目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化在余熱鍋爐蒸汽管道三通熱應(yīng)力分析中的應(yīng)用

何家勝 江 軻 王慶韌

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）（廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司）

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化在余熱鍋爐蒸汽管道三通熱應(yīng)力分析中的應(yīng)用

何家勝*江 軻 王慶韌

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）（廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司）

運(yùn)用有限元方法分析了余熱鍋爐在25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)溫度應(yīng)力對(duì)整體應(yīng)力的影響。在余熱鍋爐25%負(fù)荷波動(dòng)的條件下，考慮溫度應(yīng)力的影響，找出了最大等效應(yīng)力隨主管、支管的內(nèi)徑及壁厚的變化規(guī)律。以主管、支管的內(nèi)徑及壁厚為變量，運(yùn)用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的方法，在給定范圍內(nèi)找到了使三通最大等效應(yīng)力為最小的內(nèi)徑和壁厚。

管道 三通 熱應(yīng)力 有限元 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化 余熱鍋爐

0 引言

余熱鍋爐是液化天然氣（LNG）電廠的重要組成部分，余熱鍋爐通過(guò)余熱回收可以生產(chǎn)熱水或蒸汽供給其它工段使用。三通是余熱鍋爐蒸汽管道的重要組成元件。由于三通主管與支管連接處的結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力的不連續(xù)性，使三通的主管與支管相貫處附近成為蒸汽管道中應(yīng)力集中較大的部位[1]；當(dāng)三通元件在高溫高壓并伴有周期性變化載荷的環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在鍋爐啟、停及調(diào)峰過(guò)程中，其熱應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，甚至?xí)?duì)蒸汽管道的壽命造成至關(guān)重要的影響。

余熱鍋爐在啟動(dòng)、停機(jī)或負(fù)荷變化過(guò)程中，由于溫度變化而產(chǎn)生的膨脹或收縮變形為熱變形。當(dāng)零部件的熱變形受到某種約束時(shí)，則會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，即為熱應(yīng)力。在三通管道中，由于蒸汽的溫度變化使得管道承受很大的熱應(yīng)力，而管道連接處應(yīng)力往往不連續(xù)，即出現(xiàn)局部應(yīng)力最大值，甚至可能會(huì)在焊縫處形成裂紋，導(dǎo)致管道內(nèi)的蒸汽泄漏。余熱鍋爐管道蒸汽一旦泄漏，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性和破壞性后果，輕則汽機(jī)停機(jī)，重則管道爆炸，給企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能準(zhǔn)確計(jì)算在溫度和壓力共同作用下三通結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的應(yīng)力。本研究采用有限元方法對(duì)LNG余熱鍋爐的三通管道進(jìn)行溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分析，找出溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的分布規(guī)律，從而求得在給定范圍內(nèi)使三通最大等效應(yīng)力為最小時(shí)主管、支管的管徑和壁厚。

1 有限元分析及優(yōu)化

以某LNG電廠余熱鍋爐三通蒸汽管道作為研究對(duì)象，由于三通管道結(jié)構(gòu)幾何形狀不連續(xù)，往往在相貫線的拐角處會(huì)形成很大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致即使管道在正常工作條件下運(yùn)行，該處的應(yīng)力也可能達(dá)到屈服狀態(tài)。余熱鍋爐的循環(huán)方式主要有冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、50%負(fù)荷波動(dòng)、25%負(fù)荷波動(dòng)5種，本文選取了最常見(jiàn)的25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的運(yùn)行方式進(jìn)行分析。

由于實(shí)際情況為上千根鰭片管并排傳熱，本文僅從余熱鍋爐的主管、支管結(jié)構(gòu)中選取其中的一個(gè)三通管道作為分析對(duì)象，對(duì)其施加邊界條件進(jìn)行分析。三通管道的基本參數(shù)如表1所示。

表1 三通管道基本參數(shù)

本文采用ANSYS Workbench軟件中的Design-Modeler模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，以便后續(xù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)做相應(yīng)的調(diào)整。用Mechanical對(duì)建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。焊縫處是主要的研究區(qū)域，因此在焊縫位置網(wǎng)格劃分相對(duì)較密。模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.1 溫度波動(dòng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力

在整個(gè)裝置運(yùn)行時(shí)，溫度和壓力不是一成不變的，在余熱鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，三通的應(yīng)力也會(huì)隨之改變。

圖1 模型及網(wǎng)格劃分

25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，即燃機(jī)負(fù)荷波動(dòng)，鍋爐操作壓力從100%（0.67 MPa） 降低到75%（0.51 MPa）左右，然后再回到100%（0.67 MPa）。在壓力為0.51 MPa，環(huán)境溫度為163.8℃，三通管內(nèi)溫度為151℃時(shí)，三通管道的最大等效應(yīng)力為53.3 MPa，如圖2所示。當(dāng)壓力從0.67 MPa降到0.51 MPa時(shí)，由壓力變化產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力下降了31.67 MPa；當(dāng)環(huán)境溫度為163.8℃，三通管內(nèi)溫度從163.8℃降到151℃時(shí)，由溫度變化產(chǎn)生的三通管道最大等效應(yīng)力達(dá)到了33.86 MPa。在該工況下，三通管道內(nèi)由溫度變化產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為由壓力變化產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力的1.069倍。所以，三通管道內(nèi)由溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力在余熱鍋爐負(fù)荷波動(dòng)時(shí)所占比例較大，不能忽視其存在。

