啟機階段高溫蒸汽管道彎頭溫度場及熱應(yīng)力分析

劉明，朱偉雄，丁勇能，白佳

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310011)

0 引言

燃機電廠一般以天然氣為燃料，利用高溫火焰直接驅(qū)動燃?xì)廨啓C葉輪帶動發(fā)電機發(fā)電，并將燃?xì)廨啓C排出的高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收轉(zhuǎn)換為蒸汽，再將蒸汽注入汽輪機進行發(fā)電。相比于傳統(tǒng)的燃煤電廠，燃機電廠具有整體循環(huán)效率高、污染極小、啟?？旖莸膬?yōu)點，是城市備用或調(diào)峰機組的最佳選擇。

因燃機電廠啟機階段的溫升較快，導(dǎo)致高溫蒸汽管道產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，隨著溫度的穩(wěn)定熱應(yīng)力消失，頻繁啟停機會使高溫蒸汽管道承受明顯的交變熱應(yīng)力載荷，對其疲勞壽命影響較大。因此，對啟機階段高溫蒸汽管道的溫度場及熱應(yīng)力進行分析研究具有一定的意義。

1 溫度場分析數(shù)學(xué)模型

根據(jù)蒸汽管道的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特點，可以把蒸汽管道當(dāng)作無內(nèi)熱源、各向同性的傳熱模型。根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律，無內(nèi)熱源的各向同性三維瞬態(tài)溫度場方程表達式為

(1)

式中：T為瞬時溫度，K；t為時間，s；ρ為材料密度，kg/m3；c為材料的比熱容，J/(kg·K)；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

求解該微分方程需要給定邊界條件，邊界條件描述研究區(qū)域邊界上系統(tǒng)與周圍環(huán)境的相互作用，溫度場分析中的傳熱邊界條件主要分為3類[1]，見表1。對于電廠蒸汽管道，管壁金屬與蒸汽介質(zhì)主要通過對流方式進行熱量傳遞，因而一般采用第3類邊界條件進行計算，在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，也可以采用第1類邊界條件直接給定管壁溫度進行管道溫度場及熱應(yīng)力分析。

表1 溫度場熱學(xué)邊界條件Tab.1 Temperature field thermal boundary conditions

圖1 72 h典型啟停負(fù)荷、主蒸汽溫度曲線Fig.1 Typical load and main steam temperature curves in 72 h after start-up and shutdown

2 熱應(yīng)力分析數(shù)學(xué)模型

傳熱分析一般包括溫度場和應(yīng)力場分析，溫度場和應(yīng)力場相互影響、互相耦合，傳熱問題所確定的溫度將直接影響物體的熱應(yīng)力。但對于火電廠蒸汽管道而言，熱應(yīng)力對溫度的影響不大[2]，因而可以將彎頭升溫階段的熱應(yīng)力問題看成是單向的耦合過程，只考慮溫度場對應(yīng)力場的影響，分為2個階段進行計算：首先進行溫度場的計算，得到溫度分布后，再考慮溫差分布引起的熱膨脹，從而得到熱應(yīng)力問題的物理方程(見式(2))；然后結(jié)合彈性力學(xué)中的平衡方程、幾何方程[3]即可進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的求解。

(2)

式中：σxx，σyy，σzz為各方向主應(yīng)力分量；εxx，εyy，εzz為各方向主應(yīng)變分量；τxy，τyz，τzx為各方向剪應(yīng)力分量；γxy，γyz，γzx為各方向剪應(yīng)變分量；E為材料彈性模量；μ為泊松比；G材料剪切模量；αT為材料的熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫差。

3 機組信息

某燃機電廠為STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機組，額定功率為390 MW，由PG9351FA型燃?xì)廨啓C、D10型三壓再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發(fā)電機和三壓再熱自然循環(huán)余熱鍋爐組成。高壓主蒸汽管道材質(zhì)為A335P91，規(guī)格為ID 305 mm×24 mm，設(shè)計溫度為574.9 ℃，設(shè)計壓力為10.4 MPa。

該機組主要作為調(diào)峰機組使用，一般為晝啟夜停，從電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)中讀取72 h的啟停曲線及其對應(yīng)的高壓主蒸汽溫度曲線，如圖1所示。機組常溫狀態(tài)下的啟動為冷態(tài)啟動，啟動開始后1 h左右機組負(fù)荷達到目標(biāo)值，主蒸汽溫度同時達到最大值。此后保持穩(wěn)定負(fù)荷運行至夜間停機，停機階段機組負(fù)荷在15 min左右迅速降為0，但主蒸汽管道溫度則緩慢下降，至第2天機組重啟時，主蒸汽管道及汽輪機系統(tǒng)溫度均還處于較高狀態(tài)，此時機組的重啟即為熱態(tài)啟動。

