600MW超临界锅炉高温过热器T23和T91金属氧化膜热应力分析

以某600MW超临界锅炉高温过热器为研究对象,分析了氧化膜厚度、生长温度和热膨胀系数等参数对金属管内蒸汽侧氧化膜热应力的影响.基于有限元方法建立了圆管数值计算模型,计算得到不同厚度和不同生长温度下T23和T91金属蒸汽侧氧化膜从生长温度冷却至常温时的热应力变化,并依据热应力的变化特征确定了这2种金属管材蒸汽侧氧化膜易发生脱落的温度范围.结合锅炉出口蒸汽温度与高温过热器指定位置处氧化膜温度的关系,提出用出口蒸汽温度判别氧化膜是否处于易发生脱落的温度范围的方法,给出了该锅炉停炉时的出口蒸汽温度值.结果表明:2种金属管材在冷却过程中低于一定温度时,其氧化膜的应力达到或接近最大应力值,可以依此判断氧化膜是否处于易发生脱落的危险区域.     

锅炉高温受热面蒸汽侧氧化膜在线监测技术研究

建立了高温受热面炉内壁温在线监测模型、氧化膜生长模型、氧化膜应力在线监测计算模型和氧化膜脱落评估模型等.在此基础上,开发了锅炉高温受热面蒸汽侧氧化膜管理系统,并利用该系统对某600MW超临界锅炉高温受热面炉内管壁温度和蒸汽侧氧化膜厚度及应力状态进行实时计算与分析.结果表明:利用该系统可以减小沿烟道宽度方向的热偏差,有效降低偏差屏的炉内温度,减缓管内氧化膜生成速率;通过对温度变化速率、氧化膜应力状态的实时监测,可以积极预防氧化膜的脱落和堆积.     

蒸汽侧氧化膜对锅炉T91钢管蠕变断裂寿命的影响

建立了电站锅炉T91钢管蠕变断裂寿命计算模型,定量分析了蒸汽侧管壁温度和等效应力对T91受热管蠕变断裂寿命的影响,并对不同热负荷、不同尺寸受热管的计算结果进行了比较.结果表明:蒸汽侧氧化膜导致管壁温度升高是缩短部件蠕变断裂寿命的主要原因,等效应力增大是次要原因;受热管的蠕变断裂寿命随蒸汽侧氧化膜厚度的增加呈抛物线缩短;随管子热负荷的增加,蒸汽侧氧化膜对受热管蠕变断裂寿命的影响程度加剧;蒸汽侧氧化膜对外径较小的厚壁管子蠕变断裂寿命的影响较大.     

一定拉应力条件下SO_2对T91钢高温腐蚀影响的实验研究

选取电站锅炉过热器材料T91钢为研究对象,利用高温管式炉探究在一定拉应力条件下SO_2对锅炉用钢高温腐蚀的影响.设定腐蚀温度分别为700℃和750℃,在试样经过168h的腐蚀实验后,对其进行X射线衍射(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)分析.结果表明:腐蚀层一般分为内外2层,分别为Cr基氧化层和Fe基氧化层;在拉应力条件下,SO_2气相腐蚀不影响腐蚀厚度,但会影响内外腐蚀层的厚度比例及表层的晶粒大小;拉应力会促进Cr的迁移,但不会影响Ni的迁移过程,而且会减少Fe基氧化层中阴离子的缺陷,阻止S的内部迁移;SO_2气相腐蚀影响腐蚀层的脱落方式,会导致腐蚀层易整体脱落.     

蒸汽侧氧化膜对超临界机组T92钢管壁温的影响

通过建立T92钢受热管及其蒸汽侧氧化膜的数值分析模型,定量分析了不同厚度氧化膜对T92钢受热管壁温的影响,并在此基础上得出了不同受热条件下导致T92钢管超温运行的氧化膜的临界厚度值.结果表明:随着氧化膜厚度的增加,管壁平均温度和平均温度升高幅度均呈近似线性增加;且管内壁温度越高、管外热流密度越大,氧化膜的临界厚度值越小.因此,当T92钢应用于高温受热面时,需综合考虑壁面热负荷和管内壁温度对氧化膜临界厚度的影响.     

锅炉过热器蒸汽侧氧化膜瞬态应力的有限元分析

采用有限元方法,计算并分析了过热器管基体及氧化膜内的温度和应力情况,通过稳态分析得到了稳定工况下的温度和应力分布;在此基础上又进行了瞬态分析,分别考虑了蒸汽侧温度和烟气侧温度两种情况下的扰动,得到了扰动后温度和应力的响应曲线.结果发现:蒸汽侧扰动时,氧化膜内温度和应力的变化都很大,更易于造成氧化膜的剥落.     

