超臨界煤粉鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱應(yīng)力分析

盧洪波，姚建龍，張超

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.福建大唐國際寧德發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 寧德 355006)

超臨界煤粉鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱應(yīng)力分析

盧洪波1，姚建龍1，張超2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.福建大唐國際寧德發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 寧德 355006)

以某電廠600 MW鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱為研究對(duì)象，通過有限元軟件ANSYS對(duì)模型溫度場的分布、熱應(yīng)力的分布、機(jī)械應(yīng)力的分布和總應(yīng)力的分布進(jìn)行計(jì)算，找出應(yīng)力最大點(diǎn)MX，并對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究分析，得出了熱應(yīng)力與內(nèi)外壁溫差、溫度變化率以及機(jī)械應(yīng)力與聯(lián)箱內(nèi)蒸汽壓力的變化關(guān)系，并確定了總應(yīng)力與熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的關(guān)系，得出聯(lián)箱總應(yīng)力值的大小接近機(jī)械應(yīng)力值。

ANSYS；溫度場；溫度變化率；應(yīng)力

電力產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)的民生產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)的第一產(chǎn)業(yè)，是世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略性優(yōu)先產(chǎn)業(yè)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展飛速，對(duì)電力的需求又上一個(gè)新臺(tái)階[1]。2013年全國裝機(jī)總量為12.5億千瓦，位居全世界第一。2014年，全國社會(huì)用電總量為5.5233億千瓦時(shí)，同比增長3.8%。2015年發(fā)電總量為6.0038億千瓦，2015年我國電力裝機(jī)總?cè)萘繛?4.9億千瓦，2020年將達(dá)到20億萬千瓦，2050年將達(dá)到38億千瓦[2]。隨著用電總量的增加，我國用電峰谷差值也在增大，最大的時(shí)候可達(dá)50%，而用電峰谷差值的增大主要是由于用電結(jié)構(gòu)和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡造成的[3]。為了解決用電峰谷差值大的問題，我國新建了大批的600 MW超臨界煤粉鍋爐作為調(diào)峰機(jī)組。調(diào)峰機(jī)組具有以下兩大特點(diǎn)：第一，負(fù)荷變化劇烈；第二，啟動(dòng)頻繁[4]。

在調(diào)峰運(yùn)行過程中，鍋爐的載荷部件應(yīng)力波動(dòng)變化幅度較大，對(duì)機(jī)組造成極大損耗，成為機(jī)組安全運(yùn)行的重大隱患[5，6]。鍋爐承壓部件的損壞70%是因交變熱應(yīng)力而導(dǎo)致的疲勞損壞[7,8]，這就不得不對(duì)鍋爐承壓部件進(jìn)行熱應(yīng)力的分析。高溫過熱器出口聯(lián)箱是鍋爐承壓部件中承受的溫度最高、壓力最大的部件，聯(lián)箱能否安全運(yùn)行直接影響電廠的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益[9]。因此，有必要對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)的研究分析。

1 模型的建立和邊界條件的確定

1.1 模型的確定

本文所研究的對(duì)象為某電廠600 MW鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱，聯(lián)箱筒身的直徑為635 mm，壁厚為136 mm，筒身均勻分布64排蒸汽引入管，每排10根外接管，外接管的直徑為46 mm，壁厚為11.3 mm，相鄰兩排蒸汽引入管橫向間距304.8 mm。聯(lián)箱軸向示意圖如圖1所示，徑向示意圖如圖2所示。

圖1 聯(lián)箱軸向示意圖

圖2 聯(lián)箱徑向示意圖

圖3 劃分網(wǎng)格后的實(shí)體模型

1.2 材料屬性的確定

本次分析中，研究對(duì)象的高溫過熱器出口聯(lián)箱筒體及蒸汽引入管所選用的材料為SA-213T92/P92，其中T92表示小直徑鋼管，P92表示大直徑鋼管，T92具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 T92鋼物性參數(shù)

1.3 單元類型與邊界條件的確定

溫度場計(jì)算采用的六面體8節(jié)點(diǎn)單元SOLID70，采用分塊劃分網(wǎng)格，劃分后的模型有節(jié)點(diǎn)21 207 個(gè)，單元29 965個(gè)，劃分好網(wǎng)格后的實(shí)體模型如圖3所示。

