高压加热器泄漏仿真计算.pdf

高压加热器 泄漏的静态仿真计算 及其故障特征分析 张欣刚 ，王 雷，徐治皋，李 勇 (1 东南大学，江苏 南京2 1 0 0 9 6；2 东北电力学院，吉林 吉林市 1 3 2 0 1 2)高压加热器(高加)是提高火电厂热经济性的重要 辅属设备。由于高加系统所处的工作环境较恶劣，汽 水参数较高，故火电厂 回热系统的故障主要集中在高 加上，其中泄漏是高加经常出现的主要故障之一_】。目前，由火电厂中的 M S可以方便地得到高加 的 各个运行参数，通过在线监测热力系统和热力设备的 相关参数_ 2 ，运用计算分析的方法即可判断高加泄漏 状况_ 3。研究发现，由已知的压力、温度和流量等参数 的测量值，通过计算的方法找出高加泄漏故障的特征 量，与无故障的正常运行状态下的这几个特征量进行 比较，就能对该故障进行早期诊断。为此，本文通过对 高加的静态仿真计算，分析了高加泄漏对其各参数的 影响，从中提取判断高加泄漏的故障特征量，并对其进 行分析。1 高压加热器泄漏的静态仿真计算 目前大容量机组多用具有过热蒸汽冷却段(蒸冷 段)、饱和蒸汽凝结段(蒸凝段)和疏水冷却段(疏冷段)的三段式高压加热器，各段的热流体具有不同形式，其 热力参数的计算方法也不同。1 1 高加各段热力参数的确定 l _ 1 1 汽侧蒸汽传热分 系数的计算(1)蒸汽与管外壁相接触，在壁面上形成一层液 膜，高加蒸凝段内蒸汽流速不高，故此液膜呈层流流 动，成为液膜层流放热。竖管的蒸汽对管壁的传热分 系数为：厂 一 1 一 O _ 9 1 8 7 B )式中：B为系数，可查取；r 为汽化潜热；为竖管束 在汽侧两隔板间的平均高度；t 为蒸汽饱和温度；t m为 汽侧管壁温度。(2)当疏水或过热蒸汽纵掠管束时，疏水或过热 蒸汽至管壁的传热分系数为：a s 2一1 0 0 2 3 Re Pr (2)e 式中：为以平均温度计的介质热导率；d 为介质通 道的当量直径。Re 和 P r为介质平均温度的雷诺数和 普朗特数。1 1 _ 2 管壁 至给 水 的传 热分 系数 在高加运行条件下，管 内给水一般都呈紊流流 动_ 4 ，管壁至给水的传热分系数 a 为：a 一1 0 0 2 3 掣R e 。P r (3)作者简介：张欣刚(1 9 7 5 一)男，汉族，吉林省长春人，东南大学动力工程系在读博士研究生，研读方向为火电机组运行优化及故障诊断。维普资讯 http:/ 式中：为管内介质热导率；d。为管内径。1 1 3 污垢 热阻 按美国热交换学会(HE I)标准 的推荐，高加管 内 给水侧的最小污垢热阻为 0 0 0 0 0 3 5 2 2 2 m w；高加管外表面的最 小依 附污垢 热阻为 0 0 0 0 0 5 2 8 3 3 m o C w。此最小值适用于各种管材 。1 1 4 高加各段传热 系数的计算 以管子外径为基准并计及污垢热阻的高加各段传 热系数 k按 圆壁计算为：1 ，、k as A m aw“i “i 式中 为汽侧介质至管壁的传热分系数，高加各段的 传热分系数根据不同情况按前述公式分别计算；R 为 管外污垢热阻系数；R 为管内污垢热阻系数；为管壁 厚度；为管壁热导率。对于疏冷段实际传热系数 k 为：k =Rh k (5)式 中：R h为疏冷段再热系数，取 Rh O 8 7。1 2 高加泄漏的静态仿真计算模型 1 2 1 蒸凝段泄漏的静 态热力计算方程组 高加在不同部位发生泄漏时的数学模型不同，对 其热力参数的影响也是不同的。在此，给出蒸凝段泄 漏时的热力计算方程组，疏冷段和蒸冷段泄漏的热力 计算方法与蒸凝段泄漏的热力计算类似。三段式高加 蒸凝段发生泄漏时的热力计算参数如图 1 所示。