锅炉受热面风险评估与信息化管理的研究

0 引言

近年来，随着大容量机组的连续投入运行，锅炉实际运行参数的安全余量越来越小，锅炉受热面管道的安全性问题愈发突出。掺烧、新型钢焊接、氧化和调峰运行等问题成为制约锅炉受热面管道安全运行的主要因素。据统计，国内机组由于锅炉四管泄漏引起的停运时间占机组非计划停运时间的40%左右，占锅炉设备非计划停运时间的70%[1]。如何通过合理的防磨防爆管理和设备的健康状况评估，降低设备的非计划停运已成为各个电厂的重要工作。目前，传统的"四管"检修完全是一种计划检修模式，高温管道是否需要更换完全依靠人工检查，基本不考虑受热面管道的长期运行历史。这种检查方式效率较低，而且容易发生过检和缺检。如何建立基于长期设备运行历史数据的状态评估和实现计划检修向状态检修转变的问题，已得到了各个电厂的重视。

本文通过分析现有检修管理的不足之处，对电厂长期检修数据建立管理档案，实现检修信息的数字化管理，并形成设备健康度的分析报告，使防磨防爆工作能够做到有的放矢。在此基础上，对受热面管道的运行参数进行实时采集与检测，动态检测管道运行状况，实现在线监测与离线分析相结合的防磨防爆管理。最后，针对锅炉结构复杂，防磨防爆工作中缺陷位置无法直观描述和定位的问题，提出了基于浏览器/服务器(B/S)架构的锅炉防磨防爆的三维可视化管理手段，提升了管理工作的信息化和数字化水平[2-3]。

1 系统框架设计

从功能设计上，系统的数据来源包括两个方面，一是通过接口机与电厂实时数据库进行通讯，实时采集所需要的数据，如管道壁温、蒸汽的压力与温度、负荷等数据；二是每次检测的离线数据，如缺陷数据、无损和有损检测数据等。在此基础上，系统对设备的运行状况进行动态的分析，并把分析结果通过网页的方式展现给用户。系统的网络结构如图1所示。

从数据采集到最终用户的使用，整个系统分为3个层次，分别为：

(1)数据业务层。该层主要实现原始数据的采集，采集过程分为在线和离线采集，在线采集程序以30 s间隔向实时数据库(PI、EDNA等)请求数据。离线采集采用人工录入的方式，主要包括缺陷记录、割管记录和金相记录等。

式中：J、β分别为热均匀系数、管径比；α2为管内蒸汽对管壁的放热系数，W/(m2·K)；t为计算点管内工质的温度，℃；qmax为管子外壁沿周界最高热负荷，kW/m2；t为计算点管内工质的温度，℃；δ、λ为管壁厚度和金属导热系数，kW/(m2·K)。

PJI分子生物学诊断方法有其独特的优点，如快速、低成本，不低于常规诊断方法的敏感性与特异性，不仅能诊断感染及其病原菌，而且可鉴定出抗生素耐药性基因，尤其适用于细菌培养阴性、近期使用抗生素、以及低毒力细菌感染的患者。但同时缺点也较为明显，如假阳性率较高、诊断局限于特定范围的细菌、需要特定的设备、不能提供药敏结果以直接指导临床抗生素应用等。但必须肯定的是，就目前PJI诊断治疗的临床研究来看，分子生物学诊断是PJI常规诊断方法的重要补充，有其特定的临床价值。

大型锅炉受热面爆管是造成机组非计划停机的重要因素之一，大多爆管都是由于超温运行引起，准确把握受热面温分布情况，对锅炉的安全运行具有重要意义[4]。由于目前还没有测量炉内管壁温度的技术，锅炉的壁温测点大多安装在温度较低的炉顶大包内。炉内的温度分布情况只能依靠热力计算的方法近似得到。本文根据原苏联1973年锅炉机组热力计算标准方法计算炉内温度。壁温计算中引用的管圈进口蒸汽温度、进口烟气温度等热力计算数据均取自以上热力计算结果。管组中任一个管段i的焓增计算如下[5-6]：

2 系统主要功能

2.1 三维可视化管理

采用可视化的操作界面，按设备的实际位置和比例在三维建模软件内创建相关的三维数字模型库，建立与数据库相关联的三维数字模型，模型范围包括炉内受热面管道、炉外联络管、联箱、焊缝。把3dmax模型导入到商用虚拟现实软件，通过特定的编码技术实现模型与数据库的连接，最终实现B/S三维可视化模式，如图2所示。系统基本功能主要包括以下3个方面。

