一种电站锅炉管蒸汽吹扫参数确定方法
阅读说明：本技术 一种电站锅炉管蒸汽吹扫参数确定方法 (Method for determining steam blowing parameters of boiler tube of power station ) 是由 徐志远 陈韩青 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电站锅炉管蒸汽吹扫参数确定方法。它主要是解决现有手段对电站锅炉管进行蒸汽吹扫时,无法准确确定最佳吹扫参数的问题。其技术方案要点是：通过弗劳德相似准则建立在BMCR、BRL和THA三大工况下的等效模型,并引入动量系数K来确定和控制蒸汽吹扫参数。进一步地,设置多组蒸汽流速值,算出相应的动量系数K,在动量系数满足条件的前提下进行EDEM和Fluent联合仿真,考查不同蒸汽流速值对锅炉管弯头处氧化皮堆积量的影响大小。采用L型和U型两种不同形状的奥氏体管进行仿真实验,实验后对堆积在锅炉管弯头处的氧化皮质量进行统计,若某一蒸汽流速值促使氧化皮不再堆积,那么该值即为电站锅炉管蒸汽吹扫的最佳吹扫参数。(The invention relates to a method for determining steam blowing parameters of a boiler tube of a power station. The method mainly solves the problem that the optimal blowing parameters cannot be accurately determined when the steam blowing is carried out on the boiler pipe of the power station by the existing means. The key points of the technical scheme are as follows: an equivalent model under three working conditions of BMCR, BRL and THA is established through a Froude similarity criterion, and a momentum coefficient K is introduced to determine and control steam purging parameters. And further, setting a plurality of groups of steam flow velocity values, calculating a corresponding momentum coefficient K, performing EDEM and Fluent combined simulation on the premise that the momentum coefficient meets the condition, and examining the influence of different steam flow velocity values on the oxide skin accumulation amount at the elbow of the boiler tube. The method comprises the steps of carrying out simulation experiments by adopting austenite pipes in two different shapes of L-shaped and U-shaped, counting the quality of oxide skin accumulated at the elbow of the boiler pipe after the experiments, and if the oxide skin is not accumulated any more due to a certain steam flow velocity value, determining the value as the optimal purging parameter for steam purging of the boiler pipe of the power station.)
技术领域
本发明涉及一种电站锅炉管蒸汽吹扫参数确定方法，属于电站锅炉领域。
背景技术
奥氏体锅炉管因其优良的综合性能而在发电领域得到了广泛的应用。但是，在电站发电的过程中，长时间的高温高压的运行，锅炉管内会发生蒸汽侧氧化现象，成为电站发电中难以突破的瓶颈。工程上通常采用蒸汽吹扫的方法来对电站锅炉管道进行清扫。然而，蒸汽吹扫参数难以准确确定，以至于吹扫周期过长，不仅会造成吹扫成本增加，也会延后大型机组的启动，造成试车周期的延长。因此，研究蒸汽吹扫参数的确定方法，可大幅提升吹扫效率；另一方面，针对不同工况及时进行吹扫参数调整，可保证最佳的吹扫工况，大幅减少蒸汽吹扫的时间及成本。
