毕业设计（论文）外文资料翻译学院：能源与机械工程学院专业：热能与动力工程姓名：学号：外文出处: Thermal load deviation model forsuperheater and reheater of a utility boiler附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文签名：年 月 日附件 1：外文资料翻译译文电站锅炉的过热器和再热器的热偏差模型摘要：锅炉过热器和再热器的蒸汽温度产生的热偏差能严重影响其经济性及安全运 行受热面热偏差是锅炉爆管事故的重要原因之一 ，约 40％的电站强制断电都是 由此导致的过热器和再热器的热偏差主要是在横向方向上这种变化在实验研究 中很难实现在本文中，我们提出了一个热偏差模型是基于电厂热力学参数的热偏 差理论和流量偏差理论的从我们模型的计算结果中发现其与实际测量的结果相 符预测的锅炉爆管位置与无锡电厂的300 MW 电站锅炉再热器故障是相同的该 模型也可以应用于不同的电站锅炉制造产品，并已成功地应用于锅炉爆管事故的预 测和电站事故的预防1、介绍 锅炉爆管事故往往发生在启机一段时间后运行中的电站锅炉过热器和再热器 中，这对电站锅炉的经济性和安全性都有很大程度的影响。
通过观察发电站强制停 运的约 40％的原因都是锅炉爆管事故因此，锅炉爆管事故一直是电站锅炉强制停 运的最大原因之一即使在美国，锅炉过热器与再热器管故障问题也是电站锅炉停 运的首要因素消除锅炉爆管事故一年可以节省电力行业约5 亿美元的资金据观 察BTF （锅炉爆管事故）经常发生在同一锅炉部位的同一管段的同一材料部分为 此，为了预防锅炉管事故，已经在锅炉制造及锅炉研发等方面做出了很大的努力电站锅炉在设计中横向方向上的缺陷是导致过热器和再热器爆管故障的主要原 因例如，中国上海锅炉厂利用最近的（ABB-CE）专利技术设计制造的石横电厂 1025t/h 的蒸汽容量第五期电站锅炉该锅炉 1987 年 6月 30 日开始商业化运行于1989 年 9 月 28日发生爆管事故， 事故部位在过热器的锅炉管接头左手侧第 55 行最后阶段的焊接处此次锅炉爆管 事故蒸汽流量图见图 1 1990 年4 月1 日在同一位置又一次发生事故在另一种情 况下，中国哈尔滨锅炉厂利用ABB-CE的最新的专利技术设计建立了第一个拥有评 估工具的 600MW 平圩电厂锅炉此电站锅炉再热器管中的蒸汽温度偏差从左侧检测到右侧的范围为20-40°C（图1,编者注）。
其结果是蒸汽温度不能满足设计的要 求，并影响电厂的安全和经济运行 1992年8月10日在此设备的单独一个管上发 生了爆管事故第三种情况, 1988年9月23 日,从日本进口的宝山钢铁公司电站 锅炉也在经历着爆管事故事故发生位置是第五行右侧低焊接接头部位,并且原因 是长期过热Heated Tube Ro^s of Plate Rehealer (30 Tube Rows)图 1. 无锡电厂 300MW 电站锅炉再热器蒸汽流程图值得提及的是，大部分的大容量电站锅炉使用的是四角切圆燃烧系统这种系 统的主要优点是可以适应多样煤种，系统的高燃烧效率，稳定的热性能和低排放， 这些都是四角切圆燃烧方式的固有优势这种类型的燃烧系统中，在炉膛内形成旋 转型火焰并提供给每个炉壁均匀的热能，独立的单位负载及燃料输入切向燃烧锅 炉所特有的功能是调节炉内蒸汽温度控制热量吸收，这是由倾斜喷嘴组件自动上下 实现的因此过热器和再热器的温度偏差可以控制在对电厂热效率影响达到最小 燃煤锅炉是与其他炉膛相比热吸收率和热利用率较高的一种它能够保证煤粉的完 全燃烧以及最大的停留时间但是，四角切圆燃烧系统强劲的热负荷使涡紊流分布 在水平气体通道中，从而增加了热负荷偏差。
