锅炉水冷壁热力爆管原因分析

锅炉水冷壁热力爆管原因分析
电厂锅炉炉管爆漏已成为影响大型机组安全、稳定运行的最主要原因之一，近年来国内电厂水冷壁泄露事故频繁发生。
水冷壁向火侧壁温主要取决于炉内热负荷分布、水冷壁管内侧沸腾传热工况及蒸发受热面的污染。究竟什么原因导致水冷壁管有如此大的壁温波动，膜式水冷壁内的温度分布随管内传热工况恶化变化的情况，此温度变化对水冷壁内热应力的影响，本文对此做了进一步的探讨。将炉膛沿高度分成若干段，分别计算各段的热负荷。炉内最大放热区段在燃烧器区域，根据不同锅炉负荷时所投入的燃烧器层次的情况，最大放热区段略有差别。在热负荷的计算时，炉膛沿高度方向分成大致相等的七个区段，各区段的热负荷按炉内辐射传热公式计算，结果见表1。
表1　不同锅炉负荷下，炉膛各区段的热负荷计算结果
　　　　　　 负荷(MW)
平均热负荷(kW/m2)　　 380 450 550 600
第一区段(13.38～18.81) 92.56 102.74 115.90 120.29
第二区段(18.81～24.00) 154.19 170.37 191.36 198.83
第三区段(24.00～32.00) 273.41 284.17 300.32 306.85
第四区段(32.00～38.00) 229.56 241.98 260.34 269.39
第五区段(38.00～44.00) 163.93 178.01 198.98 210.68
第六区段(44.00～50.00) 125.96 139.55 159.61 170.92
第七区段(50.00～53.50) 80.89 91.05 103.69 108.65
假设出现裂纹的区域位于炉膛标高30～50m的范围内，热力试验测点布置在炉膛标高的30m、40m、50m处。在此高度处对应炉膛壁面热负荷的值取表1中的计算结果。利用热力试验测得的不同负荷工况下的平均最高外壁温度及平均最低外壁温度由公式(2)得到水冷壁管内沸腾放热系数，计算结果见表2。
　　
式中：μ热量均流系数　　　β管子内外径之比
twb实测管子外壁温度　ts管内工质的饱和温度
δ管壁厚度λ金属管壁的导热系数
表2　放热系数的计算结果
负荷(MW) 标高(m) 对应平均最高壁温下的
对流放热系数α(W/m2) 对应平均最低壁温下的
对流放热系数α（W/m2）
380 30.0 8389.00 22603.00
40.0 5667.00 9728.00
450 30.0 9997.00 30079.00
40.0 9298.00 29162.00
50.0 3761.00 6631.00
550 30.0 10269.00 29211.00
4　温度场数学模型的建立
　　水冷壁外壁向火侧受炉膛高温火焰热辐射作用，背火侧外壁有一定的散热率：内壁与汽水两相强制流动换热。随着辐射热强度及水冷壁管内的传热工况的变化，水冷壁管壁内为非稳态二维温度分布，可用如下定解方程表示：

(1)
　　式中：λ为导热系数；q表示热流量；tf,α表示工质温度及管内沸腾换热系数；Γ2表示给定热流的第二类边界条件；Γ3表示给定边界放热系数、介质温度的第三类里边界条件。
　　方程(1)可采用有限元分析的方法，利用计算机编程进行求解，方法及程序的编制见［2］。对膜式水冷壁温度场计算而言，关键是炉内热负荷分布的确定及管内沸腾放热系数的确定。在以往的水冷壁的沸腾传热计算中，水冷壁管内的放热系数作一平均值处理，这与实际情况有一定的差别。由向火侧对管内工质的加热超过背火侧，蒸汽的蒸发大部分在向火侧完成，如果管内发生传热工况的恶化，局部的膜态沸腾出现在向火侧管内壁的可能性较大，此时管内向火侧与背火侧放热系数有较大的差别。若只计算向火侧正面外壁温度，误差不会太大，但对于膜式水冷壁整个温度场分布而言，应该考虑到这种差别。本文的计算将管内沸腾传热分成两个部分，向火侧和背火侧分别用不同的管内对流放热系数计算整个膜式水冷壁的温度分布。
5　膜式水冷壁温度分布计算
　　选择膜式水冷壁管的1/2作为计算模型进行有限元分析，采用四边形八节点等参数单元，共分132个单元、487个节点。
　　本文对不同负荷下炉膛标高为30 m、40 m、50 m处的水冷壁管温度分布进行暂态分析，图1给出了锅炉在300MW负荷时炉膛标高30 m处水冷壁管外壁温度随时间的动态变化，与图2热力试验结果相比符合得较好，由此可以确定水冷壁管壁温波动是由水冷壁管内的传热恶化造成。壁温波动幅度随水冷壁管壁内沸腾放热系数的变化及炉内的热负荷的大小而变化。典型的水冷壁管壁温度分布如图4所示。在锅炉负荷为300MW水冷壁管内发生膜态沸腾2分钟时管壁温度分布表明，水冷壁管内不仅沿半径方向有较大的温度梯度，沿周向也有较大的温度梯度。此温度分布较为合理［3］。随着传热工况的变化，水冷壁径向温差及周向温差均发生变化，径向温差的变化较小，周向温差的变化较大。图3给出了径向温差及周向温差随传热工况变化时动态变化过程。

twb～向火侧外壁温度
图1　计算水冷壁向火侧外壁温度
随时间的动态变化

图2　热力试验时水冷壁向火侧外壁温度
随时间的动态变化

tzs～周向温差　tnw～内外壁温差
图3　计算水冷壁向火侧内外壁温差及周
向温差随时间的动态变化情况

图4　膜式水冷壁内典型的
温度分布(对应300MW膜态沸
腾发生后第2分钟时)
从图3可以看出，水冷壁向火侧内外壁温差随传热工况的变化波动很小，而周向温差的变化却很大。对一般的承压管壁而言，径向温差所产生的应力以周向为最大，而周向温差可使管壁内产生较大的轴向应力［4］。从计算结果看出，水冷壁管内的周向温差及周向温差的变化将导致较大的轴向应力及轴向应力的波动。可以肯定，变化的轴向热应力，加之内螺纹引起的应力集中，水冷壁管内产生横向裂纹在所难免。水冷壁管内除热应力外，还承受内压引起的机械应力，此应力的大小及其变化与运行方式和运行工况有关。水冷壁管壁内应力状况如何及其对水冷壁管材的寿命损伤的影响有待进一步的研究。
6　结论
　　通过水冷壁壁温分布的暂态分析可得出以下结论：
　　(1)水冷壁壁温波动是由管内传热工况的恶化造成，在热负荷较高的区域水冷壁管内发生局部的膜态沸腾现象。
　　(2)随炉膛内热负荷的脉动，水冷壁传热工况发生变化。水冷壁管传热工况恶化时，管内侧的放热系数突然变小，维持较短时间后再缓慢增大，增大的过程中仍有小范围的汽膜产生，水冷壁管壁温度随此过程而发生波动。
　　(3)水冷壁的内外壁温差随传热工况变化时的波动较小，而周向温差随传热工况变化的波动很剧烈，最大周向温差达140℃，波动幅度也高达70℃。
　　(4)水冷壁管壁内周向温差及周向温差的变化将产生的波动较大的轴向应力，加之水冷壁管内压力的变化及内螺纹结构的应力集中，水冷壁管壁产生横向裂纹是不可避免的。