900mw锅炉水冷壁鳍片超宽问题及处理1.docx

900MW锅炉水冷壁鳍片超宽问题分析及处理
【摘要】上海外高桥二期2×900MW火电工程，在安装阶段遇到了锅炉水冷壁局部鳍片宽度超标的问题，针对这一问题的处理和工期的尖锐矛盾，从风险评估的角度出发，经理论分析和研究，了解了鳍片超宽会产生的后果，并找出了兼顾质量和工期的解决途径。
【关键词】锅炉 水冷壁 鳍片
1、 项目及锅炉简介
上海外高桥二期工程、目前正在建设二台900MW燃煤超临界汽轮发电机组。锅炉岛由德国ALSTOM能源公司(EVT)设计并供货，锅炉为直流塔式、一次再热、单炉膛、四角切圆、固态排渣煤粉炉。第一台机组计划2003年底整组启动，2004年6月投产。锅炉的基本数据如下：
最大连续出力： 2788t/h
主蒸汽/再热蒸汽温度 542℃/568℃
主蒸汽压力 24.955MPa(BMCR工况)
炉顶标高 114.5m
炉膛截面 21.48m×21.48m
2、 问题的原由
2003年3月，ALSTOM公司派设计部门的专家对锅炉本体的安装进行了全面检查，而后以书面的形式提出了整改意见。在这其中，过渡段垂直水冷壁的修改成了一个矛盾的焦点。
图1 (背火侧)铸钢联接件
根据设计，锅炉水冷壁以接近炉膛出口的63.85m为分界(炉膛出口标高68.4m)，下部采用螺旋水冷壁，螺旋角为26.2o，上部仍为传统的垂直水冷壁。两者之间采用一种特殊的铸钢件(见图1)进行机械联接，而管内工质则通过铸件中间引出管引至外侧联箱进行混合。制造厂对水冷壁采用分片方式出厂。每片约3m宽。在安装过程中，为满足对炉膛总尺寸的要求，将部分片间鳍片进行了加宽处理。由于对鳍片宽度增加后可能会产生的负面影响认识不足，这一问题被搁置了下来。在2003年3月ALSTOM设计专家对本体的检查过程中，共确定有7处靠近螺旋水冷壁的垂直水冷壁鳍片宽度超标。
ALSTOM设计专家和总部对这一问题的意见非常明确，必须进行处理，以使这部分的鳍片宽度全部调整到最大允许值以内。
3、 ALSTOM的处理方案及与工期的矛盾
过渡段垂直水冷壁管的设计尺寸为:
管径:Ф33.7×6.3mm
节距:60mm；(最大允许值：64mm)
图2 (向火侧)铸钢联接件
鳍片:26.3×6mm
对于各超宽鳍片的处理，ALSTOM的现场专家根据设计人员的要求制定了一个工艺方案。总思路是将该处的鳍片宽度调减至最大允许值内，同时将超过允许值的部分均摊至相邻的鳍片。每个鳍片宽度拟增加3mm。以最大节距处为81mm为例，该点总共要调整(81-60)÷3=7处。又因垂直段与螺旋管的相连按2:1配置（见图2）。故垂直段需每两根（与一根螺旋管对应）设一处切割调整点。另外，在垂直段鳍片宽度调整的同时，还必须相应调整较长的一段垂直管所对应的螺旋管的角度和鳍片的宽度。由于每个铸钢联接件对应四根垂直管，故还需在其中间(如图2中黑线处)进行切割。
对于这样一个方案，施工单位感到难以接受。其一是铸钢件切割处鳍片特窄且厚，常规方法难以实施且质量也不能保证。其二是整个工艺方案的涉及面广且修改工作量大，技术要求高，难度大。按施工单位的测算，不考虑铸钢联接件的切割，完成该项任务也至少需两个月。对于第一个问题，德方表示可派遣专门人员并携带切割专用工具。对于第二个问题，德方也爱莫能助。时值4月初，锅炉本体施工已接近尾声，按计划，4月底应完成锅炉水压前的全部准备工作。如果实施这一方案，工期就将推迟一个多月。且不提在缺电形势下项目推迟投产所造成的社会影响和损失，光发电的直接收益损失就要上亿元人民币。但如果不处理这一问题，ALSTOM明确表示将不能保证设备的性能和质量，由此而产生的风险和后果将由业主来承担。因此，如何权衡并解决这样一个两难问题确实极其棘手。
4、 鳍片超宽的后果分析及对策
要对上述问题作出正确的决策，首先必须就鳍片超宽后将产生什么后果进行分析和评估。

