算過程可以看出，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 AP/ =1.66AP,
Kohler給出的內(nèi)螺紋管汽液兩相摩擦阻力計算方法如下 /Hl-x)2+ (仏)(4/4)+6K(仏)
這里^-(G、2)/(gA)， ^=(G2AVi)Ar 入g，入L由以下兩式確定、=0.0213+(1.01xl04/Regu) XL =0.0213+(1.01xl04/ReL12) Reg,/〃g， Rei-GD無
兩相區(qū)重位壓降的計算方法如下
混合物的密度為
3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;ff和質(zhì)量含汽率x的關(guān)系
- = l/{l+(Vi/Vg
可得.-
5 = l/{l + S(Vi/Vg)[(l-"/x]} 其中S為汽速和水速之比。
滑速比S為多種計算方法，現(xiàn)采用電站鍋爐水動力計算方法.-S = 1+(0.4+y 2) /(G. ^ )0.5. (1—戶/221.5)
具體計算時，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5，然后求得A,即可確定重位壓降A(chǔ)。 3)復(fù)雜串并聯(lián)回路水動力特性曲線方程 a.單回路的水動力特性曲線方程 回路_/段在流量q下的出口焓值^為
其中，0?！?回路/段的吸熱量。
14/段的摩擦壓降A(chǔ)P,(z，y，G,)和重位壓降A(chǔ)^'J，G》分別為 AP,(人乂，q.)-乂(/U,產(chǎn)","q，i^，/^) A^a,G,) = /2(尸，^—,，、，G,， A，,，、，2) 在某一級輻射區(qū)上累加，可得
巧,=2巧("，《) AP"!，G,)^A/U/，力G')
對多個流量重復(fù)以上過程的計算,就可得到摩擦壓降和重位壓降之和與 流量的對應(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z回路的水動力曲線方程。同時得到AP-《,(G)和G-^(AP)，以備后面計 算方便。經(jīng)驗表明，四次chebyshev擬合以足夠滿足精度要求。
當(dāng)計算下輻射區(qū)域時，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
b.并聯(lián)回路的水動力特性曲線方程
參見圖l (a)，設(shè)并聯(lián)回路由W個單回路組成，已知入口工質(zhì)的總流量 G^，入口焓4和入口壓力A。在水冷壁結(jié)構(gòu)已知的情況下，可以認(rèn)為有-
AP——并聯(lián)回路進(jìn)、出口公共點的總壓差。
按單回路水動力特性曲線方程的計算方法，分別求出并聯(lián)回路中的每個 回路在^和&條件下的水動力曲線方程。由于各回路并聯(lián)，進(jìn)、出口公共點 之間在同一壓降下工作，并聯(lián)回路水動力特性曲線可以根據(jù)"壓降相等，流 量疊加"原則得到
對回路"流量為G,時，已知其壓降A(chǔ)^，則并聯(lián)回路中其余回路的流量 分別為并聯(lián)回路的總流量為
對ik的《計算就可獲得整個并聯(lián)回路的AP — G數(shù)據(jù)，同樣采用 chebyshev擬合，即可獲得并聯(lián)回路的水動力曲線方程。
獲得并聯(lián)回路的壓降。
已知的G^，由上式即可獲得Ai乙，同時也可得到出口處的L和尸w。 c、串聯(lián)回路的水動力特性曲線方程
參見圖1 (b)，串聯(lián)系統(tǒng)中，總水動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前的夂,G^，i ，依據(jù)單回路的水動力特性曲線方程和并聯(lián)回路的水動力 特性曲線方程的方法，既可求出方框I后的^，G，，i^和方框n后的^G，，g， 依次類推，便可得到C^與多級串聯(lián)回路的上下公共點之間的壓降的對應(yīng)關(guān) 系。多對G，一AP數(shù)據(jù)，即可獲得串聯(lián)回路的水動力曲線方程。
4)進(jìn)行水動力不穩(wěn)定性評定
多值性分析是指管屏的水動力特性呈三次方曲線，因此對應(yīng)于一個壓 降有三個流量，從而造成很大的流量偏差或不穩(wěn)定性，這種流動不穩(wěn)定性主 要可能發(fā)生于低負(fù)荷時。通過低負(fù)荷時擬合出的水動力特性曲線判斷是否存 在多值性。
脈動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)運行中 遇到各種擾動或工況變化時，使管子的進(jìn)口流量G和出口的蒸汽流量D可能隨時間發(fā)生周期性的波動，這種現(xiàn)象被稱為脈動?？梢酝ㄟ^管內(nèi)質(zhì)量流速 是否超過界限質(zhì)量流速(PW)j值進(jìn)行判斷。后者按下式進(jìn)行計算 (^v)乂 =4.62x10—9 A^(^" f
式中，(Pw^"j —在"9.8MPa時的界限質(zhì)量流速，kg/(m2/s);
Kp —壓力修正系數(shù)，按進(jìn)口阻力系數(shù)g和壓力p査得；
q —管子內(nèi)壁平均熱負(fù)荷，w/m2;
1 一管子長度，m;
dn —管子內(nèi)徑，m
4、在線計算水冷壁壁溫，進(jìn)行壁溫評定
