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神华神东电力重庆万州港电有限公司超超临界燃煤机组（2×1050MW）锅炉寿命在线监测系统
设计方案
东方锅炉（集团）股份有限公司
深圳东方锅炉控制有限公司
2014年10月
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目录
1概述 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。
2系统原理 (3)
2.1 疲劳寿命损耗计算 (3)
2.2 蠕变寿命损耗计算 (4)
2.3 寿命损耗计算 (4)
3系统功能 (4)
4系统配置 (5)
1．概述：
在锅炉启停、变负荷运行及持续载荷作用过程中，运行于蠕变温度范围内的锅炉主要厚壁承压部件(如主蒸汽管道、高温集箱、导汽管、集汽集箱等)承受着恒定与交变的机械应力和热应力的作用，使其产生疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗，且在产生疲劳寿命损耗的同时会加大蠕变损伤程度，而蠕变损耗的存在又会在疲劳损耗过程中促进损耗的进一步扩大，即疲劳损耗与蠕变损耗有着相互促进的交互作用。随着启停次数和运行时间的不断增加，部件的材料性能也会大幅度地弱化，这更加速了部件寿命损耗的扩大。
为了锅炉的安全运行，对这些恶劣环境下工作的部件进行寿命在线监测就显得尤为重要，建立起锅炉关键部件的寿命损耗数据库，避免发生设计寿命期内设备的损坏和人身的伤亡。同时，有利于加强对机组运行的管理和维护，延长其使用寿命。
2．系统原理
锅炉在启停和正常运行工况下的寿命损耗主要是由于疲劳、蠕变以及疲劳蠕变交互作用引起的损耗。
通过实时测量锅炉主要厚壁承压部件上的内压、壁温，计算出其壁温差和综合应力，高温部件依据ASME B&PVC 错误！未找到引用源。-NH NONMANDATORY APPENDIX T中的相关方法进行寿命损耗计算,而中温部件则依据ASME B&PVC 错误！未找到引用源。-1 MANDATORY APPENDIX 错误！未找到引用源。中的相关方法进行疲劳寿命损耗计算。
高温疲劳分析基于弹性计算，对弹性分析的计算结果进行非弹性修正，并进行蠕变分析，然后进行蠕变-疲劳交互作用损耗分析和寿命评估。
首先按照弹性分析方法计算出机械应力、热应力和应变，然后进行弹塑性修正和引入多轴应力和Possion比调整因子对应变幅进行修正，利用材料的基于单轴的蠕变松弛曲线及一次应力和二次应力相互作用的原理的计算公式，根据弹性结果直接求出一个循环中的蠕变应变增量，用该蠕变应变增量乘以相应的修正因子再次对应变幅进行修正，得到进行高温疲劳分析所需的应变幅。
蠕变损耗也是在弹性分析的基础上，确定应力松弛历史，进而进行蠕变损耗计算。将得到的疲劳损耗和蠕变损耗用于考虑疲劳和蠕变交互作用的修正的线性累积损耗准则。
2.1 疲劳寿命损耗计算
锅炉中的疲劳损耗是指低周疲劳损耗。通过对锅炉温度、压力的变化进行连续在线监测，可以得到一次启停工况中部件的疲劳应变幅S alt ，由该应变幅查疲劳应变幅曲线即可得到该次工况中的疲劳损耗值。锅炉在服役期间内的疲劳损耗值由下面的Miner法则确定：
D=Σ(1/Ni)
f
其中，Ni为第i次启停过程中的允许载荷循环次数。
2.2 蠕变寿命损耗计算
