基于ANSYS的火力發(fā)電廠鍋爐再熱器力學(xué)仿真分析

摘 要：鍋爐再熱器是火力發(fā)電廠中常見的機(jī)械設(shè)備，再熱器集箱經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，為此提出了優(yōu)化再熱器集箱的有效措施，并利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠;鍋爐再熱器;溫度;裂紋;仿真分析

0 引言

目前，我國(guó)電力來(lái)源主要還是依靠火力發(fā)電廠。鍋爐再熱器的使用對(duì)于提高火力發(fā)電廠的能源利用效率和設(shè)備運(yùn)行可靠性具有非常重要的作用。由于溫度分布不均或者溫度過(guò)高等因素，鍋爐再熱器集箱經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋長(zhǎng)度和深度不一，最大深度高達(dá)50 mm，嚴(yán)重影響再熱器的正常使用。因此，為了保證鍋爐再熱器可以安全穩(wěn)定工作，必須采取一定的措施以消除裂紋帶來(lái)的不利影響。通過(guò)仔細(xì)觀察鍋爐再熱器集箱可以發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)的位置相對(duì)比較固定，除了受溫度分布不均影響之外，還與應(yīng)力分布不均有關(guān)。為了解決火力發(fā)電廠再熱器失效問(wèn)題，必須開展相關(guān)研究工作，以保證火力發(fā)電廠鍋爐的正常運(yùn)行。

1 火力發(fā)電廠鍋爐再熱器失效分析

通過(guò)對(duì)某超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐的觀察可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐基本構(gòu)造為單爐膛、Π型布置模式，還配置了主煤粉燃燒器，采用反向墻式切圓燃燒方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知，鍋爐再熱器集箱裂紋最常出現(xiàn)的位置處于再熱器集箱頂部與放熱管相接觸的部分，最大裂紋長(zhǎng)度可以達(dá)到65 mm，再熱器最大外部裂紋長(zhǎng)度可以達(dá)到50 mm，裂紋主要以開裂的方式出現(xiàn)。除了再熱器集箱外部，在內(nèi)部也能發(fā)現(xiàn)大小不一的裂紋，可以推斷熱應(yīng)力集中造成的熱疲勞損壞是導(dǎo)致再熱器出現(xiàn)裂紋的主要原因。除此之外，結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)不規(guī)范，加上鍋爐機(jī)組工作時(shí)的振動(dòng)也在很大程度上造成了再熱器裂紋的產(chǎn)生。

2 再熱器損壞的處理措施及預(yù)防方法

根據(jù)再熱器出現(xiàn)裂紋的形式和位置，當(dāng)再熱器蒸汽熱管段的中間位置接焊口采用雙V形坡口，放空氣管的對(duì)接焊口采用單V形坡口，能夠有效預(yù)防裂紋出現(xiàn)。在對(duì)再熱器進(jìn)行焊接前，需要仔細(xì)檢測(cè)管道有沒有出現(xiàn)破損和腐蝕現(xiàn)象，為了保證焊接的穩(wěn)定性和可靠性，可以在焊接口處布置3個(gè)固定點(diǎn)，以保證焊接過(guò)程更加均勻、準(zhǔn)確。鍋爐再熱器集箱上要盡可能只布置一個(gè)放空氣管，不要出現(xiàn)多個(gè)放空氣管并列布置的現(xiàn)象，要合理設(shè)計(jì)放空氣管的形狀結(jié)構(gòu)，水平管道要能有效適應(yīng)氣流流動(dòng)方向，盡量不要出現(xiàn)冷凝水回流現(xiàn)象，保證設(shè)備正常運(yùn)行工作。在再熱器容易出現(xiàn)裂紋的地方，可以設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，同時(shí)焊上增強(qiáng)板，從而避免火力發(fā)電廠再熱器出現(xiàn)裂紋。

3 火力發(fā)電廠鍋爐再熱器仿真分析

3.1? ? 再熱器三維模型建立及網(wǎng)格劃分

為了對(duì)火力發(fā)電廠鍋爐再熱器進(jìn)行有限元仿真分析，本文采用SolidWorks三維建模軟件建立了優(yōu)化后的鍋爐再熱器三維模型。鑒于計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間，忽略了對(duì)仿真結(jié)果影響不大的特征，只保留了必要部分，通過(guò)ANSYS自帶的網(wǎng)格劃分工具mesh對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為236 782，網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

3.2? ? 火力發(fā)電廠鍋爐再熱器仿真分析結(jié)果

鍋爐再熱器被安裝固定在鋼結(jié)構(gòu)上，采用螺栓方式固定，再熱器設(shè)有入口和出口，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅表現(xiàn)了再熱器的一部分結(jié)構(gòu)，假設(shè)鍋爐再熱器工作環(huán)境溫度為30 ℃，將優(yōu)化后的鍋爐再熱器三維模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解計(jì)算，鍋爐再熱器的應(yīng)力分布云圖如圖2所示，鍋爐再熱器的位移分布云圖如圖3所示，鍋爐再熱器的溫度分布云圖如圖4所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐再熱器此時(shí)的最大應(yīng)力為113.6 MPa，最小應(yīng)力為0.389 04 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)接口處，最小應(yīng)力出現(xiàn)在鍋爐底部固定位置，此時(shí)最大應(yīng)力仍在安全范圍內(nèi)，且數(shù)值相對(duì)較小，優(yōu)化后的鍋爐再熱器出現(xiàn)裂紋的可能性較低。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐再熱器此時(shí)的最大位移為0.8 mm左右，最小位移為0.089 mm左右，最大位移出現(xiàn)在鍋爐再熱器尾部，最小應(yīng)力出現(xiàn)在鍋爐再熱器頭部，此時(shí)最大位移仍在安全范圍內(nèi)，且數(shù)值相對(duì)較小，通過(guò)位移數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的鍋爐再熱器出現(xiàn)裂紋的可能性較低。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐再熱器此時(shí)最大溫度為57.382 ℃，最小溫度為56.816 ℃，最大溫度出現(xiàn)在鍋爐再熱器兩端，最小溫度出現(xiàn)在鍋爐再熱器中間位置，此時(shí)最大溫度與最小溫度的溫差較小，不會(huì)出現(xiàn)熱力失衡現(xiàn)象，通過(guò)溫度數(shù)據(jù)也可以看出，優(yōu)化后的鍋爐再熱器出現(xiàn)裂紋的可能性較低。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鍋爐再熱器對(duì)于保證火力發(fā)電廠正常運(yùn)營(yíng)具有重要影響，考慮到傳統(tǒng)再熱器容易由于溫度分布不均出現(xiàn)裂紋，采取了再熱器蒸汽熱管段的中間位置接焊口采用雙V形坡口，放空氣管的對(duì)接焊口采用單V形坡口等方法，有效避免了裂紋的出現(xiàn)，并采用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，證明優(yōu)化后的鍋爐再熱器可以有效避免裂紋的出現(xiàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王冬冬.關(guān)于火力發(fā)電廠鍋爐再熱器集箱裂紋原因分析及預(yù)防措施探討[J].科技資訊，2019，17（21）：28.

[2] 王能淼.鍋爐再熱器水壓試驗(yàn)堵閥更換過(guò)程控制[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（6）：91-92.

收稿日期：2019-12-23

作者簡(jiǎn)介：商江東（1984—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向：熱能動(dòng)力。