图3 水冷壁工作示意图
炉内燃烧热主要以辐射的方式投射于水冷壁表面，再通过金属的导热由水冷壁传导至管道内侧。而后管内工质（水）通过和管道内壁间以对流放热的形式吸收热量并将其带走。（水冷壁背火侧敷有保温材料，可以视为绝热体）。由图可见，鳍片段所吸收的辐射热，是以点a为中心，在鳍片内向两侧传导至管壁。因此从定性的角度来看，鳍片的温度分布是向火侧的a点温度为最高，并沿两侧逐步降低。从定性的角度即可看出，当鳍片宽度增加后，在相同的炉内辐射热强度下，投射于鳍片表面的热量上升，这部分热量都将以a点为对称轴沿鳍片内向两侧传导。显而易见，由于传导热阻的存在，热量越高，传导温差越大，相应的a点温度将越高。
为研究鳍片表面温度分布的规律，可截取宽度为1/2（图中a-b段）的单位长度的鳍片作为研究对象。如图4：
图4 鳍片内传热示意图
现考察图中x点处的断面热通量。根据图3知，背火侧为绝热面。而鳍片的中心截面（图4的a-h面）则由于对称的原因无热量传导。亦可视为绝热面。因此，图4中鳍片的向火面投射到的热量只能在鳍片内沿x轴的正方向传导。因此，x点的垂直截面向右侧所传导的热量就等于a-x面所投射到的辐射热。即：
(1)
式中：—X断面处鳍片传导热量
—a-x面辐射吸热量
根据传热学：
(2)
式中：—X截面y点处沿x轴正方向传热量；—鳍片导热系数；
—X截面y点处沿x轴正方向温度梯度。
为简化分析，若忽略y轴上沿x轴方向温度梯度的变化，则可用X截面处的平均温度梯度取代。且因，从而式（2）便转为：
(3)
又，根据辐射传热公式：
(4)
式中：K—广义辐射传热系数； T0—炉内辐射源平均温度（绝对）；
TS(x)—x点表面温度（绝对）。
因为炉内辐射源平均温度T0远高于鳍片表面温度TS，既:
因此，当TS沿壁面从a到b点变化时，变化很小。据此，令：

qR—平均辐射传热强度
则式(4)：；将其及式(3)代入式(1)得：
(5)
解此方程得：；当x=b时，有t(b)=tb，代入得：
既： (6)
当且仅当x=0时,t(0)既为鳍片中心表面温度:
注 (7)
注：可以证明，整个上述推导过程中所作的简化而产生的综合误差很小。限于篇幅，其误差分析略。

