600 MW機(jī)組啟動(dòng)分離器安全性計(jì)算與分析

徐海川， 孫海華， 殷士杰

(1.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 鄭州 450007； 2.陜西大唐新能電力設(shè)計(jì)有限公司, 西安 710032)

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600 MW機(jī)組啟動(dòng)分離器安全性計(jì)算與分析

徐海川1， 孫海華2， 殷士杰1

(1.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 鄭州 450007； 2.陜西大唐新能電力設(shè)計(jì)有限公司, 西安 710032)

摘要：以HG1970/25.4-YM7型超臨界直流鍋爐的啟動(dòng)分離器作為研究對(duì)象，采用理論分析的方法，對(duì)以啟動(dòng)分離器為厚壁承壓構(gòu)件的壓力容器進(jìn)行了應(yīng)力和安全性的研究，并探討了其啟動(dòng)狀態(tài)和正常運(yùn)行的工作過程及特點(diǎn)，在分析時(shí)考慮內(nèi)壓荷載及熱應(yīng)力荷載。研究表明，啟動(dòng)分離器的應(yīng)力及安全性滿足要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)?dòng)分離器；安全性分析；理論分析；機(jī)械應(yīng)力；熱應(yīng)力

對(duì)于超臨界直流鍋爐，啟動(dòng)分離器是連接水冷壁及過熱器的樞紐。啟動(dòng)分離器的正常工作是過熱器安全運(yùn)行的重要保障，啟動(dòng)分離器的啟動(dòng)特性決定了蒸汽的參數(shù)(壓力、溫度)及蒸汽流量。它的穩(wěn)定性和靈活性決定了直流鍋爐在低負(fù)荷下的調(diào)節(jié)特性[1-2]。本文主要采用理論分析的方法對(duì)600 MW超臨界機(jī)組啟動(dòng)分離器安全性進(jìn)行分析，將其簡(jiǎn)化為厚壁圓筒模型，對(duì)各工況下啟動(dòng)分離器的壁溫及其應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，從而對(duì)其各工況下安全性進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1啟動(dòng)分離器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文研究對(duì)象是超臨界直流鍋爐的啟動(dòng)分離器(HG1970/25.4-YM7型)。啟動(dòng)分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示。從水平煙道側(cè)包墻和管束集箱出來24根汽水導(dǎo)管，每個(gè)啟動(dòng)分離器各有6根下傾15°的切向引入管在啟動(dòng)分離器的頂管引入，汽水混合物在分離器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，并靠離心作用和重力作用進(jìn)行汽水分離[3-4]。在啟動(dòng)分離器內(nèi)的中部偏上位置設(shè)有脫水裝置，其作用是消除介質(zhì)旋轉(zhuǎn)和向下的動(dòng)能，使啟動(dòng)分離器及與之相連的儲(chǔ)水箱中的水位穩(wěn)定。在啟動(dòng)分離器的底端設(shè)有水消旋器并連接1根?324×50出口導(dǎo)管，將分離出來的水引至儲(chǔ)水箱；在啟動(dòng)分離器的上端設(shè)有蒸汽消旋裝置，并連接1根?324×50出口導(dǎo)管，每根出口導(dǎo)管通過6根?219×35的頂棚入口集箱連接管將蒸汽引至頂棚過熱器入口集箱。

圖1　啟動(dòng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖

啟動(dòng)分離器為立體筒體，共4只，在鍋爐前部的上方，距前水冷壁的中心線距離為3.575 m，啟動(dòng)分離器間的距離為5.25 m。啟動(dòng)分離器外徑為610 mm，壁厚為65 mm，筒身高度為8.363 m，材料為低合金鋼WB36(Ni-Cu-Mo鋼)，每只啟動(dòng)分離器通過2根吊桿懸吊在鍋爐頂板上。

2啟動(dòng)分離器的應(yīng)力計(jì)算

2.1機(jī)械應(yīng)力計(jì)算

由冷態(tài)啟動(dòng)曲線(如圖2所示)，取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析,其各自時(shí)間及其對(duì)應(yīng)壓力和溫度列于表1。

圖2　啟動(dòng)分離器冷態(tài)啟動(dòng)曲線簡(jiǎn)圖

時(shí)間/min主汽壓強(qiáng)/MPa分離器內(nèi)壁溫度/℃701.667203.0561105.278267.3831508.920302.7443508.920342.74441422.064413.9942324.167413.99

經(jīng)過分析可知，機(jī)械應(yīng)力最大的區(qū)域?yàn)閮?nèi)壁或外壁，則將內(nèi)壁r=Rn、外壁r=Rw分別代入公式:

(1)

(2)

可以得出內(nèi)外壁應(yīng)力表達(dá)如下：

內(nèi)壁：

(3)

外壁：

(4)

其中：k=Rw/Rn,Rw=0.305 m，Rn=0.240 m。

把表1中的參數(shù)代入公式(3)、(4)，可以計(jì)算出啟動(dòng)分離器各狀態(tài)點(diǎn)的機(jī)械應(yīng)力,如表2所示。

