電站鍋爐過熱器受熱面受力特性仿真計算及分析*

李 捷, 牛 江, 趙振旭

(1.甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.嘉峪關(guān)宏晟電熱有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

電站鍋爐過熱器受熱面管路爆管泄漏問題一直是影響火力發(fā)電廠安全、經(jīng)濟運行的重要隱患。由于其內(nèi)部高溫受熱面管路內(nèi)壁承受過熱蒸汽壓力，外壁接觸爐膛的高溫，工作條件十分惡劣，導(dǎo)致故障率較高。目前，大多數(shù)電廠采用有損評估法[1]、無損評估法[2]、解析評估法和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方式[3]，對受熱面的工作狀態(tài)進行監(jiān)測。以上方法基于過熱器受熱面管材質(zhì)特性及工況進行評估，從現(xiàn)象和結(jié)果推測過熱器受熱面管路發(fā)生故障的原因，而對管路內(nèi)壁在設(shè)計工況下受力情況進行監(jiān)測點選擇及受熱面管路壽命評估鮮有研究。

筆者針對電站鍋爐過熱器高溫受熱面壽命評估問題，采用流固耦合仿真分析的方法，在設(shè)計工況下首先求解管路內(nèi)部流場，獲得過熱器管路內(nèi)部過熱蒸汽壓力分布結(jié)果；然后將此分布結(jié)果作為管路受力特性計算的邊界條件，求解獲得過熱器管路的應(yīng)力分布情況；最后結(jié)合材料力學(xué)特性，綜合分析后確定過熱器上各監(jiān)測點位置。將流固耦合計算的方法應(yīng)用于電站鍋爐過熱器高溫受熱面受力情況及壽命評估，不但能夠直觀地表現(xiàn)管路內(nèi)部壓力分布情況，而且為過熱器上各監(jiān)測點位置的確定及設(shè)備的技術(shù)改造、維護提供理論依據(jù)，對設(shè)備的安全運行有著重要意義。

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

電站鍋爐過熱器的作用是將蒸汽從飽和溫度進一步加熱至過熱溫度，其工作原理為過熱器管屏從爐膛火焰吸收輻射熱量，將管路內(nèi)部的水蒸氣進行加熱，使之達到工作溫度。文中以某型電站鍋爐過熱器的其中一屏作為研究對象，計算管路的受力特性。所研究的電站鍋爐過熱器三維模型如圖1所示。

圖1 電站鍋爐過熱器三維模型

由于計算分析的對象為多組相同工作數(shù)的管路的組合，且計算對象的特點是管路長度長，長徑比大，為了提高計算精度，減少計算時計算機資源的開支，對三維模型進行簡化處理，取其中一條管路為計算對象，同時進行布爾運算，提取管路內(nèi)部過熱蒸汽部分計算流體域，其中管壁厚度為7.5 mm，直徑為44.5 mm，得到此段管壁和管路內(nèi)部過熱蒸汽部分的計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

1.2 計算模型網(wǎng)格劃分

在上述計算模型的基礎(chǔ)上，采用前處理軟件，對電站鍋爐過熱器管路及內(nèi)部過熱蒸汽進行計算網(wǎng)格劃分。由于模型存在彎曲及弧形特征，過熱蒸汽部分計算模型沒有復(fù)雜的幾何曲面，為提高計算精度，網(wǎng)格類型選用結(jié)構(gòu)化，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為1 520 568個，網(wǎng)格數(shù)量為1 349 805個；過熱器管路采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為1 047 242個，網(wǎng)格數(shù)量為532 588個。各部分計算部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 計算部分網(wǎng)格劃分

1.3 計算方法及控制方程

文中采用流固耦合的計算方法，對過熱器管路中過熱蒸汽進行流場仿真時，考慮其特性，做如下假設(shè)[4]：①管路內(nèi)部空間被過熱蒸汽完全充滿；②重力、體積力遠小于黏滯力，忽略不計；③內(nèi)部流動為定常狀態(tài)，與時間無關(guān)；④計算區(qū)域過熱蒸汽為不可壓縮流體。

根據(jù)以上假設(shè)，在對過熱器管路內(nèi)部過熱蒸汽流場進行求解時，采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，湍流模型為RNGk-ε[5]，考慮溫度的作用，其控制方程如下：

(1) 連續(xù)性方程

(1)

(2)

(2) 動量方程

(3)

式中：p為壓力，Pa；υ為運動粘度；fi為體積力，N。

(3) 能量方程

(4)

(4) 固體控制方程

拉格朗日描述法下固體結(jié)構(gòu)力學(xué)方程如下：

(5)

采用流固耦合的計算方法，求解過熱器管路內(nèi)過熱蒸汽對管壁的作用力，通過載荷傳遞法計算，由于過熱器管路在工作壓力下不能發(fā)生較為明顯的應(yīng)變，也即過熱器管路在計算時不會反向作用于過熱蒸汽流場，因此選擇單向流固耦合。其控制方程如下所示：

(6)

