秸稈鍋爐的有限元建模與變形研究

錢 茹 ，盧 熹 ，張建潤

（1.東南大學成賢學院，江蘇 南京210088；2.東南大學機械工程學院，江蘇 南京211189）

0 引言

工業(yè)鍋爐水冷壁管是鍋爐的關(guān)鍵部件之一，長期承受著高溫、高壓及爐氣、水蒸氣的腐蝕和沖刷，工作環(huán)境惡劣。水冷壁管的變形、開裂往往會造成巨大的人身傷亡和財產(chǎn)損失[1]。引起水冷壁管變形可能有運行操作、安裝工藝和工藝、設備制造工藝和材料、鍋爐設計等諸多因素[2-3]。本文通過有限元法研究鍋爐自重、吊掛件重量、鍋桶熱膨脹位移、風載等因素對水冷壁管變形的影響，以減小和控制變形為目的，為鍋爐設計選取最優(yōu)化設計方案提供可靠的依據(jù)。

有限元建模是分析前提，模型的準確性直接影響計算的結(jié)果[4]。而鍋爐結(jié)構(gòu)復雜且龐大，直接用體單元計算較為困難，模型必須進行適當?shù)暮喕Ｒ虼私⒎磻獙嶋H結(jié)構(gòu)力學性能的有限元模型是關(guān)鍵。本文根據(jù)某公司自主開發(fā)設計的110 t/h秸稈鍋爐的實際運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，通過比較試件采用板梁結(jié)合建模法和三維實體建模法計算軸向載荷-變形數(shù)據(jù)，得到能夠精確反應力學性能的有限元模型。在確保有限元模型可靠的基礎(chǔ)上，對鍋爐在自重、吊掛件重量、風載、溫升等載荷作用下進行變形分析和計算，研究其薄弱點并為進一步的優(yōu)化設計提供參考。

1 有限元模型的建立

本文的研究對象為采用單鍋桶、集中下降管、自然循環(huán)、四回程“M”型布置的110 t/h高溫高壓蒸汽秸稈鍋爐。爐膛、冷卻室、過熱器室四周均為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，爐底布置水冷振動爐排。在爐膛內(nèi)布置了屏式過熱器，在冷卻室和過熱器室分別布置了高溫過熱器、中溫和低溫過熱器。尾部采用光管式省煤器及管式空氣預熱器，其四周為護板，采用鋼架支撐結(jié)構(gòu)。由于鍋爐結(jié)構(gòu)復雜、龐大，其有限元模型采用梁單元代替水管、剛性梁，板殼單元代替扁鋼、鍋桶的“板梁結(jié)合”建模法進行適當簡化。

為減少和控制模型的誤差，分別采用板梁結(jié)合建模法和實體建模法建立有限元模型，給定不同的軸向載荷計算其軸向變形。本文以φ60×5，S=80膜式水冷壁試件為例，比較不同建模法的軸向載荷-變形數(shù)據(jù)（表1所示）。由表1數(shù)據(jù)可知，兩種模型計算軸向載荷與變形都基本呈線性關(guān)系，且兩者的最大誤差2.8%.在確保計算精度的前提下，板梁結(jié)合的簡化模型比實體模型具有更高的計算效率，適用于像電廠鍋爐這樣的大型結(jié)構(gòu)的分析與計算。

表1 有限元板梁建模法與實體建模的計算數(shù)據(jù)比較

1.1 方法

應用有限元軟件ANSYS11.0采用梁單元代替水管，板殼單元代替扁鋼，分別建立φ60mm×6.5mm，φ60mm×5mm和φ51mm×5mm（扁鋼厚度δ=6 mm，節(jié)距S=80 mm）三種試件的有限元模型。考慮水管中水的重量，水管的密度用等效密度替代鋼密度，扁鋼仍為鋼密度。鋼的材料特性參數(shù)參照表2[5].

