浅析流体环流对电能生产的影响
2024-07-22
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第 40卷第 4期2019年 12 月电站辅机Vol. 40 No.4Dec.2019Power Station Auxiliary Equipment文章编号: 1672-0210 (2019) 04-0041-05浅析流体环流对电能生产的影响王涵,林铭巧(华能福州电厂,福建 福州 350000)摘 要:影响电能生产安全性和经济性的因素有很多,其中流体流动过程中的环流对电能生产的影响很大。通过分析流体环流在电能生产中的产生机理和危害,阐述电能生产过程中热、水、电等环流对安全运行的影响,提出防止和减轻环流产生的相关技术措施和新技术、新工艺,确保电能生产的稳定可靠。关键词:环流;峰窝;分相封闭;栅格中图分类号:TK01+8文献标识码:ABrief Analysis of the Influence of Fluid Circulationon Power ProductionWANG Han, LIN Min-qiao(Huaneng Fuzhou Power Plant. Fuzhou 350000. Fujian. China)Abstract: There are many factors affecting the safety and economy of electric power generation. the circulating currentin the process of fluid flow has a great influence on the power production. By analyzing the mechanism and harm offluid circulation in power production. The influence of fluid circulation of thermal 、water、electric on safe operation inpower production process is expounded and relevant technical measures and new technologies and processes to preventand mitigate the circulation is put forward to ensure the stability and reliability of power production.Key words: circulating current; load coordination honeycomb; phase separation closure; grid0 概述环流是指流体在流动过程中以某点或以某回路环状结构为中心的循环流动。任何流体在流动中都可以形成环流,如热流、水流、气流、电1 案例2016年 8月,某发电有限责任公司发生一起爆管事故,事故导致 20多人死亡,近 10人受伤。事故原因:高压主蒸汽管道焊接处质量不合格,焊接缺陷漏检,在进行热电项目的调试过程中管道焊缝处开磁流等。在电能生产中,流体流动产生环流的主要原因是压力、温度的中心趋向性或流体能量位裂,大量高温高压蒸汽外泄导致爆管事故。金属材料的热力试验表明,当焊缝区焊接材料与母材出现结构组织差异的基础上,在焊接工艺水置差异性的分层布置,而导致中心趋向性或位置差异性的影响因素很多,包括流体流动截面突变、流动速度不稳定、粒子密度变化、中心压力低温度低、其他介质力量扰动(如某种特殊引力)及周围环境影响等。收稿日期:2019-08-31平达不到规定要求时,焊缝区金属粒子排序、间距、密度等不规则或不均匀将迅速加剧,如图 1所示,在高压高温流体通过管道时,产生环焊缝热流环流,加作者简介:王涵(1991-),男,助理工程师,研究方向:电能生产热力过程控制与稳定,电力生产安全。