式中：τ為體積力；q為熱流量；T為溫度；n為質(zhì)量；u為速度。

1.4 邊界條件及求解方法選擇

電站鍋爐過熱器受熱面受力特性的仿真分為兩個主要步驟，首先求解獲取過熱器管路內(nèi)部過熱蒸汽的流場分布，其次將其壓力分布特性提取作為過熱器管路受力計算的邊界條件。依據(jù)過熱器額定工作壓力參數(shù)及過熱器管路出口壓力實測值，流場計算邊界條件如下：進口為壓力入口，工作壓力為24.4 MPa，工作溫度為813 K；工作介質(zhì)為過熱蒸汽，密度為65 kg/m3；出口為壓力出口，工作溫度為883 K，壓力為25.4 MPa；過熱器管路材質(zhì)為12Cr1MoV。

內(nèi)部過熱蒸汽壓力計算基于壓力速度耦合，對離散后的計算模型采用SIMPLE 算法[6]。為了減少計算過程中流場偽擴散，離散格式選用適用于多面體網(wǎng)格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。

2 計算結(jié)果與分析

通過對上述工況下過熱器管路內(nèi)部的流場計算，獲得了該區(qū)域流場分布的壓力云圖，如圖4所示。

圖4 過熱蒸汽壓力場計算結(jié)果

從圖4可以看出，在上述工況下，過熱器管路內(nèi)部的過熱蒸汽壓力在總壓差為1 MPa的狀態(tài)下，沿著過熱蒸汽流動的方向，壓力梯度不大，管內(nèi)壓力分布較為均勻。

將圖4中過熱蒸汽流場的壓力參數(shù)作為管壁應(yīng)力計算的邊界條件，并對管壁添加約束，計算獲得過熱蒸汽管路管壁應(yīng)力分布特性，如圖5所示。

從圖5可以看出，過熱器管路在給定的工況下，忽略應(yīng)力集中效應(yīng)，除管路進口與出口受區(qū)域約束外，應(yīng)力的最大部位在管路底部，為34.5 MPa，其主要原因是由于此處流道發(fā)生改變，導(dǎo)致此處管內(nèi)過熱蒸汽對管壁的沖擊力增大，管路其余各處的壓力在33.4～34.0 MPa之間。

圖5 過熱器管路受力計算結(jié)果

過熱器管路的材質(zhì)為12Cr1MoV低合金鋼，其工作環(huán)境非常惡劣，運行中整個受熱面管屏受到煙氣輻射、火焰輻射、管間輻射以及煙氣對流換熱的影響，在設(shè)計工況下，過熱器管壁溫度在700～800 ℃之間。 在此條件下12Cr1MoV低合金鋼的強度極限在80～100 MPa之間[7]。因此，過熱器管壁在此受力情況下，各部分的安全系數(shù)分布情況如圖6所示。

圖6 過熱器管路安全系數(shù)分布

由圖6可以看出，過熱器管路整體的安全系數(shù)在2.3～2.8之間，其中在直管段的安全系數(shù)較大，均在2.5以上，在管路出現(xiàn)彎折的區(qū)域，由于受過熱蒸汽流動方向改變而導(dǎo)致的介質(zhì)沖擊作用，安全系數(shù)均小于2.5。

以上結(jié)果表明，將流固耦合計算的方法應(yīng)用于電站鍋爐過熱器受熱面受力特性的計算，能夠直觀地掌握特定的工況下的過熱器管路的受力情況；同時結(jié)合材料溫度強度特性，得到安全系數(shù)的分布特性，找到管路受力較大的位置或安全系數(shù)偏小的部位。這些位置可以作為過熱器管路壽命的重點監(jiān)測點，因此，此方法為受熱面壽命評估和監(jiān)測區(qū)域的選定提供了理論依據(jù)。

3 結(jié) 語

文中采用流固耦合仿真分析的方法，對某型電站鍋爐過熱器受熱面受力特性進行計算。在三維模型建模、計算模型簡化、網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，首先求解了過熱器管路內(nèi)部過熱蒸汽的流場，獲得了管內(nèi)流動介質(zhì)區(qū)域的壓力分布結(jié)果，并將此結(jié)果作為過熱器管路壓力特性計算的邊界條件，進行求解計算。結(jié)果表明：過熱蒸汽沿著過熱蒸汽流動的方向，壓力梯度變化不大；過熱器管路應(yīng)力的最大部位在管路底部，為34.5 MPa，其余各處的壓力在33.4～34.0 MPa之間；在管路出現(xiàn)彎折的區(qū)域，由于受過熱蒸汽流動方向改變而導(dǎo)致的介質(zhì)沖擊作用，安全系數(shù)均小于2.5。綜上所述，在過熱器管路出現(xiàn)彎折的區(qū)域，其受力較大或安全系數(shù)偏小，可作為過熱器管路壽命的重點監(jiān)測區(qū)域。

通過文中所述方法，全面考慮過熱器管路內(nèi)部過熱蒸汽壓力分布以及過熱器材料力學(xué)特性與溫度的關(guān)系，能夠直觀地反應(yīng)電站鍋爐過熱器受熱面受力較大或安全系數(shù)偏小的部位。相較于傳統(tǒng)的估算法，該方法可為過熱器上各監(jiān)測點位置的選取及確定，設(shè)備的技術(shù)改造、維護提供理論依據(jù)，對設(shè)備的安全運行有著重要意義。