图 1 三段式高加蒸凝段发生泄漏时热力计算参数 图中D、h 、t 、P 分别为进入高加的抽汽流量、抽 汽焓、抽汽温度和抽汽压力；h 、t 为蒸 冷段蒸汽 的出 口焓和出口温度；h 、t 为高加给水入口水焓和水温；，w 、f，w 2 为疏冷段给水出E l 水焓和水温；。、为蒸凝 段给水出口水焓和水温；h z、t z 为高加给水出 口水焓 和水温；h 、t 为蒸 凝段疏水 的焓值 和水温；。、为 疏冷段疏水的焓值和水温；D 为给水流量；D I 为给水 泄漏流量。由此可列出高加各段的热力平衡方程式。蒸冷段的热平衡方程：0 l 热力 发电 2 0 0 5(1 o)l(D 一 DI)(2 一 A =D(一 h )(6)k 1 F1 At 1一(D 一 DI)(2 一 2)(7)蒸凝段的热平衡方程：(D 一D I)(2 一 ，w )+DI(一 ，w 2)一D(一 h )(8)k 2 F2 A t m 2一(D 一DI)(2 一，w 2)(9)疏冷段的热平衡方程：D (，w 2 一h 1)一(D +DI)(一)(1 O)k 3 F 3 A t 3 一 D (，w 2 一h 1)(1 1)高加整体热平衡方程：(D 一 DI)(2一 h 1)+DI(一 h 1)一D (一 ：)(1 2)上述方程(7)、(9)、(1 1)中，k 、k 2、k。分别为蒸冷 段、蒸凝段和疏冷段(三段)的传热系数；F 、F 、F 3 分 别为三段的有效传热面积；At 1、3 分别为三段 的对数平均温差。1 2 2 抽汽压损的计算 由于给水流量 D 发生泄 漏，整个 高加的换热 量 将发生变化，换热量的变化将导致高加的抽汽流量 D 发生变化，而且对 于不同的泄漏量 Dt，抽 汽流量的变 化也不同。在不 同的抽汽流量下，蒸 汽在抽汽管道 中 的流速不同，流动阻力也不同，所 以从抽汽点到高加的 蒸汽压力损失也将发生相应 的变化。假定上述过程为 等焓过程，且抽汽点的压力保持不变，抽汽压力损失 为：x p K，DA(1 3)l 0 式 中：K 为抽汽管道各段阻力系数之和；0为汽轮机抽 汽口的蒸汽密度和高加进汽口的蒸汽密度的算术平均 值。1 2 3 高加泄漏后有效传热面积的计算 高加某个部位发生泄漏时，在疏水调整门开度不 变的情况下，都会使高加的疏水水位升高。汽侧的疏 水水位升高，会淹没一部分管束的有效传热面积，从而 降低回热循环系统的热效率和热经济性。因此，有效 传热面积的计算，应该充分考虑疏水水位的变化。假定立式高加沿高度方向截 面积不 变，则疏水水 位可按下式计算：L L +Vl U I Z (1 4)八 式中：KM为体积折合成高度的系数；L 为正常的疏水 水位 为疏水的 比体积；r为给水泄漏的时间。假定立式高加管束的底端与高加底部的距离为 维普资讯 http:/ L O，管束的顶端 与高加底部的距离为 L ，则被疏水 淹 没的传热面积及没有被疏水淹没的传热面积的比例分 别为：K 一 L-Lo (1 5)K 一)2 高加泄漏的静态仿真计算实例 为了定性分析高加泄漏后给水出口温度、抽汽压 损、疏水温度等热力参数的变化，对高加不同段泄漏分 别进行计算。在计算 过程 中，均假设泄漏发生在各段 的人 口处，并且泄漏过程 中疏水调整门的开度保持不 变。以某三段式高压加热器为例，其形式为立式，U型 管束，二流程，主要技术参数见表 1。表 1 三段式高压加热器主要技术参数 参数 数值 传热管 给水 流量 k g S 给水压 力 MP a 给水 人 口温度 蒸冷段传热面积 m 蒸凝段传热面积 m 疏冷段传热面积 m 抽 汽压力 MP a 抽 汽温度 2 O号碳钢高压管 1 6 9 4 4 1 7 6 4 21 6 9 5 4 5 4 7 5 3 0 3 4 5 3 7 0 3 5 2 1 高加泄漏对给水出口温度的影响 假设三段式高加分别在蒸凝段、疏冷段和蒸冷段 产生泄漏，泄漏量以给水流量 的百分 比计，不同泄漏量 下给水出口温度随着泄漏时间的变化如图 2 所示。