41电站辅机总第 15 1 期 (2019 No.的上焊缝区材料残余应力的叠加作用,环焊缝区就变成了管道性能最薄弱区,热环流辐射区恶性扩大,最终引发爆管事故。图 1 管道环焊缝区金属粒子排序、间距、密度等不规则的金相试验结构2 热流环流的影晌分析在电能生产中产生热流环流的地方和形式非常多,如:热力设备中管道间门在连接或焊接处的热环流、机械加工过程的旋转元件接触处的热环流、工质流动于流道变截面处的螺旋流、电能生产设备运行时散热条件不良形成循环热流、锅炉炉膛中的燃烧温度场涡流、循环流化床中的内外物料循环流等等。2.1 锅炉炉膛中的燃烧温度场热环流锅炉燃烧用物料由布置在炉墙四角的燃烧器(如一次、二次风口)以直流或旋流方式发散喷人炉膛,并形成以炉膛中心为圆心的切圆。由于物料从燃烧器出口流出时流道截面突然增大、压力减小、密度减小等,伴随着物料的迅速吸热而形成切圆燃烧[汀,如图 2所示。切圆燃烧方式在炉内中心形成燃烧温度场涡流,该环流使得炉内物料得以充分混合和完全燃烧,燃烧放出的大量热量被水冷壁管道内的水吸收而形成蒸汽 。/ò/气图 2 切圆燃烧方式当炉内温度场环流出现偏移、不均和环流升腾动力下降时,偏向侧炉温会相对偏高,水冷壁吸热加剧,而偏离侧炉温则相对偏低,水冷壁吸热降低,特别是在环流滞留时间较长的部位,其温度场影响更加明显。显然,炉内温度场环流的中心对称性、均匀42性和环流升腾性都会影响物料的混合和完全燃烧程度,也会造成炉膛结渣结焦、水冷壁高温还原性腐蚀和汽水管道内热力循环等情况发生 。建立良好的炉内燃烧温度场环流,保证均匀的温度动力环流特性,是大容量高参数发电机组特别是超临界压力及以上机组安全稳定运行的必要条件之一 。另外,良好的炉内燃烧温度场环流可进一步提高物料燃烧效率,大大提高锅炉运行的安全性和经济性,在满足电力需求的同时,可有效降低化石能源在一次能源消费中的比重和碳排放量,为节能环保、安全高效的能源体系建设,实现"2020年全国新建机组平均供电煤耗不超过 300 g/kwh"的目标提供强有力的技术支撑。解决措施:正确选择和合理布置燃烧器,特别是燃烧器喷人燃烧物料的流量、流速、压力、温度、密度及喷人角度等,加强燃料、冷热风等物料的运行参数在线监控和测量,密切跟踪、综合分析和及时调节燃烧系统、热力系统等运行工况,以优化炉膛中心温度场环流特性,保证锅炉及其他电能生产设备的安全稳定和可靠经济运行 。2.2 热力管道或阀门在焊接处的热流环流影晌核电、火电等发电机组蒸汽管道主要是通过焊接连接,机组一旦升温升压,热力管道与管子、管件(阀门、三通、弯头〉等焊接处将直接承受高温高压水和蒸汽工质的作用。由于焊缝区与母材在结构组织上的差异,在焊接工艺水平达不到规定要求时,焊缝区金属粒子排序、间距、密度等不规则或不均匀加剧,从而产生环焊缝热流环流,再加上焊缝区残余应力影响等原因,环焊缝区就变成了管道性能薄弱区 。由于管道焊接处长期承载高温和高压,薄弱区将逐渐变成缺陷区,在热流环流热应力和蒸汽压力荷载的共同作用下,缺陷区扩展,可能出现局部开裂、蒸汽泄漏,若未及时消除隐患,则焊缝裂开面积扩大,进而发生爆管或断裂,甚至酿成重大事故 。2016年 8月,某发电有限责任公司就发生过一起因主蒸汽管道焊接缺陷漏检而导致的重大事故。解决措施:采用蜂窝、栅格等结构的耐压耐热材料,优化管道内热力介质流动环境,减小流动阻力,改善热力工质流动特性,防止出现局部热应力集中和热疲劳点蚀,同时采用衍射时差法(TOFD)、超声检测等新技术,加大对异种材料连接、不等厚连接等浅析流体环流对电能生产的影响环焊缝处的无损检测及督查,对存在有热力应力腐蚀或疲劳问题的焊缝应不定期抽检或缩短定检周期,谨防漏检草检,有效降低热流环流对焊口的热力影响,以提高运行的安全性 。