随着大容量电站锅炉的发展，在高温高压的条件下操作，其结果是会提高锅炉 横向方向上与水平方向上烟道的热偏差尽管四角切圆式燃烧系统有很多的有优点，但其具有的热偏差并不能完全消除为此随着其可用性的提高，这里提出了一 个改进模型，对锅炉各管进行了设计变更，用以减轻热偏差的严重程度通过对许多电站锅炉过热器和再热器的的试验测量，其热偏差约在 1.15-1.25 范围内实用程序中的四角切圆燃烧系统锅炉的热偏差分布几乎是相同的，基于 ABB-CE计算标准，沿烟道横向方向上的最大热偏差取为1.12，其中包括各行之间 的流量偏差From Wall Reheater -— ■ 一■ —tT^r 6 A Q 6 厂 T 56.9 mI 抵需4>4肚&厉BJSd £EIEdasRUH靳苗蛋vledTd/ Low Temperature/ Superheater 丫 4禺？ m [ 咖.02 m图 2.300MW 电站锅炉流程图在本文中，我们提出了一个模型，是基于电厂热负荷偏差在现场的热力学参数、 热偏差理论和流量偏差理论的该模型已被用于电站锅炉的设计，在设计阶段，预 测可能出现的故障，并评估现有的设计该模型还可以用到不同类型的电站锅炉， 并且已经成功的应用在电站锅炉爆管时间的预测和预防上。
在设计阶段，可以评估 锅炉是否存在爆管风险，而并不能做任何避免这种情况的更改该模型可以识别某 位置的最大温度偏差这里提到的 ABB-CE 计算标准只能识别最大温度偏差，但不 能预测这个最大偏差的位置而且其最大热偏差小于试验测量值因此，提出此模型 是非常必要的2、数学模型此电站锅炉过热器与再热器管系统的沿横向方向是平行布置的，示于图 1-3此管系统是复杂的，并且其结构还取决于锅炉设计的实用程序类型文献［12,13］中提出了复杂的外表面转移的加热管热偏差理论计算介绍了锅炉 过热器和再热器存在的几个不同的热传递模式，它包括前室气体辐射、后室气体辐 射、管束辐射和对流热传递，示于图 3将加热管分为不同的组，例如，第一和最 后一个观众的流动方向、悬管、接触管、中间管和不同的间隔管在此模型中，每 个管被划分在不同的锅炉管段文献［12］提出了流量偏差理论，用以解决复杂的锅 炉管流速分布系统的热偏差图 2 为 300MW 电站锅炉的流程图再热器的每个管管排布置在图中也有详细 指示图 3 也显示出蒸汽和烟气的方向图 1 是无锡电厂 300MW 电站锅炉再热器 的蒸汽流量方向示意图图 3 . 再热器最终管板与管排布置蒸汽入口和出口端口的分配集流管和三通接头收集数据图中也有显示。
从再热 器的蒸汽流入的分配头通过四个三通接头从分配集流管的管子被分在再热器管列 管组，示于图 1,2. 一个管列的再热器分为两列管列最后的再热器加热管管行由 60 个管组装，示于图 1,3 此管组蒸汽流量与其他电站锅炉系统有所不同，流 量结果与其他一些管相比较低里外管组过度过热可能导致水冷壁温高于可接受的 范围，导致管烧坏热负荷模拟模型流程图提出的计算方法示于图 4.热偏差模型包括三个部分，即模型的结构偏差、流量偏差、热负荷偏差通过电站锅炉数据库文件的帮助，结构 偏差模型是用来描述过热器和再热器实际结构，并用于计算的结构偏差流量偏差 模型模拟的是力量和每个锅炉管所吸收的热量热偏差模型用于计算管子外表面吸 收的热量通过以下方式获得热风和偏差，一个迭代过程基础上的三个模型和原位 数据2.1 热偏差数学模型热偏差是加热管/行的焓升与过热器和再热器管平均焓升的比值热偏差系数0被表示为一个函数的热偏差系数耳，结构偏差系数耳，和流量偏差系数如 th st fl下：AiQ1)X■stAiQavav耳 xqth—qflNoENDBoiler Outer Tube Wall Temperatures and Other Necessary Thermodynamic Parameters in In-situ TestStructure Deviation Model Flow Rate Devia：ion Model Thermal Deviation ModelAssuming Uniform Thermal Load Distribution of WidthSimulating Calculation Thermal Load DeviationInitialing Utility Boiler Structure ParametersConverged Solution?