10CrMo910钢管蒸汽侧氧化膜的形态特征

对某电厂锅炉过热器和再热器受热面10CrMo910钢管蒸汽侧氧化膜进行了金相、扫描电镜、能谱和X衍射等试验分析,研究了蒸汽侧氧化膜的形态特征及其形成规律.结果表明:蒸汽侧10CrMo910钢管氧化膜分为内、外2层,内层为富含孔洞的富Cr层的非均质氧化膜,外层为疏松而细小的Fe3O4和Fe2O3;金属基体与内层氧化膜的界面处存在内氧化,使界面结合紧密;内层与外层氧化层界面不明显,离解后的氧化物颗粒较少,界面黏附强度较高,且内、外层氧化膜均由纳米和微米级颗粒组成,由于热膨胀系数不同导致应力大部分由氧化颗粒间空隙吸收;10CrMo910钢管蒸汽侧氧化膜难以剥落,且增厚的氧化膜容易导致受热面钢管长期处于过热状态.     

服役十万小时过热器T91管道氧化皮特征分析及防治措施

某亚临界锅炉累计运行1.0×10~5 h,A级检修后启动第23天末级过热器发生氧化物堵塞爆管。通过从宏观检查、割管金相试验、光谱分析、堆积物成分、氧化膜形态、当量温度分析等,研究了爆管的成因和特点。结合对T91钢氧化膜脱落机理的国内主流研究成果,分析了亚临界锅炉末级过热器氧化膜失效的机理,提出技术监督和日常维护的防范措施,保障T91钢在锅炉全寿命期的安全,为同类300～600 MW级亚临界锅炉末级过热器技术管理提供借鉴。     

锅炉高温受热面管内氧化皮应力分析的一种解析方法

大型电站锅炉高温受热面管内氧化皮生长及脱落问题已成为影响锅炉安全运行的主要矛盾。介绍了一种锅炉高温受热面管内氧化皮应力分析解析方法,并针对某600 MW超临界电站锅炉末级过热器的TP347H和T91 2种管材进行了计算分析,得出了停炉过程中氧化皮的应力、应变状态和可能的失效模式。     

锅炉高温受热面蒸汽侧氧化皮的形成及剥落机理研究进展

综合分析了各种类型的锅炉耐热钢管蒸汽侧氧化皮的微观形貌、氧化皮的层结构和成分组成。锅炉耐热钢蒸汽侧所生成的氧化皮有双层和3层结构,双层和3层结构的氧化皮的剥落位置发生在不同的亚层。对锅炉管内壁氧化皮剥落部位进行氧化皮生长的跟踪研究,可以得到氧化皮进一步生长的规律。氧化皮各层氧化物与基体金属间由于线性热膨胀系数差异所产生的热应力是导致氧化皮产生开裂和剥落的最根本原因,防治氧化皮大面积剥落的措施主要是抑制氧化皮生长速率和减少热应力的大幅度变化。由于实验室的试验条件难以模拟实际锅炉的蒸汽参数和应力变化,开发实验条件接近实际锅炉的蒸汽氧化试验是研究新型耐热钢内壁氧化皮生长及剥落机理的发展方向。     

四角切圆燃烧锅炉过热器两侧汽温偏差与管道布置的研究

针对大容量四角切圆燃煤锅炉普遍存在的烟气侧速度与温度偏差以及过热器的汽温偏差,对北疆电厂1000MW锅炉实测运行数据进行了分析,并对炉膛流场进行了模拟．结果表明：由于四角切圆锅炉炉膛上部残余旋转导致气流在屏区左右两侧形成流动差异,在折焰角前后两侧汽温偏差的分布规律截然不同．通过对电厂锅炉后屏过热器与末级过热器之间管道布置形式的调整（由交叉改为平行）,使两级受热面的吸热偏差相互抵消,从而提高减温器的调节性能．     

Application of a thermal model to a power plant reheater with irregular tube temperatures

A three-dimensional thermal model for the reheater of a utility boiler is applied to a 350 MWe power plant. The model permits the consideration of non-uniform steam flow inside the tubes, which can lead to excessive temperature and hence thermal stress in a part of these. Parametric calculations are performed to examine the influence of various empirical coefficients included in the model. Experimental on-line and off-line data will be obtained and will be introduced as boundary conditions or used to validate the model. The steam flow distribution inside the tubes will be considered uniform or non-uniform depending on the tube serpentine of the reheater. The results predicted by the model of the temperature of the tubes at the reheater outlet and the outlet steam temperature are satisfactorily compared with the experimental measurements. Moreover, the results predicted for the temperature of the gases in an intermediate section of the reheater are analysed and compared with the experimental results from off-line measurements.     