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)流動時 發(fā)生傳熱惡化時，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 l或臨界干度^來判別是否出現(xiàn)傳熱惡化。
當(dāng)局部點^<^或者^<^時，認(rèn)為不會發(fā)生傳熱惡化，無需進(jìn)行壁溫 校核計算。對于欠熱水區(qū)域，也無需進(jìn)行壁溫的校核計算，當(dāng)^^^或;o^ 時，認(rèn)為發(fā)生了傳熱惡化，這是需要校核計算壁溫，看其是否超過安全極限 溫度。
對于光管的臨界熱負(fù)荷采用如下公式計算 ^ = 22.95[(212-外G了5.(l-x)
對于光管的臨界干度采用我國水動力計算方法推薦的公式計算 = (605 - 2.25P) (860. ^廣7. G033
對于內(nèi)螺紋管的臨界熱負(fù)荷采用公式計算 L = 10.28x(22.115-尸f柳xG°5295 x(l-;c)01856
對于內(nèi)螺紋管的臨界干度采用公式計算
JC= 1.414 X "掘X G。 "51^貓(W22"5)
內(nèi)壁熱負(fù)荷《"根據(jù)下式計算&=0.975.(/)*//) ).《歸
^^w為向火面外壁熱負(fù)荷，由熱力計算提供。
各回路各個區(qū)段向火正面外壁面母線溫度及向火正面內(nèi)壁溫度
/n
其中
f,——計算區(qū)段的流體溫度； / ——管子正面內(nèi)壁均流系數(shù)；
——管子外徑與內(nèi)徑的比值，"-化/A; &——壁溫計算點處正面外壁輻射熱負(fù)荷；
7 =/W,s/Z)w)，對于厶，根據(jù)我國水動力計算方法的數(shù)據(jù)采用曲線擬 合的方法獲得。
管子正面外壁溫度C按下式計算
,w ^"+!7-"(y/義)[2p/(/ +i)]
5——管壁厚度；
義—管壁導(dǎo)熱系數(shù)；
對于:7 = /(^,，; /^),其處理方法同上。
對于超臨界及超超臨界流體的管壁溫度計算，因為換熱系數(shù)不僅與"當(dāng) 地"流體溫度有關(guān)，還與內(nèi)壁溫度有關(guān)，因此是一個迭代過程。首先假設(shè)一 個內(nèi)壁溫度，由此計算換熱系數(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，結(jié)束迭代。
5、蠕變、疲勞損傷在線壽命評定
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，也會發(fā)生連續(xù) 增長的永久變形行為。
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，材料會萌生裂紋而發(fā) 生斷裂。
1) 受熱面應(yīng)力在線監(jiān)測
應(yīng)力在線監(jiān)測只需監(jiān)測實時壓力，并通過下式計算求得。應(yīng)力誤差對壽 命的影響一般遠(yuǎn)小于溫度對壽命的影響。
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為管子實際壁厚，mm; Kp為綜合減弱系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)。
實際運行中，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 - Sfl — 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)測系統(tǒng)中， Sn、 Sm采用水管鍋爐強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，并根據(jù)鍋爐檢驗實測壁厚 定期校核修正。
2) 蠕變壽命損傷的評定
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。試驗表 明在一定溫度條件下，應(yīng)力CT與蠕變破壞時間T存在如下關(guān)系
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)行短期的試驗獲得。
采用經(jīng)典的蠕變計算公式(L-M公式)，對于某應(yīng)力，絕對溫度T、蠕 變破壞時間T和應(yīng)力(J有如下關(guān)系
r(C+lg r) = a0 + q lg <t+a2 lg2 o"+fl3 lg3 <r
對于給定材料，可根據(jù)其實測對應(yīng)不同溫度和時間的材料持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)求出系數(shù)^、 "/、 "2、 A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)測中，通過實時計算管壁溫度和應(yīng)力， 可得到壽命損耗率。對于蠕變損傷，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定