目前，蒸汽吹管参数的选择往往通过经验理论计算公式得出，如公开号为CN104566413A的发明专利申请公开了一种快速选取锅炉吹管参数的方法。该方法首先将吹管正式系统和临时系统分为若干小区段，并分别计算其阻力系数λL/D，其中λ表示沿程阻力系数，L表示管道长度，D表示管道直径；然后根据流量比曲线查取对应总阻力系数下的流量系数α；根据公式G＝0.0244αd2P0(1/T0)1/2计算出吹管蒸汽流量，其中G表示吹管蒸汽流量，α表示流量系数，P0为吹管时汽包压力，T0表示水在压力P0下的饱和温度，d表示管道直径。在计算出吹管蒸汽流量后，进一步计算各区段的压力降，根据各区段的阻力系数以及进口蒸汽参数，从一级过热器进口依次向后计算，一直计算至二级再热器出口，算出出口蒸汽参数。在计算过程中，一级过热器进口蒸汽参数采用汽包参数，前一区段的出口蒸汽参数作为后一区段的入口蒸汽参数，算各区段的压力降时，先假定出口压力得到平均比容后，再根据阻力系数计算压力降，得到出口压力，经过多次迭代直至误差符合要求为止。最后根据计算得到的吹管系数判断其是否满足吹管系数K>1的要求，若不满足则调整吹管参数即汽包压力P0，重新进行计算，直至得到合适的吹管系数。该方法不仅计算参数较多，而且要计算每一段管道的参数，在实际蒸汽吹管时，随着锅炉参数的改变，相应的蒸汽参数也会发生变化，从而又要重新计算，虽说可以合理的控制误差，但是过程过于繁琐，比较耗时。
又如公开号为CN105157047B的发明专利申请公开了1045MW超超临界燃煤机组锅炉吹管调试方法和系统。它通过对锅炉进行冷态冲洗后，对过热器和再热器进行减温水侧管路冲洗，对锅炉进行热态冲洗。控制锅炉进行升温升压操作，投入制粉系统进行试吹处理后，对过热器和再热器进行减温水汽侧管道冲洗，吹扫高压旁路管道。控制锅炉进行升温升压操作，进行一、二次蒸汽系统串接降压吹扫，吹扫高压旁路管道以及锅炉吹管蒸汽管道。控制锅炉进行升温升压操作，进行一、二次蒸汽系统串接降压吹扫至靶板检验满足预设条件，吹扫锅炉剩余本体吹灰蒸汽管道及小机高压进汽管道。该方法需要借助制粉系统而且需要在吹管清扫时不断进行调试，时间周期较长，且不能准确确定最佳的吹扫参数。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种电站锅炉管蒸汽吹扫参数确定方法，该方法具有如下优势：仅需通过仿真便可确定最佳的蒸汽吹扫参数，而且可以在蒸汽吹管之前收集统计不同锅炉工况的仿真数据，在吹管时通过查阅数据即可利用最优的吹管参数进行蒸汽吹管，从而达到事半功倍的效果。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种电站锅炉管蒸汽吹扫参数确定方法，包括以下具体步骤：
步骤1，根据相似理论，仿真采用弗劳德相似准则进行模型缩比，基本比例尺为kl＝0.67。
锅炉管道缩比模型和原型应该同时满足几何近似，运动相似和动力相似。三种相似比例尺长度比例尺kl、速度比例尺kv、密度比例尺kρ为基本比例尺，其余参数可以根据基本比例尺建立比例换算关系。
步骤2，通过弗劳德相似准则建立BMCR、BRL和THA三大工况下锅炉管的等效模型。
步骤3，在特定工况下，通过G＝A×C/V算出蒸汽流量值，再根据 K＝GC/G0C0＝G2V/G02V0计算出动量系数K，其中要求K>1；式中A为管道横截面积(单位：mm3)；G、G0分别为吹扫和额定工况时的额定流量(单位：t/h)； C、C0分别为吹扫和额定工况时的蒸汽流速(单位：m/s)；V、V0分别为吹扫和额定工况时的蒸汽比热容(单位：m3/kg)。
步骤4，分别建立在弗劳德相似准则下的L型和U型锅炉管等效模型，首先在EDEM中建立氧化皮颗粒离散相，其次在Fluent中设置速度入口-压力出口以及边界条件，定义锅炉管材料属性，设置多组满足动量系数K条件下的速度梯度。
步骤5，在Fluent界面中的，选择多组蒸汽流速值作为速度入口，求解方法采用Phase Coupled SIMPLE,与EDEM耦合方式选为欧拉-拉格朗日 (Euler-Lagrange)，接口选择Eulerian双流体框架，进行耦合仿真。
步骤6，统计在不同的蒸汽流速下，L型和U型电站锅炉管拐角处氧化皮的堆积量，利用Origin等相关绘图软件进行数据统计，得出最佳蒸汽吹扫参数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)采用联合仿真的形式，节省劳力物力，提高经济效益。
(2)可以准确的仿真出不同工况不同锅炉管道参数的最佳蒸汽吹扫参数值。
(3)可通过EDEM-Fluent联合仿真出不同工况的最佳蒸汽吹管参数，制成蒸汽吹管最佳参数表，待实际蒸汽吹管时查阅此表就可以以最优吹扫参数进行蒸汽吹管，大大的节省了时间，提高了效率。
附图说明
图1为表1弗劳德模型下三大工况原型模型参数对应表
图2为表2标准工况下蒸汽缩比参数表
图3为表3氧化皮参数对应的离散元脱落氧化皮模型参数表
图4为本发明的方法流程图
图5为离散元-流体动力联合仿真L型锅炉管模型图
图6为离散元-流体动力联合仿真U型锅炉管模型图
图7为不同工况K-C(动量系数-蒸汽流速)图
图8为电站锅炉管弯头处氧化皮质量-时间图
图9为弯头处不同质量氧化皮颗粒分布图
图10为电站锅炉管出口溢出的不同质量氧化皮颗粒分布图
图11为L管弯头处氧化皮质量-蒸汽流速图
图12为U管弯头处氧化皮质量-蒸汽流速图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明：
