过热蒸汽温度变化对锅炉经济和安全影响研究

( 535e ~ 565e )求机组的循环效率、标准煤耗如图
1、图 2所示。可见在额定温度附近, 随主蒸汽温度
的升高循环效率逐渐增大、标准煤耗逐渐降低。
图 2 过热蒸汽温度变化对标准煤耗影响
2 蒸汽温度调节的安全性
211 过热器管受力及寿命分析 现在过热器设计寿命一般为 2 @105 小时。当
运行壁温超过规定上限温度, 导致钢的蠕变极限和 持久强度下降, 高温性能变差, 最终导致爆管。过热 器超温分 为长期过热和短期过 热两种 [ 4 ] 。长期过 热是指超温温度不大的情况下金属材料长时间在应 力和超温温度的作用下导致爆管。短期过热则是金 属在短期内因温度升高而在应力作用下爆破, 其超 温一般在 45e 以上, 甚至超过了钢管材质临界点下 Ac1。短期过热情况发生时, 如果减温水系 统反应 迅速, 减温水量足 够的话, 可 以控制过热器 管壁超 温。这里主要讨论过热汽温超温对金属材料寿命的 影响。
摘 要: 在分析了电厂锅炉蒸汽温度的变化规律基础上, 定量计算了过热蒸汽温度变化对机组 经济性和安全性的影响。以 300 MW 燃煤电站锅炉计算表明: 主蒸汽温度从 535e 上升到 565e 时, 机组标准煤耗由 341120 g/ kW# h下降到 337170 g/ kW# h; 主蒸汽温度在正常运行温度 550e 基 础上每天超温 2小时, 当超温 1e 运行一年后机组主蒸汽管道平均理论寿命减少 37 h, 当超温 15e 运行一年后机组主蒸汽管道平均理论寿命将减少 1 183 h。
见图 4, 其中内外壁温差 $ t = 01247e , 管外蒸汽热 流密度为 1 850 J/ ( s# m2 ), 工质侧对流换热系数为 1 040 W / ( m2# e ), 弹 性模量 1175 @1011, 泊松比 013, 管壁导热系数为 34(W /m# e ), 介质计算压力 为 17MPa。从应力云 图可以得 出, 对于干 净的管 子, 正常内外壁的温差不到 1e , 也决定了总应力中 热应力处于次要地位, 以汽压产生的机械应力为主。 图中反应管段入口处总应力为 4018 MPa。根据平 均理论寿命公式 [ 5] 。
耗的变化。
Gd
=
h1 h1
-
h2 h3
( 1)
bcp =
1 23 Gb Gp Ge
( 2)
式中 Gd ) ) ) 循环效率, % ;
h1 ) ) ) 过热蒸汽 的初 始温 度对 应的 焓值, kJ/ k g;
h2 ) ) ) 汽轮机做功后主蒸汽的焓值 kJ/ kg; bcp ) ) ) 标准煤耗 g/ kW h; h3 ) ) ) 冷凝后主蒸汽的焓值 kJ/kg;
蒸汽 参数: 过热 蒸汽 初压 p1 = 17 MP a, 背 压 p2 = 5 MPa, 初温 T1 = 550e 。温度变化过程, 锅炉效率 为 0193, 管道热效率为 0199, 汽轮机效率为 019, 机
械效率为 01995, 发电机效率为 01988, 而且保持不
变。计算主蒸汽温度变化时, 机组循环效率、标准煤
蒸汽温度是大型燃煤机组控制的主要参数, 对 机组的经济性和安全性影响很大, 是锅炉安全、经济 运行的主要参数之一。锅炉蒸汽温度升高会引起受 热面金属材料超温, 金属的热强度下降而破坏; 而汽 温下降, 又将影响机组朗肯循环的效率 [ 1 - 2 ] 。机组 负荷在 60% ~ 100% 额定负荷甚至 30% ~ 100% 额
收稿日期 2010- 05- 12 修订稿日期 2010- 06 - 08 作者简介: 丁利 ( 1985~ ), 男, 硕士研究生, 主要从事锅炉研究。
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定负荷范围内, 要求其蒸汽温度维持额定值, 偏差在 - 10~ + 5e 范围。
在锅炉运行过程中, 影响蒸汽温度变化的因素 很多, 包括烟气侧的燃料性质、过量空气系数、燃烧 器运行方式等, 蒸汽侧的影响因素有锅炉负 荷、减 温水量、给水温度等 [ 3] 。所以正 常运行时, 汽温也 难免波动, 必须采取非常有效的调温措施才能保证 汽温符合要求。
关键词: 锅炉; 过热蒸汽温度; 循环效率; 标准煤耗; 使用寿命 中图分类号: TK222 文献标识码: A 文章编号: 1002- 6339 ( 2010) 04- 0294- 03
R esearch on E ffects of C hange of Superh ea ted Steam T em pera ture on the Boiler E conom ic and Secur ity
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图 6 主蒸汽超温对蒸汽管道寿命的影响
由图 5可见, 在额定温度附近, 过热蒸汽温度的 变化对金属材料寿命的影响呈指数函数分布, 随温 度的升高, 管子的平均理论寿命逐渐降低, 且超温越 大, 变化趋势越平缓。图 6中可以看出, 机组在额定 工况下每天超温运行 2 h, 一年后蒸汽管道的平均理 论寿命减少明显。且超温引起的主蒸汽管道寿命变 化也呈指数函数分布。超温越大, 管道的平均理论 寿命减少趋势越快。超温 1e , 材 料平均理论寿命 减少 37 h; 到 超温 15e , 材 料平 均理 论寿 命减 少 1 183 h。因此, 为 保障机组稳定 安全运行, 必须采 取必要的调温措施减少超温现象发生。
lg( t /105 ) = lg( R510 /Rzs ) / ( R810 /R2 @105 ) ( 3) 式中 t) ) ) 平均理论时间, h;
Rzs ) ) ) 工作应力, MPa; R510 ) ) ) 一定温 度 下 105 h 持 久 强 度平 均 值, MP a; R2 @105 ) ) ) 一定温度下 2 @105 h持久强度平 均值, MP a。 当 T1 = 550e , Rzs = 4313 MP a时, R510 = 68MPa, R2 @105 = 58 MPa, 代入公式 ( 3) 得: 平均理论寿命 t= 714 716 h。在主蒸汽压力几乎不变的情况下, 机 械应力几乎不变, 但在蒸汽温度变化后, 管子的许用 应力发生变化, 平均理论寿命发生变化。过热蒸汽 温度的改变对金属材料寿命的影响见图 5。 以正常 运 行 工 况 550e 为 准, 机 组 每 天 超温