在式(7)中，辐射传热强度qR和鳍片导热系数λ均为常数，而水冷壁管表面温
度tb受管内工质温度所钳制(通常为工质温度加约50~60℃)，故由式(7)可知，鳍片中心表面温度t(0)与鳍片宽度的平方成正比，与鳍片的厚度成反比。
至此，实际上鳍片超宽的后果已经明朗，如鳍片宽度增加，鳍片中心表面温度将呈平方关系上升，仅以节距为72mm为例，则鳍片宽度为38.3mm。与设计宽度26.3mm(节距60mm)的平方之比达2.12。也就是说鳍片表面中心相对于根部的温升将上升一倍余，鳍片材料不可能有如此的耐温裕度(ALSTOM给出的最大节距为64mm，相当于鳍片最大允许宽度30.3mm ,与设计宽度的平方之比仅为1.33。可见设计的耐温裕度很小。)。故这断不会被容忍。由此证明，ALSTOM关于超宽鳍片必须处理的意见是正确的。否则在机组启动后不久就可能将鳍片烧坏。
值得庆幸的是公式(7)同时也指出了一条解开这个两难问题的新途径：若要维持t(0)不变，可通过增加鳍片厚度h的方法来补偿宽度b2的增加。如此处理，不必去考虑原先的设计值，包括炉内辐射热强度、材料允许温度、水冷壁面温度等，只要满足几何条件b2/h不变即可。当然，在实际操作时，更换鳍片的方法并不可取，因为不可能有各种厚度的现成鳍片供选用。但是这可以通过在鳍片的两面进行堆焊的方法来达到增加厚度的目的。同样以节距72mm为例，鳍片两面可各堆焊3.5mm，使实际厚度达13mm。便可达到完全补偿的目的。而这一处理方法的工作量远小于原先的方案。对这特定时候的特定问题，在同样达到解决问题的前提下，工作量已是打开这一“死结”的关键所在。
另外，考虑到ALSTOM的设计最大节距为64mm，若以此为补偿基准，则节距为72mm处的鳍片厚度可为h=(38.32/30.32)*6=9.6mm。即堆焊总厚度只需3.6mm即可。
顺便说明的是，也曾有过在超宽鳍片处改用耐热不锈钢的设想，但考虑到该处鳍片将会出现局部高温，相应会增加表面结焦的风险，且由于其他鳍片温度较低，纵向线膨胀量相对较小，使得与该鳍片相邻的水冷壁管将承受很大的热应力。故未采用此方案。
5、 问题的实际处理

在关于这一问题的多方协调会上，当ALSTOM专家和施工单位各执己见，僵持不下时、笔者拿出了公式(7)并作了简要解释，同时提出了采用堆焊增厚鳍片的解决方案。ALSTOM的现场技术经理听后当即表示，他认为此法理论上成立，实践上可操作，他个人可以接受。当然，还需得到总部的批准。而施工单位则欣然接受，一方面，他们进一步理解了鳍片超宽必须处理的原因，另一方面，工作量与工期的矛盾已迎刃而解。
而后，ALSTOM总部针对鳍片增厚方案，采用有限元法，用计算机进行了校核计算。计算结果之一见图5。该图是以节距75mm，鳍片厚度增加一倍作为计算依据的。这验证了该方案的可行性。
图5 有限元计算结果图
不过，由式(7)可以算出，对于最宽的鳍片，采用加厚的方案进行处理，其厚度须达20mm。这相对于直径为33.7mm的水冷壁管而言似乎太厚。在不同的运行工况下，是否会对水冷壁管产生一定的附加应力等问题，ALSTOM觉得没把握，故提出建议，为保守起见，对于3处节距为72mm及以下的，采用堆焊来处理，而对于其他的4处，仍须将宽度调减下来。这一建议马上被施工单位愉快的接受。因为按可增厚鳍片的方法使其最大节距允许为72mm的原则，最大节距（81mm）处可只割开两处鳍片，而后均摊多余的21mm。使两处由原先的81/60(mm)变成70.5/70.5(mm)，再施以堆焊即可。这样，工作量可大为减少。
至此，这一两难问题的决策危机实际上已被解除。
当然，实际的操作情况与上述计划仍稍有不同，不过这已是后话。
6、 结语
对于涉外工程，特别是如外高桥二期工程此类的项目，外商对设计和设备的质量负责，经常会遇到上述一类的问题。通常情况下，应尊重外商的意见。但在特殊情况下，尤其是工期与质量风险发生严重矛盾时，在决策上不能简单的以“保质量”而丢工期的方式或“保工期”而冒风险的方法去处理。应尽可能采用理论研究的方法，分析问题的实质，评估各种风险，从而往往能找出更有效的解决问题的途径。本文介绍的只是外高桥二期工程中诸多类似案例中的一个典型而已。
7、 参考文献
1、《传热学》，扬世铭。高等教育出版社。1987。10

【Abstract】The problem of over-width in part of the waterwall fins occurred in the boiler of Shanghai Waigaoqiao Thermal Power Plant (2×900MW) Project Phase II during boiler erection, which caused the dilemma of spending more time to resolve it and ensuring the milestone of the project . In the view of risk assessment, this paper find a solution satisfying both the project quality and erection schedule by theoretical study and analysis upon the consequence of the over- width fins in boiler operation.
【Keywords】 Boiler Waterwall Fin

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