由图 2可见，泄漏 流量一定时，在泄漏 刚开始阶 段，若泄漏发生在蒸凝段或疏冷段，给水出口温度会突 然升高；若泄漏发生在蒸冷段，给水出口温度则突然降 低。随后一段时间内三者的给水 出口温度几乎均保持 不变，这是由于在这一段时间里高加 的疏水水位虽然 升高，但还没有淹没管束，有效传热面积不变i 当疏水 淹没管束后，有效传热面积减小，给水出口温度随时间 的变化逐渐减小。不同的泄漏量，对 给水 出 口温度 的 影响不同。对于相同的泄漏时间，泄漏量越大，给水 出 口温度变化越大。U 赠 口 丑 U 赠*口 丑 时间，s (a)蒸凝段泄漏 时 间，s (b)疏冷段泄漏 几f 漏 f 漏 墩为5 给水流 皱 f 漏 姑为 I c 1给 水流 姑 见f 漏 f 漏 姑为s 给 水流姑 f 漏 姑为I c 1 水流 一九f 漏+f 漏 为，给水流 一f 漏 为 给水流 盛 时间，s(c)蒸冷段泄漏 图2 高压加热器泄漏对给水出口温度的影响 为了便于比较，将蒸凝段、疏冷段和蒸冷段泄漏量 为 5 给水流量时对给水出 口温度 的不同影响示于图 3。时间，s 图3 高加各段泄漏量为 5 给水流量时对出口水温的影响 由图 3看出，当三段式 高加 的初参数和泄漏量相 同，在相 同时刻，蒸凝段、疏冷 段和蒸冷段分别发生泄 漏时的给水出口水温有依次降低的趋势。而且，蒸凝 段和疏冷段泄漏开始 时，高加 的出 口水温升高。蒸 冷 段泄漏开始时，高加的出口水温降低。2 2 高加泄漏对抽汽压损的影响 假设三段式高加分别在蒸凝段、疏冷段和蒸冷段 产生泄漏，泄漏量 以给水流量的百分 比计，随着泄漏时 J 垫 皇：f!l 重 维普资讯 http:/ 间的变化，得到不 同泄漏量下抽汽压损 的变化如 图 4 所示。=盖 q 器 c 三 运 q 聪 燃 器(a)蒸凝段泄漏+I J 漏+2 f 漏 为5 给 水流 一3 i 1 漏 醋为 I I 水流 时 问f 坛 (b)疏冷段泄漏 盛噩 2fll漏 为 s 绗 水 流 盛 自：f ll 漏 为 绗 水 流 差 梅 I 止泄漏 2 jI Ij=漏最为s 给水流 量 ：f ll 漏虢 为 给 水 流艟 盛 赠 芒 增 时问，s (c)蒸冷段l lI=漏 图4 高压加热器泄漏对给水出口温度的影响 由图 4可见，泄漏流量一定时，在每一段泄漏刚开 始阶段，抽汽压损突然降低，随后一段时间内抽汽压损 几乎不 变，这是由于此时疏水还未淹没管束，这一段时 间内的抽汽压损要低 于正 常值。当疏水淹没管束后，有效传热面积减小，蒸汽凝结率降低，汽侧压力升高，抽汽压损随时间的变化逐 渐减小。不 同的泄漏量，对 抽汽压损的影响不 同。对于相同泄漏 时间，泄漏量越 大，抽汽压损越小，抽汽压损减小越快。为了便于比较，将蒸凝段、疏冷段和蒸冷段泄漏量 为 5 给水流量时对抽汽压损的影响示于图 5。由图 5 看出，当高加的初参数和泄漏流量相同，在 泄漏开始阶段，蒸凝段、疏冷段和蒸冷段泄漏时分别对 抽汽压损影响有依次降低的趋势。2 3 高加泄漏对疏水温度的影响 三段式高加分别在蒸凝段、疏冷段和蒸冷段产生 泄漏，泄漏量 以给水流量 的百分 比计，随着泄漏时间的 变化，不 同泄漏量下疏水温度的变化如图 6 所示。由图 6 可见，当泄漏流量一定时，在泄漏刚开始阶 I 热力发电 2 0 0 5(1 o)1 c 宝 三 燃 菩+蒸凝段+疏 冷段+蒸冷段 时问，s 图 5 高加各段泄漏量为 5 给水量时对抽汽压损的影响 时问，店 (a)蒸凝段泄漏 时间，s (b)疏冷段t f lI=漏 尢j 漏 f ll 漏 为s 给水流量 漏 为1 0 给水流最 几 漏 辅最为s 水流量 f 捕磕为I o f 水流 破 时问，s (c)蒸冷段 漏 图6 高加泄漏对疏水温度的影响 九?