600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁熱應力分析

范旭宸， 陳 曄， 鄭 雄， 王泉海， 李建波， 盧嘯風

(重慶大學 低品位能源利用技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400030)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有燃料適應性極佳、運行性能良好以及環(huán)保性能優(yōu)異的優(yōu)點[1]。在一般燃燒方式下難以正常燃燒的石煤、煤矸石、泥煤、油頁巖、低熱值無煙煤以及各種工農(nóng)業(yè)垃圾等劣質(zhì)燃料都可在循環(huán)流化床鍋爐中有效燃燒。此外，循環(huán)流化床鍋爐還具有良好的負荷調(diào)節(jié)性能和低負荷運行性能，能適應調(diào)峰機組的要求[2]。

2013年4月，我國在四川白馬投運了600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，標志著我國大型循環(huán)流化床鍋爐技術達到了領先水平。超臨界循環(huán)流化床鍋爐采用了低質(zhì)量流率的垂直水冷壁管技術(本生技術)，即采用小管徑水冷壁管，使欠飽和爐水一次性流過水冷壁管并全部轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽。超臨界直流條件下水冷壁管內(nèi)流體的溫度隨管內(nèi)外換熱強度的變化而不斷變化，管壁溫度也隨之變化，本生技術水冷壁管周向溫度偏差和熱應力高于亞臨界自然水循環(huán)條件下的溫度偏差和熱應力。國內(nèi)多臺超臨界循環(huán)流化床鍋爐實爐運行情況亦表明較大的熱應力、較小的水冷壁管徑以及爐內(nèi)正壓燃燒條件，易造成水冷壁變形，加劇水冷壁磨損。

筆者通過實測600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐運行時的水冷壁溫度分布，建立了相關的計算模型，重點對距離布風板30 m高度處4.6 m×2 m區(qū)域的水冷壁管屏進行了熱應力分析。

1 實爐水冷壁壁溫的測量及數(shù)值模擬概況

1.1 600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐本體

四川白馬600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐為低質(zhì)量流率的一次中間再熱鍋爐，爐膛采用單爐膛褲衩腿、雙布風板的布置方式。

爐膛尺寸為27.9 m×15.03 m，爐膛高度(即布風板至爐膛出口中心線的距離)為55 m。爐膛內(nèi)蒸發(fā)受熱面采用一次垂直上升管膜式水冷壁結(jié)構。水冷壁管管徑為28.2 mm，壁厚為5.8 mm，節(jié)距為38.2 mm。

鍋爐主蒸汽/再熱蒸汽壓力為25.4 MPa/4.9 MPa，主蒸汽/再熱蒸汽溫度為571 ℃/569 ℃。鍋爐負荷在30%以上時為直流運行工況，鍋爐負荷在75%以上時為超臨界工況。

1.2 實爐測量工況

鍋爐設計及運行參數(shù)表明，80%負荷左右水冷壁的運行條件最惡劣。因此，實爐測量選取80%負荷，主要運行參數(shù)如表1所示。

表1 試驗工況主要運行參數(shù)

1.3 實爐壁溫測量方法

如圖1所示，鍋爐前墻及右墻水冷壁背火側(cè)在不同高度(Lev1～Lev5)上共布置74個測點，每一層的溫度測點等間距布置。圖2為測點安裝示意圖，每個測點上的K型熱電偶[12]安裝于水冷壁背火側(cè)管頂部以及鰭片中線，水冷壁管出口溫度取自分布式控制系統(tǒng)(DCS)。

圖1 測點布置示意圖

圖2 測點安裝示意圖

1.4 計算模型

采用間接法對水冷壁進行熱應力分析，即先進行熱分析，得到計算區(qū)域水冷壁管的溫度場分布，然后將其施加到結(jié)構應力分析中,求解應力及應變分布。

基于前人的研究可知,爐膛對膜式水冷壁的垂直熱流是爐內(nèi)傳熱的主要影響因素，因而建立如圖3所示的膜式水冷壁計算模型。建模時進行如下假設：(1)沿水冷壁高度方向的軸向?qū)峥梢院雎圆挥嫞?2)任一截面的管內(nèi)壁與工質(zhì)的對流換熱系數(shù)和工質(zhì)溫度不變；(3)金屬的導熱系數(shù)不隨時間變化，只與溫度變化相關；(4)經(jīng)爐墻絕熱材料散失的熱量可忽略不計；(5)管壁與鰭片具有相同的導熱性。

圖3 膜式水冷壁管壁計算模型

水冷壁管溫度場的邊界條件如下：

(1)

式中：tw為金屬溫度，℃；tp為管內(nèi)工質(zhì)溫度，℃；λ為金屬管壁和鰭片的導熱系數(shù)，W/(m·K)；hv為管內(nèi)對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；q(x)為向火側(cè)管外壁熱流密度,W/m2。q(x)及hv可由張志正的“背火側(cè)兩點法”計算得到[13]。

q(x)=q0·Ψ(x)

(2)

式中：q0為計算區(qū)域平均輻射熱負荷；Ψ(x)為管壁和鰭片接受火焰的角系數(shù)，隨x的變化而變化，計算方法見文獻[14]。

水冷壁管熱應力的邊界條件為：管屏頂端沿爐膛高度方向的垂直位移UZ=0；固定梁與水冷壁管屏接觸部分沿向火側(cè)方向的垂直位移UY=0；管屏兩端有固定梁限制部分的位移UX=0。圖4所示為計算區(qū)域邊界條件分布,其中固定梁位于背火側(cè)。