表2 P91鋼物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of P91 steel

注：密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。

4 高壓主蒸汽管道彎頭溫度場及熱應(yīng)力

計算

為研究啟機階段高溫蒸汽管道的溫度場及熱應(yīng)力分布特點，以溫度水平最高的高壓主蒸汽管道為研究對象，選取其中一、二次應(yīng)力最大值所在的90°彎頭進行分析。彎頭接管規(guī)格為?353 mm×24 mm，彎曲半徑為529.5，材質(zhì)為P91鋼，物理參數(shù)見表2[4]?？紤]熱壓彎頭內(nèi)、外弧的壁厚偏差，按照GB 50764—2012《電廠動力管道設(shè)計規(guī)范》[5]中關(guān)于彎頭壁厚的設(shè)計要求進行三維建模，并將模型導(dǎo)入有限元分析軟件進行網(wǎng)格劃分，考慮90°彎頭結(jié)構(gòu)的對稱性，沿縱剖面選取彎頭的一半進行分析，沿壁厚方向網(wǎng)格加密，如圖2所示。

圖2 彎頭有限元計算網(wǎng)格模型Fig.2 Elbow finite element analysis meshing model

考慮到彎頭外壁有較厚的保溫層，在此將其作為絕熱邊界處理。彎頭內(nèi)部為高溫蒸汽，內(nèi)表面與高溫蒸汽直接接觸，金屬管壁與高溫蒸汽之間會有熱交換，可以作第3類熱邊界條件處理。其中環(huán)境溫度就是實測的管道內(nèi)蒸汽溫度，根據(jù)BS EN12952-3—2011《水管鍋爐和輔助設(shè)備 第3部分：壓力零件的設(shè)計和計算》的建議，蒸汽的對流換熱系數(shù)可以取1 000 W/(m2·K)。

4.1 溫度場計算

按照圖1所示的啟動曲線，研究機組在冷態(tài)啟動階段(啟動時間60 min)彎頭的溫度場分布及變化。計算結(jié)果表明：內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，溫度由內(nèi)壁向外壁逐步遞減；彎頭區(qū)域的升溫速度較直管段慢；彎頭中性面區(qū)域較內(nèi)、外弧的升溫速度快。

圖3 啟機階段不同時刻彎頭溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of the elbow at different times during the start-up stage

讀取彎頭45°角方向中性面區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，得到沿壁厚方向的溫度分布曲線，如圖4所示。由圖4可以看出：在啟動溫升階段(前60 min)，沿壁厚方向的溫度梯度曲線基本一致；進入穩(wěn)定運行階段，蒸汽溫度穩(wěn)定后，沿壁厚方向的溫度分布迅速趨于一致。

4.2 熱應(yīng)力分析

彎頭內(nèi)蒸汽溫度不斷變化導(dǎo)致溫度場熱應(yīng)力的產(chǎn)生，采用熱固耦合計算得到彎頭不同時刻的熱應(yīng)力分布。其中冷態(tài)啟機階段彎頭最大Mises應(yīng)力變化曲線如圖5所示，由計算結(jié)果可知：在啟機階段的前10 min，彎頭的最大熱應(yīng)力迅速增大，然后平穩(wěn)增長，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在蒸汽溫升結(jié)束的時刻，隨著蒸汽溫度的穩(wěn)定，熱應(yīng)力迅速下降。

圖6為熱應(yīng)力峰值出現(xiàn)時刻(啟機60 min后，即蒸汽溫升結(jié)束時)的彎頭Mises應(yīng)力分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：彎頭區(qū)域熱應(yīng)力大于直管段區(qū)域熱應(yīng)力；彎頭內(nèi)表面應(yīng)力普遍大于外表面應(yīng)力；最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)表面中性面區(qū)域，最大熱應(yīng)力值為19.2 MPa。

圖4 中性面區(qū)域沿壁厚方向的溫度分布曲線Fig.4 Temperature distribution curve in the direction of wall thickness of neutral surface

圖5 啟機過程中彎頭最大Mises應(yīng)力曲線Fig.5 Maximum Mises stress curve of the elbow during the start-up

圖6 啟機60 min后彎頭Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Mises stress cloud of the elbow at 60 min after the start-up

5 結(jié)束語

針對燃機電廠頻繁啟停的特點，本文以高壓主蒸汽管道的彎頭為研究對象，進行了冷態(tài)啟機過程中的溫度場及熱應(yīng)力場分析，計算結(jié)果顯示，彎頭內(nèi)表面中性面區(qū)域的熱應(yīng)力最大。對于頻繁啟停的燃機機組，熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞損傷有顯著的影響，因此，在對彎頭結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場金屬檢驗時，應(yīng)對內(nèi)表面中性面區(qū)域加以關(guān)注。本文計算所得的彎頭溫度場、應(yīng)力場數(shù)據(jù)還可以為高溫蒸汽管道結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析提供參考數(shù)據(jù)。