2.3 金属材料在机械加工过程中的热流环流影晌金属材料的耐压耐温等性能不足,使其无法克服热环流影响,特别是在高温工作环境及加工精度要求极高的领域,如在航天航空用发动机的高端机床加工领域,金属材料本身及其产品设备的应用深受热流环流的影响。电能生产设备和管道的金属材料在其高速加工时,加工机床的主轴和轴承间因高速旋转摩擦产生大量的热量致使主轴严重热变形,导致主轴抬升、倾斜和弯曲变形,同时产生的热环流还使刀具进一步磨损 。对高速加工机床的主轴和轴承材料进行金相分析发现:热环流产生的应力集中导致材料内部出现局部小孔活性点蚀,并有向金属内部纵深发展的趋势,小孔"深挖"使点蚀加速,显微呈穿晶、晶界两种混合形式[刀,如图 3所示。图 3中,沿晶二次裂纹清晰可见,图 3(a)中方框区域的局部放大如图 3(b)所示。主轴和轴承材料内部某些组分还会发生热环流应力导致的选择性腐蚀。1 l00 x(a) 金相扫描承材料热环流作用下内部蚀点照片55α】 ×(b)金相扫描轴承材料热环流作用下内部蚀点照片图 3 热环流强烈作用后的轴承材料金相扫描图解决措施:研究不同金属材料的热环流积散条件,从再生材料内在粒子结构、完善外在使用条件等电站辅机总第 151 期 (2019 No.4)方面加大对晶态等新型复合材料的研发,提高材料的耐温、耐压及耐力性能。2.4 电能生产设备运行时环境恶劣产生的热环流影晌电能生产设备运行时,电流经过载流通道、开关或动静触点连接处,因电磁场能量转变而出现发热并形成热力环流等现象,发热点热量则以热辐射射线和周边介质对流形式等向外界传播。若电能生产设备周边有大量的粉尘、杂质、雾蕴或其他介质粒子时,这些粒子将严重阻碍热辐射射线的向外传播,致使电能生产设备周边光化学反映活跃,热射线的折反射加剧,折反射热射线再次辐射电气设备发热点,同时由于周边介质粒子的对流散热效果下降,最终致使发热点热量进一步积聚,恶性循环,特别是在通风条件较差、散热空间不足等其他不良散热因素叠加下,发热点热流环流加剧,发热点局部由发热加剧为过热,并严重影响电能生产设备运行,造成设备的热损坏,严重时甚至发生系统局部事故。解决措施:改善电力设备外部工作环境,如强化通风散热、减少粉尘雾疆、强化对流散热效果等,降低热流环流的形成或加剧。3 工质环流的影晌分析电能生产中的工质主要有水、蒸汽、烟气等,这些工质在行进过程中遇截面突变、阻力系数波动等因素影响而产生工质环流。3.1 发电厂给水管路中水流环流影晌大容量高参数发电机组的水循环常常因水流方向紊变而产生环流,致使水中含汽量、含盐量增大,导致循环动力下降甚至发生局部过热爆管事故 。汽包锅炉的下降管人口水流易在管口出现螺旋环流(即涡流) ,一方面动量效应加剧了螺旋环流对管口金属的切向和法向冲击力,降低了金属管道耐压耐温强度,增加管口事故的发生几率;另一方面,下降管管口环流的螺旋性增加了下降管水中的含汽量,造成水循环回路动力下降,既降低了水循环蒸汽出力,也可能在上升管或直流管中产生因环状沸腾形成的传热恶化或爆管事故。另外,下降管人口螺旋环流还使得水中含盐等杂质量增加,导致管路因积垢加重引起流动截面减小和局部点蚀及过热等问题 。总之,汽水管路中螺旋环流的产生将严重影响43电站辅机总第 151 期 (2019 No.的发电机组的安全运行。解决措施:加强对给水管路中水速、水压、水温、水质等参数监控,最大程度地改善循环流动特性和提高水循环动力,减少汽水管路中的螺旋环流形成,保证电能生产安全运行。3.2 烟道中的烟气环流影晌在火电厂锅炉烟道中布置有省煤器、空气预热器等尾部受热面,通过传热提高给水和空气热始以减少炉膛燃料消耗,并降低烟气热熔及排烟热损失,提高锅炉热效率。当尾部烟道烟气进人省煤器、空气预热器等尾部受热面时,烟气通道截面发生突变。在烟气人口处因截面、流向、流速等变化而产生离心环流,烟气环流将直接切削受热面金属,随着运行时间的延长,金属受切削程度加重,受热面金属变薄,导致因切削腐蚀发生爆管事故;在烟气出口处,亦有可能出现因流速降低而造成的管道背侧环流,如图 4所示,环流使积灰加重、灰垢腐蚀加剧。