漏 泄漏破为s 给水流吐 f 漏 为 I l 1给水流 段，如果泄漏发生在蒸凝段和疏冷段，疏水温度几乎不 变；而蒸冷段泄漏时，则疏水温度先是突然降低，随后 保持不变。之后三者 的疏水温度随时间的变化逐渐升 高，且泄漏量不同时，对疏水温度的影响不同。对于相 同泄漏时间，有泄漏流量越大，疏水温度越高，疏水温 度的变化率也越大的趋势。为了便于比较，将蒸凝段、疏冷段和蒸冷段 泄漏量 为 5 给水流量时对疏水温度的影 响示于图 7。由图 7 看 出，当高加 的初参数和泄漏量相同，在相 同时刻，蒸凝段泄漏和疏冷段泄漏时疏水温度 的变化 维普资讯 http:/ U 赠*增 时问，s 图7 高加各段泄漏量为 5 给水量时对疏水温度的影响 相差不大；蒸冷段 泄漏 时疏水温度要低于蒸凝段和疏 冷段泄漏时的疏水温度。3 高压加热器泄漏静态仿真计算结果 分析 3 1 高压加热器泄漏故障特征量的提取 建立高加静态仿真计算模 型，假 设沿着 高加 的预 设位置有假定给水流量 的泄漏，如果某些参量显现 出 明显的变化，它们就可能是标志泄漏的故障特征量。高加各段无泄漏和存在不同的泄漏量下，给水出 口温度、抽汽压损和疏水温度的值列于表 2。表 2 高加无泄漏和存在不同泄漏量下的各参量值 表 3中列 出了高加 各段在泄漏量为 给水 流量 的 1 0 9 6 条件下给水 出口温度、抽 汽压损和疏水温度的值 与没有泄漏时的这些变量的值的偏差值。表 3 高加泄漏量为 l 0 给水量时各参量的偏差值 由表 2和表 3中数据看 出，当高加在某一段发生 泄漏时，其给水出口温度、管道抽汽压损和疏水温度都 将变化，其 中在泄漏早期给水 出 口温度和抽 汽压损 的 变化较显著，并且泄漏发生在高加 的不同部 位时变化 程度不同，故可作为高加泄漏故障的特征量；在泄漏早 期疏水温度的变化不是很 明显，只能作 为判 断高加泄 漏故障的辅助特征量。显然，高加发生泄漏时，给水流 量和疏水水位的变化也是十分显著的，也应作为高加 泄漏故 障的特征量。3 2 高压加热器泄漏故障特征 的分析 三段式高压 加热器 的蒸凝段 和疏冷段 发生泄漏 时，出现给水流量减少，给水出口温度先升高后降低，抽汽压损减小和疏水温度升高等特征；蒸冷段发生泄 漏时，有给水流量减少，给水出口温度降低，抽汽压损 减小，疏水温度升高的特征。同时，高加各段发生泄漏 时各特征量的变化程度不 同。蒸 冷段发生泄漏 时，给 水出口温度和抽汽压损的变化都是三者中变化最大 的，且疏水温度的变 化很小；蒸凝段发生泄漏时，给水 出口温度和抽汽压损的变化都是三者中变化最小；疏 冷段发生泄漏时，给水 出口温度 和抽汽压损变化介于 上述两者之间，疏水温度变化与蒸凝段泄漏时 的疏水 温度相差不大。4 结 论(1)本文用静态仿真计算 的方法来分析高加泄漏 后其热力参数的变化趋势并提取故障的特征量，据此 验证通过比较特征量值偏离正常运行工况的方法来判 断高加泄漏发生的可能性。(2)高加发生泄漏时，总会有给水出口温度降低，抽汽压损减小，疏水温度升高，给水流量减小，疏水水 位升高等特征，并且泄漏量不同，各特征量变化程度也 不同，泄漏量越大则变化幅度越大。(下转第 2 9页)l 热力发电 2 0 0 5(1 0)l 维普资讯 http:/ 属进行固化有一定的效果，固化体的重金属浸出率较 原垃圾焚烧飞灰有所降低。(2)除 C d以外，重金属的固化效果随燃煤硫化床 飞灰添加 比例的增加而增加。(3)固化体 固化时间的延 长有利 于重金属的 固化(除 C d外)。