本监测系统不直接测量蠕变应变，蠕变损伤的计算通过材料的持久强度进行折算而得。由于塑性、蠕变和松弛的影响，用弹性分析方法计算的应力与实际值有较大偏差。通过三维有限元应力分析的结果可知，与锅炉的服役时间相比，在较短时间内结构应力将趋于稳定。因此可用弹性分析的方法采用合适的应力集中系数计算此稳定后的应力。而破坏时间则可通过材料的最小破坏应力曲线查出。累积蠕变损伤可由下面的Robinson 法则确定：
D=Σ(dt/t rupture(S,T))
c
其中，dt为时间间隔，t rupture(S,T) 为应力S和温度T下材料的破坏时间。
对实际的温度T，t rupture(S,T) 可通过Larson-Miller参数方程进行计算：
T·( log(Tr)+C)=P
其中，C是一材料常数，P为Larson-Miller参数，也为一常数。
2.3 寿命损耗计算
根据2.1及2.2中计算出的疲劳损耗值和蠕变损耗值，结合Miner法则和Robinson法则，锅炉在服役期限内总的寿命损耗用如下公式计算：
Σ(1/Ni)+Σ(dt/t rupture(S,T))=D
其中，D为疲劳-蠕变交互作用因子(小于1.0)，且D的大小是与疲劳、蠕变损伤比例有关的材料常数。3．系统功能
本系统实时监测主要厚壁承压部件的壁温/壁温差状况、应力状况和寿命损耗状况，优化锅炉启停过程，主要具有以下功能：
★启停及运行全过程参数监测功能
★壁温差监测功能
★主要厚壁受压部件应力监测功能
★主要厚壁受压部件寿命计算及管理功能
★报警功能
★数据存档、检索、打印及图形拷屏功能(详细功能及操作参见软件随机文档,数据存储：本项目监控计算机硬盘为：500GB，理论上能存储10年内的数据；同时，监控
计算机配有其他接口，可以方便的将数据复制出来）
●实现对主要厚壁承压部件载荷谱（温度谱﹑压力谱）在线监测
对主要厚壁承压部件内外壁温度分布、压力波动情况在线实时监测，并且提供超温、超压报警功能，保护锅炉关键承压部件。
●准确判定运行工况对关键厚壁部件寿命影响
对各种运行工况下锅炉关键承压部件寿命损耗情况进行分析，准确判断各工况运行期间锅炉关键承压部件寿命损耗情况。对超温超压的范围及累积时间﹑超参数百分比在线高参数出现时刻查询。便于运行、管理人员掌握寿命损耗率与运行品质的关系。
●全过程跟踪记录关键部件应力及寿命损耗和残余寿命
提供锅炉服役期间各启动、运行、停炉过程主要厚壁承压部件应力及寿命损耗进行记录。在线获得这些部件寿命损耗、提供寿命管理和各部件的寿命损耗值并提供运行全过程的寿命损耗与运行时间增长曲线。
●实时锅炉关键部件监测寿命损耗并对这些关键部件的运行、维修、更换提供准确信息
通过准确监测主要厚壁承压部件的工作温度、工作压力以及相应的应力及寿命损耗情况，对锅炉关键承压部件进行寿命预测，掌握锅炉关键承压部件运行状态。通过与SIS系统进行通讯，可在SIS系统中察看相关信息。
●装置系统自检测试
系统软件自动检测采集到的原始参数是否准确可靠，并具备自动纠错功能，以保证根据这些原始参数计算出的锅炉汽包、末级过热器、末级再热器出口集箱等承压部件寿命损耗的可靠性。
●寿命损耗异常报警
对应力及寿命损耗出现异常的运行工况报警，随时确保锅炉关键承压部件寿命损耗在安全范围。4．系统配置
采用独立成套方式配置系统。
所有新增温度测点信号的采集都通过本系统自带的智能化数据采集系统和工控计算机来实现。本系统需要利用已有的压力及温度信号由工控机与DCS系统通讯完成。
4.1主要承压部件及信号清单
序号部件
测点名称
内壁温度外壁温度压力
1 水冷壁出口混合
集箱
水冷壁出口混合集箱（2点，
介质温度）
新增（2点）新增（1点）
2 顶棚进口集箱顶棚出口集箱（2点，介质温新增（2点）分离器、储水罐汽