根據(jù)有關(guān)大直流鍋爐在線壽命檢測系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)：在相同的升溫速率、不同的換熱系數(shù)條件下，不同放熱系數(shù)的內(nèi)外壁溫差值基本一致[10]。盡管集箱內(nèi)介質(zhì)對(duì)內(nèi)壁放熱系數(shù)很復(fù)雜，但就研究集箱內(nèi)外壁溫差，可視為第一類邊界條件，不用考慮具體的放熱系數(shù)。因此，聯(lián)箱的內(nèi)壁考慮為第一類邊界條件[11,12]。

2 溫度場的分布

以下為機(jī)組在升降負(fù)荷過程中聯(lián)箱內(nèi)壁溫度動(dòng)態(tài)變化圖，如圖4和圖5所示。

圖4 升負(fù)荷過程內(nèi)壁溫度隨時(shí)間變化曲線

圖5 降負(fù)荷過程聯(lián)箱內(nèi)壁溫度變化曲線

升降負(fù)荷過程的高溫過熱器出口聯(lián)箱溫度場分布如圖6和圖7所示。

圖6 升負(fù)荷溫度分布云圖

圖7 降負(fù)荷溫度分布云圖

從圖6和圖7中可以清晰直觀的發(fā)現(xiàn)：升負(fù)荷過程中，聯(lián)箱筒體內(nèi)外壁的顏色由紅色逐漸過渡到藍(lán)色，紅色區(qū)域代表的溫度高于藍(lán)色區(qū)域代表的溫度，由此可知聯(lián)箱內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，溫度沿著壁厚由內(nèi)到外逐漸降低，且內(nèi)外壁溫度差值最大為4.83 ℃；降負(fù)荷過程中，聯(lián)箱筒體內(nèi)外壁的顏色是由藍(lán)色逐漸過渡到紅色，由此可知，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度低于外壁溫度，溫度沿著壁厚由內(nèi)壁到外壁逐漸升高，且溫差最大為4.85 ℃。但是在升降負(fù)荷過程中，蒸汽引入管的內(nèi)外壁的顏色相同，聯(lián)箱外界管的溫度分布特別均勻，接近內(nèi)壁溫度，這是由于蒸汽引入管壁厚較小，傳熱較快，且傳熱較為充分，因而內(nèi)外壁溫度基本保持一致，溫差接近為零。

3 聯(lián)箱應(yīng)力分布

3.1 聯(lián)箱熱應(yīng)力的分析

3.1.1 內(nèi)外壁溫差與熱應(yīng)力的關(guān)系

聯(lián)箱的應(yīng)力分布，如圖8和圖9所示。觀察圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，升降負(fù)荷過程中，聯(lián)箱外界管的熱應(yīng)力最小，這是因?yàn)橥饨绻鼙诤褫^小，傳熱過程較快，其內(nèi)外壁溫差很小。在外界管與聯(lián)箱相貫區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，即最大熱應(yīng)力點(diǎn)MX，聯(lián)箱危險(xiǎn)點(diǎn)熱應(yīng)力與內(nèi)外壁溫差變化的關(guān)系如圖10和圖11所示。

根據(jù)圖10和圖11可知：升降負(fù)荷過程中，危險(xiǎn)點(diǎn)熱應(yīng)力的大小與內(nèi)外壁溫差絕對(duì)值的變化趨勢一致，內(nèi)外壁溫差越大，熱應(yīng)力值越大，內(nèi)外壁溫差越小熱應(yīng)力越小。雖然內(nèi)壁溫度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是內(nèi)壁溫度與熱應(yīng)力之間沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以對(duì)內(nèi)壁溫度的調(diào)節(jié)達(dá)不到調(diào)節(jié)熱應(yīng)力的效果。

圖8 升負(fù)荷熱應(yīng)力分布圖

圖9 降負(fù)荷熱應(yīng)力分布圖

圖10 升負(fù)荷過程危險(xiǎn)點(diǎn)熱應(yīng)力與內(nèi)外壁溫差的關(guān)系

圖11 降負(fù)荷過程危險(xiǎn)點(diǎn)熱應(yīng)力與內(nèi)外壁溫差的關(guān)系

3.1.2 溫度變化率與熱應(yīng)力的關(guān)系

在實(shí)際運(yùn)行過程中，內(nèi)外壁溫差與熱應(yīng)力并沒有直接的關(guān)系，內(nèi)外壁溫差也不能直接進(jìn)行調(diào)控，所以只研究內(nèi)外壁溫差并沒有多大意義。與熱應(yīng)力直接相關(guān)的是溫度變化率，它具有直接可調(diào)性，對(duì)熱應(yīng)力有著顯著的影響。取應(yīng)力最大點(diǎn)即危險(xiǎn)點(diǎn)為研究對(duì)象，著重分析該點(diǎn)的溫度變化率與熱應(yīng)力的關(guān)系，如圖12、圖13所示。