超临界机组的合金管蒸汽侧氧化膜生长与剥落研究进展

超临界机组高温合金管氧化膜剥落问题是困扰机组安全与经济运行的难题,严重制约了机组蒸汽参数和效率的提高。特别是,在超临界机组采用给水加氧处理方式(OT)后,奥氏体不锈钢管内壁氧化膜大面积剥落事故屡见不鲜,尤以TP347H合金管为甚。本文总结了近年来国内外针对超临界机组合金管氧化膜研究的进展及相关成果,首先介绍了超临界蒸汽环境中合金管氧化机理和原子迁移机制,综述了铁素体和奥氏体合金表面氧化膜的形貌特征,分析了蒸汽溶氧对氧化膜生长速率、形貌和缺陷的影响。氧化膜完整性是决定合金抗腐蚀性能的重要因素,但在机组运行过程中氧化膜应力破坏了氧化膜完整性。进一步总结了国内外氧化膜应力和剥落研究的数值分析及实验研究情况,为我国超临界机组氧化膜剥落故障诊断研究提供参考。     

Assessment of the Superheater Ash Fouling Using a Numerical Model of the Superheater

ABSTRACT

Superheaters are high-temperature cross-flow heat exchangers. Steam flows inside the tubes, and the flue gas outside in a direction perpendicular to the axes of the tubes. However, they differ very substantially from the other heat exchangers operating at low temperatures. Superheaters are characterized by complex flow system and high tube walls temperature. Superheaters are among the most exposed to damaging pressure elements of steam boilers. Damage to the superheater causes about 40% of emergency shutdowns of boilers. The paper presents the boiler superheater model with distributed parameters, which is used to determine on-line the degree of superheater fouling by ash.     

T91钢运行过程中力学性能和微观组织的变化

对运行7．5万h的锅炉高温过热器T91钢管的力学性能和微观组织变化进行了试验研究。结果表明：与原始管相比，运行管的屈服强度明显下降；光学显微镜下原始管与运行管的微观金相组织无明显差异，但在透射电镜观察下，明显可见微观组织中亚晶粒粗化，位错密度降低，M23C6碳化物粗化和Laves相析出并粗化。图5表3参8     

电站锅炉省煤器出口水温升高对过热器吸热的影响

讨论了某台200 MW燃煤自然循环锅炉省煤器改造后出口水温升高而造成的屏式过热器超温,根据锅炉锅筒欠焓计算与水冷壁产汽量计算,并结合炉膛换热及出口烟温计算,分析了省煤器出口水温与屏式过热器吸热量之间的内在联系。现行锅炉热力计算方法未考虑省煤器出口水温与炉膛内蒸发受热面产汽量的依赖关系,不能体现省煤器出口水温较大幅度变化对炉膛吸热量的影响。     

CFD modeling of a boiler’s tubes rupture

This paper reports the results of a study on the reason for tubes damage in the superheater Platen section of the 320 MW Bisotoun power plant, Iran. The boiler has three types of superheater tubes and the damage occurs in a series of elbows belongs to the long tubes. A three-dimensional modeling was performed using an in-house computational fluid dynamics (CFD) code in order to explore the reason. The code has ability of simultaneous solving of the continuity, the Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and employing the turbulence, combustion and radiation models. The whole boiler including; walls, burners, air channels, three types of tubes, etc., was modeled in the real scale. The boiler was meshed into almost 2,000,000 tetrahedral control volumes and the standard k–ε turbulence model and the Rosseland radiation model were used in the model. The theoretical results showed that the inlet 18.9 MPa saturated steam becomes superheated inside the tubes and exit at a pressure of 17.8 MPa. The predicted results showed that the temperature of the steam and tube’s wall in the long tubes is higher than the short and medium size tubes. In addition, the predicted steam mass flow rate in the long tube was lower than other ones. Therefore, it was concluded that the main reason for the rupture in the long tubes elbow is changing of the tube’s metal microstructure due to working in a temperature higher than the design temperature. In addition, the structural fatigue tension makes the last elbow of the long tube more ready for rupture in comparison with the other places. The concluded result was validated by observations from the photomicrograph of the tube’s metal samples taken from the damaged and undamaged sections.     

基于燃烧与水动力耦合模型的锅炉蒸汽管超温特性研究

提出一种基于燃烧与水动力耦合模型的锅炉蒸汽管壁温度数值模拟方法,对某660 MW超临界切圆燃烧锅炉壁温进行了计算分析。以均匀外壁温为边界条件,利用Fluent软件模拟了煤粉气固流动、燃烧和辐射等过程,获得了炉内不同位置受热管的传热热流。再以热流分布为边界,采用MATLAB软件建立了工质流动及气-壁-汽换热方程组,Fluent软件重新计算的壁温边界。通过编写模型间的网格映射函数,实现壁温的耦合计算。研究表明:壁温计算值与实测值的最大相对误差在2%以内;炉膛出口残余旋转使水平烟道左侧和右上方热流较大,高温再热器和末级过热器的外壁温沿炉宽方向呈双峰分布;高温再热器整级受热管出口壁温的峰谷差值远高于末级过热器,实际运行中应特别注意高温再热器靠烟道左侧管屏外圈管子向火侧弯头处的超温。