  

图1 系统拓扑结构

  

图2 锅炉三维全貌

C1={{4,5}}; C2={{1,2,4},{1,2,5},{1,3,4},{1,3,5},{2,3,4},{2,3,5}};

The genesis mechanism analysis and the stability evaluation of Wuxingzu landslide，at Yongxing，

(3)高风险部位提醒。通过在应用层的数据分析，可自动识别高风险部位，在三维模型中可以用特定的颜色来显示。可在三维图上显示缺陷、风险程度在不同部位的分布。

2.2 超温计算与分析

(3)高级层。该层主要包括超温分析、缺陷分析、氧化皮分析、运行指标考核和三维管理模块。

 

表1 超温类型与等级分类

  

序号部件名称一般异常报警温度/℃ 异常≥15min 扣20元 严重异常>5min扣50元 二类障碍扣100元1螺旋段水冷壁435 435≤T<465 465≤T<500 T≥5002垂直段水冷壁455 455≤T<485 485≤T<515 T≥5153低温过热器511 511≤T<561 561≤T<571 T≥5714分割屏过热器563 463≤T<583 583≤T<600 T≥6005末级过热器605 605≤T<615 615≤T<630 T≥6306低温再热器571 571≤T<581 581≤T<590 T≥5907末级再热器610 610≤T<620 620≤T<630 T≥630

注：T表示壁温。

 

式中：Kl，Kh分别为宽度和高度的吸热偏差系数；Di为蒸汽流量，kg/h；E0为计算管段的面积折算系数；d，li分别为计算管段的管径和长度，m；qf，pi为屏前、屏后、屏中、屏下烟室的辐射热负荷及辐射偏差系数；qp，qd，ζ1i，ζ2i为屏间烟气辐射和对流热负荷及其辐射偏差系数。计算点的壁温(℃)计算如下：

(2)基础应用层。该层在数据业务层基础上实现基本的统计、查询和报警功能。同时生成统计，如超温报表、缺陷报表等；同时可实现信息的在线推送，通过短信发送给相关人员。

 

Periodic soliton wave for (2+1)-dimensional breaking soliton equation

在壁温计算的基础上，可对运行情况进行考核，在分布式控制系统(DCS)中，根据不同的材质从低到高设置3个超温限值，表示超温情况从一般到严重。同时针对设备的评估特征，对在不同超温区间内的持续时间进行统计，按照超温程度分别设置一般异常、异常、严重异常、二类障碍，每类障碍按照超温幅度和时长扣除当值对应数额奖金，见表1。

系统实时捕捉超温信息，并实时对超温信息进行评价和考核，实现按值统计超温的精细化管理，督促运行人员实施调整运行策略，降低超温频次。单纯的统计与考核，不利于对超温问题的深层次分析。为了直观地对不同受热面的超温情况进行对比，选取受热面的超温点数、超温次数和超温总时长3个指标作为分析对象，同时进行机组的环向比较(本月和上月)和横向(同类型机组)比较，如图3所示。通过比较可以分析机组各个受热面产生差异的原因，进行有针对性的调整，降低超温频次，达到提高机组的运行可靠性的目的。

  

图3 超温次数统计

2.3 受热面风险分析

对锅炉受热面管进行风险评估，就是考虑锅炉受热面管在运行过程中氧化、腐蚀、减薄以及组织性能变化的不确定性[7-8]，对其存在的失效风险概率进行分析，评价锅炉受热面的安全状况，为安全运行、合理检修提供理论依据和科学指导。

(1)设备浏览与定位。在三维视角中以任意角度观察部件，可实现基本的缩放和漫游功能。输入部件编码或中文名称，可自动定位部件到视角。

本文中从宏观变形、壁厚减薄、氧化情况和超温情况等几个方面对失效风险性进行评价，见表2。以减薄风险为例，应用表2的数值，可定量的得到各个管道的风险等级。对于表2中蠕变剩余寿命的计算，文献[9]认为，在超温情况下的当量蠕变寿命tf可用实验温度下的蠕变寿命来表示：