(4)垃圾焚烧飞灰 及其 固化体 的浸 出液 中 Ni、C r 和C u 浓度和 F A2 及其固化体浸出液中 C d、P b和 Z n 浓度均低于我国相关标准中规定的最高允许浓度，而 F A1和 F A3及其固化体浸 出液中 Cd、P b和 Z n浓度 超出最高允许浓度。(5)本文固化方法对 Ni、C r和 C u的固化最有效，P b和 Z n次之，C d最差。(6)后续研究可以考虑使用水泥和燃煤流化床飞 灰的混合物作固化剂，以加强固化效果。若考虑将此 工艺应用于工程，使垃圾焚烧飞灰固化后可以资源化 利用，则有必要考虑其强度发展、浸泡的耐久性等其它 特性是否满足工程需要。E 2 3 4 E s 6 7 参考文献 8 1 苏萍，王国华，刘聿拯，等城市生活垃圾焚烧技术发展现 状 J 能源研究与信息，2 0 0 2，1 8(3)：1 4 31 4 9 S h i m Yo u n gSo o k，Kim Yo u n gKe u n，Ko n g S u n g Ho，e t a 1 Th e a d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f h e a v y me t a l s b y v a r i o u s p a r t i c l e s i z e s o f MS WI b o t t o m a s h E J Wa s t e Ma n a g e me n t，2 0 0 3，2 3(9)：8 5 18 5 7 H Vo g g，H Br a u n，M M e t z g e r，e t a 1 Th e S p e c i f i c Ro l e o f C a d mi u m a n d Me r c u r y i n Mu n i c i p a l S o l i d W a s t e I n c i n e r a t i o n J Wa s t e Ma n a g e me n t&Re s e a r c h，1 9 8 6，4：6 5 7 4 E PA Me t h o d 1 3 1 1 Ex p e r i me n t Ru l e f o r To x i c i t y Ch a r a c t e r i s t i c L e a c h in g P r o c e d u r e S Ts u c h i a i HHi g h l y Ac t i v e Ab s o r b e n t f o r S O2 Re mo v a l P r e p a r e d f r o m C o a l F l y As h E J I n d E n g C h e mRe s 1 9 9 5，3 4(4)：1 4 0 41 4 1 1 B e n s t e d J，Mu n n J u l i e t A d i s c u s s i o n o f t h e p a p e r“o n t h e d i s t i n g c t i o n b e t we e n d e l a y e d a n d s e c o n d a r y e t t r i n g i t e f o r ma t io n i n c o n c r e t e”b y Y F u a n d 3 3 B e a u d o i n J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h，1 9 9 7，1 1(2 7)：1 7 7 31 7 7 5 Yo u s u f M，Mo Ha h AAn i n f r