視水冷壁管材料為各向同性材料，其熱物理特性見表2。

圖4 計算區(qū)域邊界條件分布示意圖

表2 水冷壁材料的熱物理特性

計算中取材料的線膨脹系數(shù)α=1.412×10-5K-1，泊松比為0.28。

2 水冷壁壁溫實爐測量及熱應力與熱變形模擬結(jié)果

2.1 水冷壁壁溫測量結(jié)果及分析

實爐測量得到的80%負荷下的水冷壁壁溫分布如圖5所示。

由于第1層測點(Lev1)位于二次風風口上部(距耐火澆注料約1 m)，且各管進水溫度相同，故此時第一層測點的溫度高低反映了管內(nèi)工質(zhì)流量的大小。溫度越高，管內(nèi)工質(zhì)流量越??；溫度越低，管內(nèi)工質(zhì)流量越大。至鍋爐上部區(qū)域(Lev4～Lev5)時，管內(nèi)工質(zhì)經(jīng)過充分換熱，溫度高低反映了受熱的強弱。溫度越高，管壁受熱越強；溫度越低，管壁受熱越弱。由圖5可知，在第2層測點(Lev2)處測得的溫度較高的水冷壁管在上部區(qū)域(Lev4～Lev5)溫度較低，結(jié)合前文分析可知，受熱弱的水冷壁管管內(nèi)工質(zhì)流量小，在80%負荷下，水冷壁管仍具有正的流量響應特性。

在爐膛前墻下部(Lev1～Lev3)，水冷壁壁溫在靠近爐膛邊角和中心線處較高，而兩者之間區(qū)域的壁溫較低，如圖5(a)所示。這是由于爐膛邊角處邊角效應的存在以及前墻中心線處中隔墻的存在導致兩者之間區(qū)域的熱流密度偏小[15]。圖5(b)表明在爐膛右墻下部(Lev1～Lev3)邊角處的壁溫高，中間區(qū)域的壁溫相對較低。在右墻第4層測點(Lev4)處布置有旋風分離器進口通道，此處的水冷壁管進行了“讓管”處理，以形成爐膛出口煙道。為防止磨損，該處的水冷壁敷設有耐磨層，導致其吸熱量減少，形成3處溫度較低的區(qū)域。

(a) 前墻水冷壁壁溫分布

(b) 右墻水冷壁壁溫分布

圖6為各層測點平均溫度隨爐膛高度的分布。如圖6所示，水冷壁右墻的平均溫度比前墻的平均溫度高。在距離布風板30 m高度處，壁溫隨爐膛高度的增加而變化減緩。故選取距離布風板30 m處4.6 m×2 m區(qū)域的水冷壁管進行熱應力分析。

圖6 各層測點平均溫度隨爐膛高度的變化

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 水冷壁管與鰭片的熱應力分布

用Ansys數(shù)值模擬軟件對距離布風板30 m處4.6 m× 2 m區(qū)域的水冷壁管與鰭片進行熱應力分析，結(jié)果如圖7所示。熱應力分布基本上以中心管束為對稱軸呈左右對稱，其中水冷壁管與固定梁接觸部分的熱應力較大。這是因為在水冷壁管膨脹過程中，固定梁限制其變形，從而在接觸面上產(chǎn)生了較大的熱應力。另一方面，鰭片上的熱應力高于水冷壁管的熱應力。這是由于水冷壁管壁在其內(nèi)部工質(zhì)的冷卻作用下，溫度低于鰭片，兩者的熱偏差造成了較大的熱應力。正是由于壁溫分布的不均勻性，導致了水冷壁管熱應力分布的不均勻。

圖7 計算得到的水冷壁管與鰭片的熱應力分布

2.2.2 計算區(qū)域水冷壁管的變形量分布

計算區(qū)域管屏頂端的垂直位移UZ=0，底端沒有施加約束，可向下自由膨脹。計算區(qū)域水冷壁管整體向下膨脹，如圖8所示，變形量至管屏底端時可達26.30 mm。

圖8 計算區(qū)域水冷壁管Z向的變形量分布

水冷壁管在向下變形過程中，由于相鄰管的溫度不同，故存在膨脹偏差。溫度高的水冷壁管無法向下額外膨脹，只能向外或向內(nèi)側(cè)膨脹。水冷壁管Y向的變形量分布如圖9所示。固定梁與水冷壁管接觸部分的垂直位移UY=0，因而接觸部分的水冷壁管不會變形，而固定梁中間區(qū)域沒有約束，可自由膨脹，導致管屏向爐內(nèi)凸起。在計算區(qū)域中固定梁中間的區(qū)域，水冷壁向火側(cè)向爐膛內(nèi)部變形，最大變形量為1.14 mm。雖然水冷壁管屏向火側(cè)的變形量都很小，但是在實際鍋爐中，水冷壁橫向?qū)挾确謩e為15 m(前墻)和30 m(右墻)，不同區(qū)域的向火側(cè)膨脹變形存在疊加的可能性。這是水冷壁管向火側(cè)磨損加劇的主要原因之一。

圖9 計算區(qū)域水冷壁管Y向的變形量分布

3 結(jié) 論

(1)在80%負荷工況下，水冷壁管背火側(cè)溫度整體呈現(xiàn)出在爐膛下部邊角較高、中間較低，爐膛上部邊角較低、中間較高的分布。爐膛水冷壁上部和下部的壁溫分布趨勢相反，距離布風板30 m高度處區(qū)域的水冷壁管溫度沿爐膛高度方向的變化率較大，熱應力分布極不均勻。

(2)計算區(qū)域的水冷壁整體向下膨脹，最大變形量為26.30 mm。由于存在膨脹偏差，水冷壁向火側(cè)向爐內(nèi)凸起變形，最大變形量約為1.14 mm。對于整個水冷壁管屏而言，其尺寸遠大于計算區(qū)域的尺寸，存在變形量疊加的可能，會加劇水冷壁磨損，甚至造成爆管事故。

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