表2　啟動(dòng)分離器各狀態(tài)點(diǎn)的機(jī)械應(yīng)力　　　　MPa

2.2熱應(yīng)力計(jì)算

經(jīng)過分析可知，熱應(yīng)力的最大點(diǎn)在內(nèi)壁或外壁處，內(nèi)外壁的熱應(yīng)力表示如下[5]：

內(nèi)壁，即r=Rn處：

(5)

外壁，即r=Rw處：

(6)

把溫度場(chǎng)的狀態(tài)方程

(7)

以及結(jié)構(gòu)尺寸，分別代入式(5)、式(6)，最后得：

內(nèi)壁：

(8)

外壁：

(9)

式中：α為線膨脹系數(shù)；μ為泊松比，取值0.3；E為彈性模量；V為溫變速率；a為導(dǎo)溫系數(shù)，a=λ/ρc。

除徑向熱應(yīng)力為0外，將各狀態(tài)內(nèi)外壁環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力(且兩者相等)列于表3，計(jì)算所需的熱應(yīng)力值。

表3　啟動(dòng)分離器各狀態(tài)點(diǎn)的熱應(yīng)力　　　MPa

注：考慮開孔應(yīng)力集中后的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。

本文中，HG1970/25.4-YM7型超臨界直流鍋爐的啟動(dòng)分離器的最大應(yīng)力集中在6根引出管連接處，且斜切52°,下垂15°，可以得出公式：

k=kt[1+(tanφ)4/3]=1.53k

(10)

從而得出機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)力集中系數(shù)，如表4所示。

表4　應(yīng)力集中系數(shù)　MPa

注：另徑向溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中系數(shù)可取為2。

2.3應(yīng)力安全性分析

由于厚壁容器的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力均屬于二次應(yīng)力，兩者可直接相加，得出綜合應(yīng)力值；為了方便安全性分析，計(jì)算出應(yīng)力強(qiáng)度S3和S4,如表5所示。

表5　應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力匯總 　　　　　　　　　　　　　　　　　　MPa

由表5以及材料屈服極限的變化規(guī)律可知，最危險(xiǎn)的點(diǎn)位于狀態(tài)6縱截面的內(nèi)壁。對(duì)此處進(jìn)行校核：根據(jù)ASME規(guī)范，WB36的屈服強(qiáng)度σs為441 MPa,則根據(jù)許用應(yīng)力[σ]=σs/ns，取ns=1.5，得到：[σ]=294MPa。在σmax處，S3=487.375MPa,S4=475.879MPa,均大于許用應(yīng)力，表示不滿足第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論。但是，作為二次應(yīng)力，合成應(yīng)力只需要滿足安定性即可，而安定性指機(jī)構(gòu)在載荷、溫度等反復(fù)變化過程中，不發(fā)生塑性變形的持續(xù)循環(huán)[5]。根據(jù)安定性檢驗(yàn)：

S3≤3[σ]

可知：此時(shí)的壓力容器是安全的。

3結(jié)語

對(duì)HG1970/25.4-YM7型超臨界直流鍋爐的啟動(dòng)分離器的分析表明，啟動(dòng)分離器是安全的，雖然受到應(yīng)力強(qiáng)度理論的限制，但亦是對(duì)應(yīng)力分類理論的合理應(yīng)用，并且充分利用了材料的潛力。從數(shù)據(jù)分析可知，啟動(dòng)分離器的主要影響應(yīng)力是機(jī)械應(yīng)力，尤其是在應(yīng)力最大值(狀態(tài)6)附近。但是，當(dāng)壓強(qiáng)很小時(shí)，熱應(yīng)力也會(huì)成為主要影響應(yīng)力(狀態(tài)1)，即當(dāng)啟動(dòng)發(fā)生器狀態(tài)異常或出現(xiàn)熱沖擊等使溫變率很高時(shí)，熱應(yīng)力的值絕不可低估。這些計(jì)算與分析工作為啟動(dòng)分離器故障診斷與壽命分析系統(tǒng)提供了有效的理論計(jì)算支持，對(duì)于啟動(dòng)分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與選型也具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：陸俊杰)

The Security Calculation and Analysis of 600MW Supercritical Starting Vessel

XU Hai-chuan1， SUN Hai-hua2， YIN Shi-jie1

(1.Henan Electric Power Survey & Design Institute， Zhengzhou 450007;2. Shaanxi Datang Nnergy-saving Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Abstract:The article has taken the supercritical starting vessel of HG1970/25.4-YM7 as the concrete object. By theoretical analysis’s method, the stress and secure research has been carried out in the starting vessel as the thick-walled pressure vessel. For its start-up and normal operation of the working process and features and considering the internal pressure load and thermal stress loading conditions, the initiation of separation stress and security analysis have been carried out about the starting vessel. And the result meets the requirement.

Key words:starting vessel; security analysis; theoretical analysis; mechanical stress; thermal stress

中圖分類號(hào)：TK229.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.008

文章編號(hào)：1671-6906(2016)01-0033-04

作者簡(jiǎn)介：徐海川(1985—)，男，河南潢川人，碩士，主要研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電機(jī)組技術(shù)研究與設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-09-20