a r e d s p e c t r o s c o p i c e x a mi n a t i o n o f c e me n t b a s e d s o l i d i f i c a t i o n s t a b i l iz a t io n s y s t e ms P o r t l a n d t y p e s V a n d I P wi t h z i n c J E n v i r o n S C i He a h h，1 9 9 2，A2 7(6)：1 5 0 31 5 1 9 T Ma g n ia l a r d i Di s p o s a l o f M S W I f l y a s h t h r o u g h a e o m b i n e d w a s h i n g i mmo b i l i s a t i o n p r o c e s s J J o u r n a l o f Ha z a r d o u s Ma t e r ia l s，2 0 0 3，9 8(1 3)：2 2 52 4 0 (上接第 l 7页)(3)三段式高加不 同部位 发生泄漏时，其 故障特 征量的变化程度和初期的变化方向不同，可以作为初 步判断泄漏部位的依据。1 2 3 4 参考文献 董卫国，徐则民 火 电厂给水加热器的运行、维护和检修 M 北京：中国电力出版社，1 9 9 7 曹先常，蒋安众，等 3 0 0 MW 火电站热力系统性能在线监 测与诊断系统 J 汽轮机技术，2 0 0 1，4 3(1)EHa n s e n e t a 1 E a r l y De t e c t i o n o f F e e d Wa t e rh e a t e r l e a k s AS ME J o u r na l o f En g i n e e r i n g f o r Ga s Tu r b i n e s a n d P o w e r E J ，1 9 9 6，1 1 8(1)蔡锡琮 高压加热器 M 北京：水利电力出版社，1 9 9 5 驴驴、c：Z 驴驴，(上接第 2 4页)4 吴杰，陈光明，屠进 冰蓄冷技术应用于燃气轮机进口空气 冷却的研究 J 热力发电，2 0 0 2，(2)：3 5 3 8 5 6 7 Ra q u e l Ga r e t a，Lu i s M Ro me o a n d An t o n i a Gi l Ec o n o mi c Op t i mi z a t i o n o f Ga s Tu r b i n e l n e t Ai r c o o l i n g S y s t e rns i n C o mb i n e d C y c l e Ap p l i c a t i o n s c P r o c e e d i n g s o f E COS 2 0 0 2，B e r l i n，Ge rm a n y HW e n a n d R GNa r u l a Ec o n o mi c s o f g a s t u r b i n e i n l e t a i r c o o l i n g f o r c o mb i n e d c y c l e p l a n t s A Th e A me r i c a n P o w e r C o n f e r e n c e 2 o o o C C h i c a g o：I 1 T，2 0 0 0 张海成 回收 L N G冷能用于发电燃气轮机进气冷却的可 行性 J 中国电力，2 0 0 2，3 5(3)：2 42 6 维普资讯 http:/