圖12 升負(fù)荷過程危險(xiǎn)點(diǎn)熱應(yīng)力與溫度變化率的關(guān)系

圖13 降負(fù)荷過程危險(xiǎn)點(diǎn)熱應(yīng)力與溫度變化率的關(guān)系

通過上圖可以看出，大部分時(shí)間溫度變化率的值比較平穩(wěn)，當(dāng)溫度變化率突然增大時(shí)，熱應(yīng)力值也隨之突然增大，但當(dāng)溫度變化率突然降低時(shí)，機(jī)械應(yīng)力也隨之突然降低，但降低速度較慢，且持續(xù)時(shí)間較長。這主要是由于聯(lián)箱的筒壁較厚，當(dāng)溫度變化率突然增大時(shí)，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度立即響應(yīng)，溫度升高，但熱量的傳遞需要一定時(shí)間，此時(shí)外壁溫度沒有受到溫度變化率的影響，內(nèi)外壁溫差較大，所以熱應(yīng)力值較大；在整個(gè)傳熱過程中，溫度變化率對(duì)外壁溫度也會(huì)有一定的影響，而此時(shí)的溫度變化率不變，但內(nèi)壁溫度的增長值有所減小，導(dǎo)致熱應(yīng)力的增長速度也會(huì)降低；當(dāng)溫度變化率絕對(duì)值減小時(shí)，內(nèi)外壁溫差增長速度進(jìn)一步降低甚至?xí)p少，從而熱應(yīng)力也隨之減小。

3.2 聯(lián)箱機(jī)械應(yīng)力分析

機(jī)組在升降負(fù)荷過程中聯(lián)箱內(nèi)壁壓力動(dòng)態(tài)變化圖，如圖14、圖15所示。

圖14 升負(fù)荷過程聯(lián)箱內(nèi)壁壓力隨時(shí)間變化曲線

圖15 降負(fù)荷過程聯(lián)箱內(nèi)壁壓力隨時(shí)間變化曲線

聯(lián)箱機(jī)械應(yīng)力的分布云圖，如圖16、圖17所示。

圖16 升負(fù)荷過程聯(lián)箱機(jī)械應(yīng)力分布圖

圖17 降負(fù)荷過程聯(lián)箱機(jī)械應(yīng)力分布圖

圖18 升負(fù)荷過程危險(xiǎn)點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖19 降負(fù)荷過程危險(xiǎn)點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖20 升負(fù)荷過程三種應(yīng)力變化情況

圖21 降負(fù)荷過程三種應(yīng)力變化情況

在升負(fù)荷和降負(fù)荷過程中，聯(lián)箱外界管處的機(jī)械應(yīng)力值最小，且分布均勻，內(nèi)壁處的機(jī)械應(yīng)力值大于外壁處的機(jī)械應(yīng)力值，在聯(lián)箱與外界管相貫區(qū)域的應(yīng)力值明顯大于其他區(qū)域，且該區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，也就是危險(xiǎn)點(diǎn)，即應(yīng)力最大點(diǎn)，升降負(fù)荷過程中，應(yīng)力集中點(diǎn)比較固定，如圖16與圖17所示的MX點(diǎn)，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析研究，升負(fù)荷過程機(jī)械應(yīng)力值一直在增大，最大應(yīng)力值為124.6 MPa；降負(fù)荷過程，剛開始一段時(shí)間應(yīng)力比較平穩(wěn)，在2 960 s時(shí)，應(yīng)力開始下降，應(yīng)力值最大值為116.8 MPa。在升負(fù)荷和降負(fù)荷過程，機(jī)械應(yīng)力和聯(lián)箱內(nèi)壁壓力的變化趨勢一致，壓力增大，機(jī)械應(yīng)力增大，壓力降低，機(jī)械應(yīng)力減小。根據(jù)圖18和圖19得出結(jié)論：聯(lián)箱機(jī)械應(yīng)力只受聯(lián)箱內(nèi)壁蒸汽壓力影響，其變化趨勢與內(nèi)壁壓力變化趨勢一致。