Gb ) ) ) 锅炉效率, % ; Gp ) ) ) 管道热效率, % ;
Ge ) ) ) 绝对电效率, % 。 当初始过热蒸汽温度 T1 = 550e 时, 由公式 ( 1)
得: G1 = 44148% , 以初始过热蒸汽额定温度 550e 为基准, 上下 各升高 或降低 15e 的 变化的 范围内
1e , 即在 551e 下运行 2 h, 一年后 (按 365天计算 ) 机组的平均理论寿命将减少 37 h。在此基础上, 计 算其他超温环境下机组运行一年后的平均理论寿命 减少情况如图 6所示。
图 5 蒸汽温度与主蒸汽管道寿命关系
213 有限元计算及结果分析 通过有限元软件 Ansys, 绘得过热器管应力场
( 2)计算分析得出, 随温度的升高, 主蒸汽管道 平均理论寿命逐渐减少, 超温越大, 减少方向上的变 化趋势越平缓。机组在正常运行工况 550e 下每天 超温运行 2 h, 一年后金属材料理论寿命减少显著, 变化规律呈指数分布。且超温越大, 相对于正常运 行时, 管道的 平均 理论 寿命 减少 趋势越 快。超 温 1e , 材料平均理论寿命减少 37h; 到超温 15e , 材
本文运用 Ansys软件对蒸汽温度变化下的过热
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器管进行机械应力和热应力分析, 并计算分析过热 蒸汽温度变化对电厂机组运行的经 济性和安全性 影响。
1 蒸汽温度调节的经济性
对应于具有过热的朗肯循环, 主蒸汽温度下降,
则吸热过程的平均有效温度 T1 降低, 放热过程的平 均有效温度 T2 不变, 循环热效率 G= 1- TT 21, 必然降 低, 导致热耗增大。以某电厂 300 MW 机组为例, 其
图 3 有限元模型
图 1 过热蒸汽温度变化对循环效率影 响
图 4 过热器管应力场
212 计算有限元模型以及网格划分 运用 Ansys软件有限元计算分析蒸汽温度变化
对过热蒸汽管应力的影响。为了简化计算, 假设沿 着管子的轴向没有轴向温差, 且管子内外壁所受的
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热载荷是轴对称分布的。这样, 就可以建立二维平 面模型来计算管子的温度场和应力场。有限元模型 及网格划分如图 3 所示。该过热器管子材料为 12 Cr2Mo, 最大应力值位于入口段内壁, 因这时工质 的温度最低, 热应力有着较高的水平。管件的内壁 统一施加第三类边界条件, 外壁则施加第二类边界 条件。工质侧对流换热系数通过流动工质雷诺数和 普朗克数的实验关联式来计算, 介质温度取工质入 口温度。热流密度则根据受热面的总吸热量以及其 总吸热面积来确定。
第 28卷, 总第 162期 2010年 7月, 第 4期
5节 能技 术 6 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY
V ol128, Sum1No1162 Ju l12010, No14
过热蒸汽温度变化对锅炉经济和安全影响研究
丁 利, 楼 波 (华南理工大学电力学院, 广东 广州 510640)
3结 论
本文运用 A nsys软件, 在过热 蒸汽温度变化时 对过热器管进行应力分析, 并计算温度变化对机组 经济性和金属材料寿命的影响, 得出以下结论:
( 1)机组循环效率随过热蒸汽温度的上升逐渐 增大, 但标准煤耗 逐渐降低。温度从 535e 上升到 565e 时, 循环效率由 44125% 变化到 44171% ; 标准 煤耗由 34112 g /kW h 下降到 33717 g/ kW h。因此, 防止主蒸汽温度过低, 使机组在正常温度下运行不 仅可以保证机组循环效率, 而且可降低煤耗, 节省成 本, 保证经济性。
D ING L i, LOU Bo ( School of E lectric Power, South Ch ina U niversity ofTechnology, Guangzhou 510640, Ch ina)
Abstr act: Based on the analysis of power plan t boiler steam temperature, effects of change of the super2 heated steam temperature on the unit of econom ic and security was ca lculated1The result of calculating the 300 MW firing coa l burned boiler show that enhancing the ma in steam temperature from 535e up to 565e makes for reducing standard coal consumption from 34112 g# kW - 1 h- 1 down to 33717 g# kW - 1 h- 1. W ith the ma in steam temperature exist ing over- temperature phenomenon for two hours a day in the norma l operat ing temperature based on 550e , the average theoretica l life of the ma in steam pipe reduces 37 h and 1 183 h in the case of the ma in steam temperature increases 1e and 15e 1 K ey w ord s: boiler; superhea ted steam temperature; cycle efficiency; standard coal consumption; service life