圖2 25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)三通的最大等效應(yīng)力

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)25%負(fù)荷波動(dòng)條件下的余熱鍋爐三通管道進(jìn)行優(yōu)化分析，選取主管、支管的內(nèi)徑及壁厚作為變量[2]，分析每個(gè)變量對(duì)三通管道最大等效應(yīng)力的影響，最后使用ANSYS Workbench的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化（Goal Driven Optimization）模塊，綜合分析在四個(gè)變量的影響下，其最大等效應(yīng)力的最小值，并找出最佳的管徑和壁厚。

從圖3（a）可知：隨著主管內(nèi)徑的增大，最大等效應(yīng)力先減小后增大，然后減小再增大，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。主管內(nèi)徑為31 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)到最小值，為52.5 MPa。但主管直徑的取值需綜合考慮。

從圖3（b）可知：隨著支管內(nèi)徑的增大，最大等效應(yīng)力逐漸增大，從減小最大等效應(yīng)力的角度考慮，支管內(nèi)徑越小越好，但是支管內(nèi)徑過(guò)小，會(huì)造成支管內(nèi)流量減小或支管內(nèi)流體壓降增大，因此支管內(nèi)徑不是越小越好，需綜合考慮。

圖3 最大等效應(yīng)力影響因素曲線

從圖3（c）可知：隨著主管壁厚的增大，最大等效應(yīng)力先減小后增大，當(dāng)主管壁厚為7 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)到最小值，為48.39 MPa。

從圖3（d）可知：隨著支管壁厚的增大，最大等效應(yīng)力先減小后增大，當(dāng)支管壁厚為5 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)到最小值，為50.79 MPa。

上面分析了每個(gè)變量對(duì)三通最大等效應(yīng)力的影響，雖然其等效應(yīng)力的變化并不是單個(gè)變量影響的簡(jiǎn)單疊加，但是能作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考。ANSYS Workbench提供了目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模塊，該模塊可計(jì)算在一定約束條件下最優(yōu)的目標(biāo)值。

上面已經(jīng)運(yùn)用參數(shù)化建模，設(shè)主管內(nèi)徑為P1，支管內(nèi)徑P2，主管壁厚P3，支管壁厚P4，設(shè)置最大等效應(yīng)力為P5。進(jìn)入Goal Driven Optimization模塊，設(shè)定目標(biāo)參數(shù)為Minimize P5，條件為 30≤P1≤35， 20≤P2≤25， 4≤P3≤8， 4≤P4≤8， P2≤P1，P4≤P3。系統(tǒng)選取100個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算[3]，最后得出三個(gè)候選點(diǎn)，如表2所示。

經(jīng)優(yōu)化計(jì)算后，再結(jié)合實(shí)際情況，選取表2中第2組候選點(diǎn)并進(jìn)行取整，得到主管內(nèi)徑為33 mm、支管內(nèi)徑為20 mm、主管壁厚為7 mm、支管壁厚為7 mm。然后，經(jīng)計(jì)算得到該條件下的最大等效應(yīng)力為46.04 MPa，如圖4所示。該值比優(yōu)化前的最大等效應(yīng)力53.3 MPa降低了13.6%。這一結(jié)果對(duì)實(shí)際工程有積極的指導(dǎo)作用。

表2 最優(yōu)化候選點(diǎn)

圖4 優(yōu)化后25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)三通的最大等效應(yīng)力

2 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元方法分析了余熱鍋爐在25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)溫度應(yīng)力對(duì)整體應(yīng)力的影響。

（1）余熱鍋爐在25%負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，必須考慮溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響，因?yàn)槿ü艿纼?nèi)由溫度變化產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為由壓力變化產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力的1.069倍，這對(duì)三通管道整體的等效應(yīng)力有較大的影響。

（2）以三通管道主管、支管內(nèi)徑及壁厚作為變量，通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)三通進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選取主管內(nèi)徑為33 mm，支管內(nèi)徑為20 mm，主管壁厚為7 mm，支管壁厚為7 mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的最大等效應(yīng)力比優(yōu)化前減小了13.6%。

[1]張鋒，劉月明，樓俊.高溫壓力管道三通接頭的應(yīng)力應(yīng)變分析及仿真 [J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22（4）：356-360.

[2]劉昌領(lǐng)，羅曉蘭，葉道輝，等.采油樹(shù)輸油管道三通應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J].機(jī)械制造，2013，51（7）：5-9.

[3]程小明，王曉紅，陳建魁.基于UG和ANSYS Workbench的對(duì)輥輥形優(yōu)化 [J].機(jī)械與電子，2013（5）：3-7.

Application of Goal Driven Optimization in Thermal Stress Analysis of Tee in Waste Heat Boiler Steam Pipe

He Jiasheng Jiang Ke Wang Qingren

The influence of temperature stress on the whole stress of waste heat boiler under 25%load fluctuation was analyzed by the finite element method.Under the condition of 25%load fluctuation in waste heat boiler,considering the influence of temperature stress,the change rule of the maximum equivalent stress with the inner diameter and the wall thickness of the main pipe and the branch pipe was found out.Taking the inner diameter and the wall thickness of the main pipe and the branch pipe as variables,the corresponding internal diameter and wall thickness of the tee maximum equivalent stress were found in the given range by means of the goal driven optimization method.

Piping;Tee;Thermal stress;Finite element;Goal driven optimization;Waste heat boiler

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.003

*何家勝，男，1958年生，碩士，教授。武漢市，430205。

2016-12-20）