鍋爐承壓部件在運行期間受到的反復(fù)交變應(yīng)力，主要來源于機(jī)組的啟停 以及變負(fù)荷運行時壓力和溫度的變化和波動。目前常用按疲勞試驗破壞前材 料所經(jīng)歷的載荷循環(huán)周次的多少對疲勞進(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)計特性，因此疲勞壽命估算多是在通過大量試驗所建立 的疲勞設(shè)計曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。傳統(tǒng)的試驗方法是在一系列的循環(huán)載荷 下，測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 (O"N)曲線或應(yīng)力與壽命(e~N)曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。對部件進(jìn)行疲 勞壽命評價時，首先統(tǒng)計出部件承受的各種循環(huán)應(yīng)力的幅值，再根據(jù)S-N曲 線找出對應(yīng)的斷裂周次，由下式即得到部件的累積損傷程度.-
式中rii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)。=1時，即認(rèn)為發(fā)生了疲勞破壞。 6、在線顯示、記錄數(shù)據(jù)
計算機(jī)記錄計算數(shù)據(jù)，并存入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，做到狀態(tài)檢修和壽命監(jiān) 測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 點，結(jié)合原有的進(jìn)出口測點將鍋爐運行數(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；接下來通過各個回路不同流量下的壓降。這樣獲得回路分 散點的數(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)一步迭代計算出水冷壁壁溫；在壓力已知的情況下，計算管段的實時應(yīng)力 分布、變化幅值，結(jié)合已知的壁溫參數(shù)，進(jìn)行蠕變、疲勞損傷的評定；最后 將所得的數(shù)據(jù)作為在線顯示和歷史記錄返回數(shù)據(jù)庫。
圖4是單管區(qū)段壓降計算子程序框圖，它提供了單管中不同流態(tài)的流體 的壓降計算。首先輸入管長、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，直接運用超臨界壓降計愈方法計算壓降；如果不是，則進(jìn) 入下一級程序，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，依次運用相關(guān)方法計算壓降。
圖5是水冷壁水動力程序框圖，首先讀入設(shè)計節(jié)流壓降數(shù)據(jù)，然后計算 各個回路下包括節(jié)流在內(nèi)的分散點數(shù)據(jù)，然后擬合并聯(lián)回路(各面墻)的水 動力曲線，接著擬合各串聯(lián)回路(各輻射區(qū))的水動力曲線，接著通過各串 并聯(lián)回路獲得整個水冷壁總的水動力曲線，然后根據(jù)水冷壁總流量，代到水 冷壁水動力曲線方程，獲得水冷壁總壓降，然后根據(jù)總壓降，計算各面墻流 量，然后根據(jù)各墻的流量，代入各墻各輻射區(qū)的水動力曲線方程，獲得壓降， 接著根據(jù)壓降，計算各回路流量、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，最后計算完畢，進(jìn)入下一 負(fù)荷的計算準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
1、一種水冷壁在線安全評價方法，其特征在于，該方法將電站鍋爐水冷壁特征參數(shù)作為計算、校核點，在給定負(fù)荷率、節(jié)流方式下，在線計算各負(fù)荷率下的各回路流量，進(jìn)而計算出口汽溫、壓力、壁溫，進(jìn)行蠕變、疲勞剩余壽命計算，并實時顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運行的依據(jù)，具體包括下列步驟1)少量測點的布置測點布置的原則是在滿足計算的情況下采用盡量少的測點，所得的測量值部分作為計算的初始值帶入，部分作為校核值，實時對計算過程進(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，布置少量測點，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點，進(jìn)行溫度、流量、壓力測量；通過測點能反映出受熱面不同位置吸熱能力、流量分配的不同，將測量值進(jìn)行插值計算、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)輸入計算軟件，包括管組管子數(shù)量、管長、傾角、內(nèi)徑、材料、集箱結(jié)構(gòu)；用鍋爐上原有的溫度、流量、壓力測點或加裝少量爐外壁溫測點，每隔一定時間由計算軟件采集這些數(shù)據(jù)及必要的鍋爐運行參數(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計算回路，在高度方向劃分若干個區(qū)段，用回路中的一根管的水動力特性代表所在回路的水動力特性，沿高度各個區(