图 4 管道背侧环流及积灰另外,烟气在流动过程中产生的环流还会增加流动阻力,降低烟气与受热面内工质的传热效果,致使给水口、空气出口温度下降及尾部排烟温度升高,既增加燃料消耗量,也降低了锅炉热效率,直接影响机组的安全性、经济性。解决措施:根据机组容量和尾部受热面传热要求,对烟道内的省煤器管道和空气预热器进行合理布置,采用导流、栅格、分级、错列等方式,控制烟气流速流向,改善烟气流动特性,降低烟气环流形成的可能;对易受切削的金属受热面,优先选择耐磨、耐腐且传热效果好的材料,并精化加工工艺,同时可在易被切削部位加设护套等保护措施,保证电能生产的安全运行。4 发电机出线的磁流环流发电机出线套管有A、B、C三相线,三相电流具44有同方向流动的特性,使得三相出线不仅会产生自磁场环流,同时还有存在互磁场环流干扰,出线处于自互磁场双重作用,增强了相间电动力。但是当三相负荷不平衡时,相间电动力可能极具增大,易造成相间放电、短路等故障发生。解决措施:对发电机出线母线采用分相封闭全连式结构凶,如图 5所示。母线通过封闭,不受环境影响,可有效防止相间短路,消除外界潮气、粉尘引起的接地故障,同时可让发电机组采用微正压运行方式,防止绝缘子结露,提高运行时的安全可靠性;通过母线分相,实现分相屏蔽,使磁场环流影响大为减弱,特别是在外部短路时,母线间的电动力得以大大降低,有效降低了电磁感应下电磁环流造成的发热温度和损耗;通过母线封闭,为母线增大载流量创造了有利条件。(fff?? ̄线面壳ABC(a) 分相封闭母线(b)全运式分相封闭母线图 5 封闭母线另外,针对磁流环流问题,可加大对栅格等新型材料研发及在发电机、变压器等电力设备中的应用,减轻电力设备表面的集肤效应和管线材料间的磁环流邻近效应凹,改善电力设备表面及其外部环境的电磁场分布,充分利用磁环流均匀性和抵削性,以有效降低磁环流产生的不利影响。5 结语电能生产中热流、水流、气流等环流形式较多,因流体流动的中心趋向和位置差异性等致使环流产生并严重影响电能生产的安全性和经济性。本文所分析的环流成因和解决措施为相关工程问题的解决提供了一种分析思路,并有待对此思路做进一步的浅析流体环流对电能生产的影响电站辅机总第 151期 (2019 No.4)出版社,2008,8.理论分析和相关试验验证,以有效降低水、气、烟、热等工质环流的影响,确保电能生产的安全稳定和经济运行。[2]周武仲.电力设备维修诊断与预防性试验[M].北京 :中国电力出版社,2008,3.[3]熊信银.发电厂电气设备(第四版)[M].北京 :中国电力出版社,参考文献:[1]周菊华.操高城,郝杰.电厂锅炉(第二版)[M】.北京 :中国电力2009,9.[4]赵章吉.电流磁效应引起的事故分析与解决[J],农村电工,2017,289(5) ,31-33.j 简讯j注肯将4主玲4主玲Q玲4主玲4主玲4主玲(<菁4主玲4主玲4主玲4主玲(<琦4主玲4主玲令玲4主将4主玲Q冲Q玲(<玲(<孙(<排(<将(<排(<玲(<玲念将(<玲(<玲仓玲(<玲令将(<冲4主排(<玲4主玲(<玲4主玲4主玲令将(<玲4主冲(<排字*舔水淡化锵涣"千鸣旷"啕 a毯li联合国新发布的《世界水发展报告))显示,全球用水量已达到一个世纪前的 6倍,预计到 2却05切O年还将增加 2却0% 罢; 叫 目前剧脏叩1ν凡/4州的似…人地球表面 7刊0%被水覆盖,但人类生存所必必、需的淡水资源却极其有限,仅占全球总7水k量的 2乙.5%.其余 9盯7.5%都 2j 甲饮用………短酬附缺酬的牛径脚酣合锢国……界目前;有超过 16万家海水过滤工厂,每天可生产 9500万立方米淡水,其中近半出自中东和北非。此外,马尔代夫、新加坡、卡塔尔等 8个国家生产的淡化水,甚至超过了取自天然水源的淡水量。截至 2017年底,中国已建成海水淡化 在主 工程 136个,日均产水规模近 120万吨。否海水淡化技术现有 20余种,主要分为蒸馆法和膜法两大类。