本发明采用的奥氏体锅炉管道，分别建立L和U型模型进行仿真分析，求取最佳蒸汽参数，主要包括以下具体步骤：
步骤1，为满足EDEM-Fluent联合仿真需求，仿真采用基于原模型的缩比模型进行耦合分析。根据实际工况和流体相似准则，采用使用广泛的弗劳德模型法进行缩比仿真，取基本比例尺为kl＝0.67；在弗劳德模型法中：
kv＝kl 0.5
由模型原型同材料同物质，kρ＝1.0，且满足
kF＝kl 3
式中，kg为重力比例尺，kl为直线比例尺，kv为速度比例尺，kρ为密度比例尺， V为流速；g为重力加速度；l为特征长度；为弗劳德数；p、m为下标，分别代表原型和模型。
步骤2，通过弗劳德相似准则建立最大连续蒸发量(BMCR)工况、额定工况(BRL)和机组的热耗率验收工况(THA)三大工况下锅炉管的等效模型。蒸汽流量在BMCR、BRL和THA工况时的蒸汽流量值分别2381.44t/h、 2305.65t/h和2291.87t/h。蒸汽出口对应的压力分别是5.75MPa、5.56MPa和 5.53MPa；蒸汽进出口对应的温度变化分别为360～623℃、353～623℃和353～ 623℃。机组总计936根管子，本次仿真模拟其中一根管，单根管蒸汽流量在BMCR、BRL和THA工况时的平均蒸汽流量值分别2.54t/h、2.46t/h、2.45t/h。
步骤3，在特定工况下，通过G＝A×C/V算出蒸汽流量值，再根据 K＝GC/G0C0＝G2V/G02V0计算出动量系数K，其中K的计算结果如附图4所示。式中A为管道横截面积(单位：mm3)；G、G0分别为吹扫和额定工况时的额定流量(单位：t/h)；C、C0分别为吹扫和额定工况时的蒸汽流速(单位：m/s)； V、V0分别为吹扫和额定工况时的蒸汽比热容(单位：m3/kg)。
步骤4，分别建立在弗劳德相似准则下的L型和U型锅炉管等效模型，在EDEM模型参数对应给定氧化皮颗粒球体半径范围为0.8mm-1.8mm，并采用 radom的颗粒生成方式，保证随机性，减少误差,为了贴合实际情况应适当加大其与管壁间的滚动摩擦系数，故在EDEM软件参数设置中取脱落氧化皮颗粒与管壁间静摩擦与滚动摩擦系数分别为0.6和0.5，氧化皮颗粒之间的接触模型选用标准Hertz-Mindin(no slip)和Hertz-Mindlin with heatconduction built-in optimal模型。在温度为353℃-623℃的情况下电站锅炉管内流体相当于于过热水蒸气，此时其密度与粘度系数较室温下都发生了极大变化，过热管内压强为5.53-5.75Mpa，水蒸气密度为10.35-11.81kg/m3，粘度系数为3.28×10-5kg/m-s。在 Fluent操作界面对电站锅炉管进行赋值，其泊松比为0.305，剪切弹性模量为 7.28×1010，密度为7930kg/m3，湍流模式设置为标准的k-ε模式。过热管道蒸汽流速一般30-50m/s，通过速度比例尺对应的蒸汽流速为24.6-41m/s。由于管径一定蒸汽流速与蒸汽流量的正比性，故在EDEM-Fluent耦合仿真时通过蒸汽流速的变化表征蒸汽流量的大小对氧化皮堆积状态的影响。
步骤5，EDEM-Fluent联合仿真时间设置为5s，初始温度设置为 698.15K，在Fluent操作界面将出入口条件设置为速度入口与压力出口，求解方法采用Phase CoupledSIMPLE,与EDEM耦合方式选为欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)，接口选择Eulerian双流体框架。
步骤6，后处理阶段，主要统计在不同的蒸汽流速下，锅炉管弯头处氧化皮的堆积量，然后用Origin等相关绘图软件进行数据统计分析，如附图8、 9，并得出最佳的蒸汽流速值。
以上所述，经过锅炉管弯头处氧化皮颗粒的质量随时间的积累呈直线增长，这说明在一定蒸汽流速情况下，由颗粒工厂生成的氧化皮颗粒由速度入口流动到压力出口，且颗粒工厂生成37g的氧化皮颗粒中，直径大的大部分堆积在弯头处，少数直径小的从出口溢出，随之时间的增加，弯头处的氧化皮质量在不断增加，但是在不断增大蒸汽流速的情况下，弯头处堆积的氧化皮质量不断减小，验证了蒸汽吹扫的可行性。
以上所述，蒸汽吹扫L管时，当蒸汽流速在34-37m/s变化时，弯头处的氧化物堆积量会发生突降，且不同工况突降时所对应的流速值略有差异。在 BMCR工况时，临界流速在34m/s至35m/s之间、BRL工况时临界流速在35m/s 至36m/s之间、THA工况时临界流速在36m/s至37m/s之间。而对于U型管，当蒸汽流速在30-31m/s变化时，拐角处的氧化物堆积量会发生突降，在BMCR 工况时，临界流速在34m/s至35m/s之间、BRL工况时临界流速在31m/s至32m/s 之间、THA工况时临界流速在33m/s至34m/s之间。根据仿真结果数据分析不同形状锅炉管在不同蒸气流速工作时都有相应的临界值，当超过这个临界值时，较少或没有氧化物堆积在管道的弯头处,该流速即为最佳蒸汽吹扫流速，基于此，工程上可以通过类似的方法获得最佳吹扫参数，进而提高吹扫效率。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
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