表2 鋼的特性參數(shù)

1.2 鍋爐整體結(jié)構(gòu)有限元模型的確立

采用梁單元代替管子、剛性梁，板殼單元代替扁鋼、鍋桶的建模法完成鍋爐整體結(jié)構(gòu)的建模，并設定相關(guān)參數(shù)。屏式過熱器、高溫過熱器、中溫和低溫過熱器等簡化為均布載荷。最終確立鍋爐的有限元模型如圖1所示，共包含669 846個單元，424 876個節(jié)點。

圖2 鍋爐的有限元模型

1.3 邊界條件設定

對鍋爐底部集箱實際被支撐部位施加約束，約束六個自由度；鍋爐鍋筒的下降管底部六自由度全約束。

1.4 載荷輸入

分別計算計算鍋爐自重和頂部載荷、鍋桶熱膨脹位移、風載組合作用的載荷工況。以下為鍋爐所受的載荷設置。

（1）鍋爐自重和頂部載荷

通過設定材料密度、重力加速度g=9.8 kg/m3計算鍋爐自重的影響[6]。頂部載荷保守設為屏式過熱器、高溫過熱器、中溫和低溫過熱器總重的1.5倍，均勻分配到各個吊點。

（2）鍋桶的熱膨脹位移

鍋桶熱伸長量按常用鋼材的彈性模量和線膨脹系數(shù)表計算：

式中：△L為鍋桶的熱伸長量（mm）；L為鍋桶長度（m）取值4.5；a為鍋桶材料的線膨脹系數(shù)（mm/m·℃），可查資料取值0.012[5]；t2、t1分別為管道介質(zhì)溫度（℃）和管道的設計安裝溫度（℃），分別取值500和20[6]，鍋桶熱膨脹位移為25.9mm.

（3）風載

鍋爐實際使用為Ⅲ類場地，取地面10 m高處，30年一遇10min平均最大風速為標準。當計算主要承重結(jié)構(gòu)時，風載標準值Wk按下述公式計算：

式中：βz為風壓高度變化系數(shù)1；μs為風荷載體型系數(shù) 0.8；μz為風振系數(shù) 2.5；Wo基本風壓 0.5 kN/㎡；Wk為風載標準值，計算為 1 kN/㎡[7]。

2 結(jié)果與分析

為了解鍋爐結(jié)構(gòu)的變形狀況，圖2～5顯示了由有限元方法計算出的該結(jié)構(gòu)的變形云圖。在各工況的作用下，鍋爐結(jié)構(gòu)最大變形都出現(xiàn)在鍋爐前上部，且主要變形為Y方向（垂直方向），這是需要特別關(guān)注的地方。

圖2為僅考慮鍋爐自重和頂部吊掛件重量，膜式水冷壁的最大變形量為72.238 mm，相對撓度為72.678 mm（頂部水冷壁跨度為6 800 mm），最大撓度大于鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[8]要求的撓度允許值（Lo/250=27.2 mm）。也就是說，頂部現(xiàn)有的剛性梁設計不滿足要求。

比較圖2、圖3，可以看出鍋桶的熱膨脹對鍋爐的最大變形影響也較大。鍋爐的最大變形值由73.238mm增到 86.442mm，增大了18%.

圖2 工況①作用下的變形云圖

圖3 工況①②組合作用下的變形云圖

圖4、圖5分別為前墻、側(cè)墻增加風載后鍋爐的變形云圖，通過數(shù)據(jù)顯示風載對鍋爐變形影響不明顯，可以不作為考慮的重點。

圖4 ①②③組合作用下的變形云圖（前墻受風載）

圖5 ①②③組合作用下的變形云圖（側(cè)墻受風載）

3 結(jié)論

本文分別分析了鍋爐自重、頂部吊掛件重量、鍋桶熱膨脹位移、風載對鍋爐變形的影響。通過比較分析，吊掛件重量和鍋桶熱膨脹位移對變形量的影響較大，風載影響并不很明顯。這也為鍋爐結(jié)構(gòu)的進一步改進設計以及同類鍋爐結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

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