蒸馆法历史久远,目前中东国家广泛采用的多级 2凶5 闪蒸技术就属于此类。该技术发明于上世纪 50年代,基本原理是把加热的海水依次通过温度、压力逐级降低的闪 主草 馆技术,可以在不超过 70摄氏度的条件下,将几个蒸发器串联操作,降低了能耗,且水垢少水质高,更具推广潜力。罢量 蒸室,使其蒸发冷凝获得淡水。这一技术大幅改善了蒸馆所产生的积垢问题,但能耗偏高。新研发的低温多效蒸 荒主 的压力,使淡水通过反透膜反渗出来,浓盐水则由另一端排放出去。随着膜性能的提高和价格的下降,反渗透法目 25 前已成为投资最少、成本最低的海水淡化手段。现阶段,生产 1立方米淡化水的能耗,已经从最初的 20多度电降至 车受 4度电以下,未来还有可能进一步降低。由于技术先进,新加坡已经把海水淡化成本降到了每立方米 0.49美元。呆害膜法中的反渗透法也是应用十分广泛的技术。主要原理是把海水经高压水泵加压处理,产生大于海水渗透压 苍立海水虽然取之不竭,淡化成本也不断降低,但目前成本依旧偏高。现有的大部分海水淡化设施都位于高收入、志在 严重缺水的国家。不过,技术的创新总是令人期待。美国莱斯大学的科研人员,利用廉价塑料透镜把阳光聚焦到 罢王 纳米光子太阳能膜的"热点"上,可以将太阳能海水淡化系统的效率提高 50%以上。金5海水淡化技术的进步令人鼓舞,但其衍生的环境问题也不容忽视。高温、高盐、掺杂化学药剂的废水,通常直 草草 接排入海洋,一定程度上影响着海洋生态环境,甚至使生物种群发生改变。因此,人类在利用海水"解渴"的同时,法草 还要加强对海域生态环境的考量,重视废水的处理工作。毒草本;Z上海市政.t优赢得冬以引水怠句容审第-水r EPC项 ̄ ̄金秋时节,继赢得杨树浦水厂深度处理工程 EPC总承包项目后,市政总院在江苏水务市场再次中标长江引水 军♀ 及句容市第一水厂工程 EPC总承包项目。该项目是总院水务板块迄今合同额最大的沪外 EPC项目。辛苦句容自有水库水源及供水设施匮乏,在上一轮给水事业发展中,采取外域供水路线。外域供水规模有限,且长 王实 距离输水安全性偏低,经常出现供需矛盾,亟待自建给水系统,结束供水被动局面。本项目设计总规模 40万时/ 界主 d.工程内容涵盖长江水源取水泵站、北山水库取水泵站、下蜀水厂、第一水厂、原水输水管线(含隧道)和清水输水 古5 管线六个子项工程。主在获得项目信息后,二院主动出击,做到设计和施工元缝衔接,技术和经营有机结合,凭借在长江沿线城市积 主辛主 累的丰富给水业绩和设计经验,加强前期策划,当好技术顾问,在交流和沟通过程中,业主对 SMEDI品牌充分认 主; 可,为项目顺利开展打下基础。j方案 ………困难和挑战二阳强有力…加强分工…出m ji不断优化完善,解惑业主疑问,打消业主担忧。项目招标时间紧,任务重,项目团队忙而不乱,投标前做好详细 宜的项目策划,确定"立足自身、扎根长江、自建水厂、确保安全"的总体原则,提出"江库联动、近远结合"的取水方针。主发挥总院 EPC总承包优势,项目管理团体提前介入,使项目设计方案和施工方案有机衔接,赢得专家的一致认可。荒草宝剑锋从磨碗出,梅花香自苦寒来。杨树浦水厂深度处理工程和长江引水及句容市第一水厂的顺利中标,是 罢去王 二院员工拼搏努力、相关部门大力支持的结果。两个项目前期策划和投标工作,院内将近一半的同志都参与其中,5 有条不紊,协同推进,团队凝聚力、内部管理水平迈上新台阶。在后续图纸设计和项目管理中,二院将以点带面,践 2导 行"工匠"基因,将两个项目建成精品工程,深耕开拓长三角给水市场,为总院"国家队"形象增光添彩。草摘自上海电气电站设备有限公司电站辅饥厂技术部《信息简讯》第 252期末草咂汤1C>)但右但均恒汤1c动恒动但忘恒动但忘但动恒动恒忘1C>)卡忘恒多卡场恒场恒>)1'忘但步-f(汤-f(>)恒非但忘但场但动但动恒多恒窃但场但今但步-f(>)1'>)但动但动但今-f(步-f(忘但忘但>)1'忘-f(>)1'早45