3.3 聯(lián)箱總應(yīng)力分析

總應(yīng)力是由溫度和壓力共同作用下產(chǎn)生的，是機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的疊加，以下為MX點(diǎn)三種應(yīng)力在升降負(fù)荷情況下的變化情況，圖20和圖21為總應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力的變化情況。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在升負(fù)荷和降負(fù)荷的整個(gè)過程中，聯(lián)箱的機(jī)械應(yīng)力和總應(yīng)力的變化趨勢一致，且總應(yīng)力值的大小接近機(jī)械應(yīng)力值，而熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械應(yīng)力和總應(yīng)力，整個(gè)變負(fù)荷過程，熱應(yīng)力對(duì)總應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)。升負(fù)荷過程總應(yīng)力小于機(jī)械應(yīng)力，是由于在升負(fù)荷過程，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，熱應(yīng)力的方向是由內(nèi)壁到外壁，而機(jī)械應(yīng)力的方向是由外壁到內(nèi)壁，熱應(yīng)力會(huì)抵消一部分機(jī)械應(yīng)力，所以總應(yīng)力小于機(jī)械應(yīng)力；而降負(fù)荷過程，熱應(yīng)力的方向與機(jī)械應(yīng)力方向相同，都是由外壁到內(nèi)壁，所以總應(yīng)力大于機(jī)械應(yīng)力。

賀林博[4]關(guān)于聯(lián)箱壽命管理的研究結(jié)論：(1)總應(yīng)力是由機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力耦合的，且機(jī)械應(yīng)力占比重較大；(2)聯(lián)箱的機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)壓比值是一定的，運(yùn)行過程熱應(yīng)力作用很小，總應(yīng)力和內(nèi)壓比值一定。本論文與此結(jié)論吻合。

4 結(jié) 論

(1)升負(fù)荷過程，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，降負(fù)荷過程，聯(lián)箱外壁溫度高于內(nèi)壁溫度。

(2)聯(lián)箱熱應(yīng)力與內(nèi)外壁溫差有關(guān)，但聯(lián)箱內(nèi)壁溫度與熱應(yīng)力無直接關(guān)系，不可進(jìn)行聯(lián)箱熱應(yīng)力的調(diào)控，而溫度變化率可對(duì)熱應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控。

(3)聯(lián)箱的機(jī)械應(yīng)力是由聯(lián)箱內(nèi)壁蒸汽壓力的作用產(chǎn)生的，是聯(lián)箱的主要的應(yīng)力。

(4)總應(yīng)力由聯(lián)箱內(nèi)蒸汽溫度和壓力共同作用形成，但熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械應(yīng)力，對(duì)聯(lián)箱的總應(yīng)力影響較小；總應(yīng)力和聯(lián)箱機(jī)械應(yīng)力接近，且變化趨勢相同。

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The High Temperature Superheater Outlet Header Stress Analysis of Pulverized Coal Fired Boiler

Lu Hongbo1，Yao Jianlong1，Zhang Chao2

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Fujian Datang International Ningde Power Generation Co.，Ltd.，Ningde Fujian 355006)

This paper takes 600 MW boiler superheater outlet header as the research object.The model temperature field distribution，thermal stress distribution，mechanical stress distribution and total stress distribution was calculated by using the finite element software ANSYS，finding the maximum stress point MAX.Focus on the point of research and analysis，get the change relation of thermal stress and the temperature difference between the inner and outer walls，temperature change rate，mechanical stress and steam pressure in united box.Eventrally，the relationship between the total stress，thermal stress and mechanical stress is determined.It is concluded that the total stress value of the united box is close to the value of mechanical stress.

ANSYS；Temperature filed；The temperature change rate；Stress

2016-03-07

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20110409)

盧洪波(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：電站鍋爐節(jié)能技術(shù)、高效清潔燃燒技術(shù).

1005-2992(2017)01-0053-07

TK225

A

電子郵箱： luhongbo129@163.com(盧洪波)；494034739@qq.com(姚建龍)；332135634@qq.com(張超)