(2)设备信息关联。在数据层上获得的数据被唯一关联到设备编码，三维实体模型在建模阶段也被赋予编码，以编码为纽带，可以通过在三维模型中点击模型查询到设备的相关信息，包括设备尺寸、材质、实时数据、历史检测数据。

 

tf=t0e1/T0-1/T 。

定义剩余寿命分数为：

K=(tf-t0)/t0 。

式中：为蠕变应变率；σ为应力值，MPa；Q为激活能，kJ/mol；T为实际温度，℃；R为通用气体常数；T0为实际运行温度，K；t0为在温度为T0、应力为σ时，蠕变量达到10%时的蠕变寿命，h；tf为在超温情况下运行的当量寿命，h；T为当量温度，等于T0加超温量ΔT，℃。

根本原因分析是通过科学、系统的分析方法查找事件的事实与真相，确认事件根本原因，并采取适当的纠正行动来防止事件重发。根本原因分析作为事件调查分析最为有效的方法，尽管针对不同类型的事件，如设备事件、人因事件和组织管理事件等，所采用的分析技术和使用的工具有所不同，或基于对事件调查和分析目的不一样，但总的调查工作都应在对事件时序清晰认识的基础上进行。

 

表2 锅炉受热面风险概率分级

  

风险分数失效可能性壁厚减薄/%氧化皮厚度/mm剩余寿命分数/K宏观检查情况0.8很高(E)≤30>0.6<0.35宏观裂纹、明显鼓包0.4高(D)20～300.3～0.60.35～0.50有鼓包0.2中等(C)10～200..1～0.30.50～0.65轻微鼓包0.1低(B)<10<0.10.65～0.80不明显0.05很低(A)不显著不显著>0.95无

通过每个超温记录的时长计算当量寿命损耗，累加后代入上式即可得到剩余寿命分数。根据剩余寿命分数的大小可以进一步定量确定锅炉受热面的风险等级，以字母A-E表示。

3 结束语

本文中开发的B/S三维可视化平台，可实现锅炉部件三维结构和数据的融合。以此为载体，可实现锅炉长期运行和检修数据的数字化管理。在数字化管理的基础上，利用历史数据对锅炉受热面进行风险性评价，实现锅炉防磨防爆的精细化管理，降低锅炉爆管概率。提出锅炉超温的分级管理思想，在风险性评价中融入实时运行壁温检测和计算数据，对锅炉的运行和检修具有一定的指导作用，可有效降低检修人力和物力的投入，提升锅炉的运行可靠性。

民族武术社成立于1987年，原名牛街武术队，后于1994年3月27日更名为民族武术社，成为北京市武术运动协会下属的二级会员单位.创始人为牛街白猿通背拳名家张贵增先生与其师兄胡绍光先生.2001年，张贵增先生被国家体育总局正式认定为国家级老武术家，中国武术七段.这是当时民间老武术家的最高段位.2006年底，民族武术社与大兴区安定镇东白塔民族小学合作，以武术作为学校民族特色，成立了牛街民族武术社东白塔武术队，与此同时，武术社也建立了自己的白猿通背拳网站.

参考文献：

[1]刘鸿国，洪道文，李耀君，等.锅炉受热面风险维修技术的应用[J].浙江电力，2009，28(2)：14-16.

[2]王桂亮.基于虚拟现实技术的电厂锅炉设备维修模拟研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2012.

[3]王娜娜,肖刚,吕慧强.基于VRML的电厂锅炉结构三维可视化探讨[J].华北电力技术,2007(2):3-7.

[4]李正刚,石端伟,廖冬梅,等.电站锅炉受热面管损伤风险评估方法研究[J].机电工程,2013,30(4):480-484.

[5]余艳芝,唐必光,李树雷.高温过热器壁温测试及计算[J].热能动力工程,2003,18(1):71-73.

[6]李冰,唐必光,余艳芝,等.电站锅炉过热器三维壁温计算的新方法[J].热力发电,2003,32(12):5-7.

[7]刘富君，孔帅，凌张伟，等.基于风险检验技术的电站锅炉过热器评定方法[J].浙江大学学报(工学版)，2011，45(10)：1791-1798.

[8]刘富君,孔帅,胡东明,等.风险评估技术在我国的应用进展[J].无损检测,2009(12):953-958.

[9]ZHAO L,JING H,XU L,et al.Numerical investigation of factors affecting creep damage accumulation in ASME P92 steel welded joint[J].Materials & Design,2012(34):566-575.