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)，自下而上各個輻射區(qū)構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)；四面墻組成一個大的并聯(lián)系統(tǒng)，下公共點可認(rèn)為是水冷壁入口集箱，而上公共點是頂棚出口集箱；3)在線計算管段蒸汽流量、出口焓值、壓力，進(jìn)行水動力不穩(wěn)定性評定通過逐步計算，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的數(shù)據(jù)，采用四次方切比雪夫多項式擬合，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式擬合獲得串并聯(lián)系統(tǒng)的水動力曲線方程；4)在線計算水冷壁壁溫，進(jìn)行壁溫評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)流動時發(fā)生傳熱惡化時，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定A.受熱面應(yīng)力在線監(jiān)測應(yīng)力在線監(jiān)測只需監(jiān)測實時壓力，并通過下式計算求得σ＝KPPD/2SS式中，P為工作壓力，MPa；D為管子原始中徑，mm；Ss為管子實際壁厚，mm；Kp為綜合減弱系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)；實際運行中，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)測系統(tǒng)中，Sw、Sn、Sm采用水管鍋爐強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，并根據(jù)鍋爐檢驗實測壁厚定期校核修正；B.蠕變壽命損傷的評定在一定溫度條件下，應(yīng)力σ與蠕變破壞時間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)行短期的試驗獲得；采用蠕變計算公式，對于某應(yīng)力，絕對溫度T、蠕變破壞時間τ和應(yīng)力有如下關(guān)系T(C+lgτ)＝a0+a1lgσ+a2lg2σ+a3lg3σ對于給定材料，可根據(jù)其實測對應(yīng)不同溫度和時間的材料持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)求出系數(shù)a0、a1、a2、a3和常數(shù)C；在線監(jiān)測中，通過實時計算管壁溫度和應(yīng)力，可得到壽命損耗率；對于蠕變損傷，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定對部件進(jìn)行疲勞壽命評價時，首先統(tǒng)計出部件承受的各種循環(huán)應(yīng)力的幅值，再根據(jù)S-N曲線找出對應(yīng)的斷裂周次，由下式即得到部件的累積損傷程度<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Φ</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><mfrac> <msub><mi>n</mi><mi>i</mi> </msub> <msub><mi>N</mi><mi>i</mi> </msub></mfrac><mo>≤</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math></maths>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，即認(rèn)為發(fā)生了疲勞破壞；6)在線顯示、記錄數(shù)據(jù)計算機(jī)記錄計算數(shù)據(jù)，并存入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水冷壁在線安全評價方法，首先在各輻射區(qū)具有流動傳熱代表性的管段布置少量的測點，結(jié)合已有的爐外進(jìn)出口測點，通過監(jiān)測少量的電站鍋爐水冷壁管內(nèi)特征參數(shù)作為計算、校核點，輸入計算機(jī)計算處理，并通過流動傳熱規(guī)律在線實時計算該管組所有管子的流量、進(jìn)出口壓力、焓值、沿長度各段管子的爐內(nèi)壁溫值、應(yīng)力變化幅值等參數(shù)，以判斷是否出現(xiàn)水動力不穩(wěn)定性、超溫、蠕變疲勞破壞等不安全因素。計算結(jié)果實時顯示、記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷水冷壁是否安全運行的依據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運行和依據(jù)狀態(tài)安排檢驗與維修管理，全面實施設(shè)備狀態(tài)檢修。
文檔編號F22B37/38GK101551650SQ20091002249
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者侯付明, 宮自愛 申請人:陜西盛世輝煌智能科技有限公司