图 4.模拟计算算法流程图基于热偏差理论将每个锅炉管分为数段。
每个管段保持一个能量平衡，例如，一个管段A吸收的总能量Qa通过能量平衡计算前气室吸收的总辐射能量，后气室吸收的辐射能量Qa，rr管束辐射能量Qa ,和管束对流热量Qamr mcQa二 Qfr+ Qa + Qamr mc2)前烟气室管段A吸收的辐射能量Qf :Qa = qa X l X s X xf XT = qa xg a X Fafr fr l fr fr fr fr后烟气室管段 A 吸收的辐射能量, Qa ,被定义为 mr3)Qa = qa X l X s X xf XT = qa X g a X Famr mr l rr rr rr rr管段A的管束辐射能量，Qa ,被定义为:mr4)Qa = qa X l X s X 2xf = aa X g a X Famr mr 2 mr mr管段A的管束对流换热能量，Qa，被定义为如下式子:mc5)Qa = qa X 兀 X d X l = qa X g a X Famc mc mc mc管段A所吸收的总能量，Qa，可以通过它们的和表示:6)Qa = Qa + Qa + Qa + Qa = Fa X (qa X g a + qa X g a + qa X g a + qa X g afr TT mr mc fr fr rr rr mr mr mc mc7)热偏差在水平和垂直方向上的能量Qa用热偏差系数耳w定义，在垂直方向上的 wh th热偏差系数如下：Qa =耳 XHwh th ,w th ,hXQa8)=耳 X^ X Fa X (qa X g a + qa X g a + qa X g a + qa X g a )th ,w th ,h fr fr rr rr mr mr mc mc考虑到计算出的管段温度的不同，并且平均直径的不同，为保证计算管段A吸收总热量的质量，式子可改写如下：Qa = Qa X =耳 X^tot wh At th , w th ,havX Fa X (qa X g a + qa X g a + qa X g a + qa fr fr rr rr mr mr mcXga )XmcAtAt9)av每个管吸收的总能量如下表示：10)toti=1+ Experimental Tgnrip0「atu2 • ■Galuulmtmd 丁巳mper吕tu「gC善苻」苣EO1Q = Qa + Qb + Qc + Qd + …=K Qi tot tot tot tot tot其中将不同管段分为 A，B，C...等。
图5.300MW电站锅炉再热器出口外墙金属温度分布图2.2 热偏差的因素表 1 示出了管束辐射传热偏差，以及前后烟气室对流换热偏差的影响因素E = 2 S2Ji + — cos-i0 d I s0.511)S2丿S2丿2.3 流量偏差的数学模型根据流量偏差理论，在Z型排列的分配集流管中的x位置，静态压力用p表d,x示，见如下式子：p = H ]o.76d,x d I 3 dZ型布置的过热器管顶部任意位置x的静压分布被定义为:pc,x二x211 - X-x>13)假设一复杂的过热器系统由n行管头构成，其流量偏差及计算方程如下:p 一 p = k x G 2d ,1 c,1 1 1p 一 p = k x G 2 d ,i c ,i i ip 一 p = k x G 2d ,n c ,n n nG = £ G (14)ii=1其中p -p是分配集流管合采集管的第i个管排的压力，k xG2是第i个管排d ,i c ,i i i图 6.300MW 电站锅炉再热器热偏差系数最终模拟计算结果2.4 热负荷的分布基于文献调查，传统的电站锅炉沿横向方向上的热负荷分布可以概括如下热偏差耳7是四排管宽度方向的一个多项式：th耳=a + ax + ax 2 + ax 3 + ax 4 （15）th 0 1 2 3 4其中a ,a ,a ,a ,a可以由它们的轴线决定其最大最小热偏差。
01234ABB-CE电站锅炉现场分析锅炉宽度方向由六个变量组成时方程如下：耳 =a + a x + a x2 + a x3 + a x4 + a x5 + a x6 （ 16）th 0 1 2 3 4 5 6其中 a ,a ,a , a ,a ,a ,a 可以由它们的轴线决定其最大最小热偏差 0123456下面假设锅炉中心宽度上的最大热偏差为：耳）+ A|x-0.5卜5 + B|x-0.5|2-5 （17）th th minA 二 3.353卜-5（q ） -2（q ）］th min th maxB 二 9.8983n ） + 2（q ） — 5】th min th max假设一个热负荷分布呈抛物线型：耳二A - B（x- C》 （18）th其中 A，B，C 是相对于其轴的最大热偏差系数3、仿真计算及讨论正如前所提到的，图4 用于计算和得到热负荷仿真模型的收敛解根据热偏差 理论和流量偏差理论，通过实验测得的电站锅炉外壁金属温度进行计算平均的入口 和出口气体温度所有实验结果从现场测得，目标系统为300MW电站锅炉，并且 为四角切圆燃烧系统管的安排及流程图示于图 1-3 中基于模型的计算结果示于 图 5-7。
图5通过仿真比较了 300MW电站锅炉再热器管壁金属温度的实验值和计算值 同一直径下最高温度的计算值和实验结果约相差5.58°C，示于图5此模型的计算 结果与实验结果的相对误差在 1%以内，故计算结果与实验结果吻合良好图 6 呈现了各管列的热负荷偏差系数可以从图中看出，过热器与再热器最大 热负荷之间相差土 15%，该预测结果大于ABB-CE的设计计算标准图7给出了热 偏差的计算结果，此图中还提出了结构和流量偏差值在图中可以看出，再热器的 最大流速偏差大约是土 12%，还可以观察到流量偏差低于正常流量，即较大的直径 下具有较低流速因此，可以得出结论热偏差的关键因素是流量偏差和行与行之间 的热负荷偏差因此，通过减少热偏差是最大限度的消除锅炉爆管事故的关键原因 第六行与第七行之间管的热偏差约为总偏差的 29%，示于图7.，值得一提的是，出 现管事故的位置一般都是热偏差最大的位置1995年2月无锡电厂300MW锅炉正 式在热偏差最大的第六行再热器管的左侧发生事故，如图 1 所示通过模型预测的 事故结果与原位置相同图7.300MW电站锅炉再热器热偏差模拟计算结果示意图4、结论在本文中我们提出了一个热负荷模型是基于电厂热力学参数、热偏差理论和流 量偏差理论的。
模型进行了系统的流量分析，使锅炉管的每个管段上保持能量平衡 所得到的控制方程解决方案是针对每个管段的热负荷和流速的按照这一方法，该 模型已被用于对电站锅炉设计技术的提高领域它也可以用来预测可能发生的故 障，在设计阶段，可以对现有设计进行评估，可以使用与多种类型并且已经实际 应用在预防事故上对于300MW吴泾电厂电站锅炉再热器事故的预测是与实施相同的该模型计 算结果与试验结果的相对误差在 1%以内一般情况下，过热器和再热器的热偏差约15%，这是超过ABB-CE的设计计 算标准的，这也就是大容量电站锅炉锅炉管事故频发的根本原因附件 2：外文原文（复印件）。