盧洪波，姚建龍，張超

(1.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.福建大唐國際寧德發(fā)電有限責任公司，福建 寧德 355006)

超臨界煤粉鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱應力分析

盧洪波1，姚建龍1，張超2

(1.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.福建大唐國際寧德發(fā)電有限責任公司，福建 寧德 355006)

以某電廠600 MW鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱為研究對象，通過有限元軟件ANSYS對模型溫度場的分布、熱應力的分布、機械應力的分布和總應力的分布進行計算，找出應力最大點MX，并對該點進行重點研究分析，得出了熱應力與內(nèi)外壁溫差、溫度變化率以及機械應力與聯(lián)箱內(nèi)蒸汽壓力的變化關(guān)系，并確定了總應力與熱應力和機械應力的關(guān)系，得出聯(lián)箱總應力值的大小接近機械應力值。

ANSYS；溫度場；溫度變化率；應力

電力產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系著國民經(jīng)濟的民生產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟的第一產(chǎn)業(yè)，是世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略性優(yōu)先產(chǎn)業(yè)。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展飛速，對電力的需求又上一個新臺階[1]。2013年全國裝機總量為12.5億千瓦，位居全世界第一。2014年，全國社會用電總量為5.5233億千瓦時，同比增長3.8%。2015年發(fā)電總量為6.0038億千瓦，2015年我國電力裝機總?cè)萘繛?4.9億千瓦，2020年將達到20億萬千瓦，2050年將達到38億千瓦[2]。隨著用電總量的增加，我國用電峰谷差值也在增大，最大的時候可達50%，而用電峰谷差值的增大主要是由于用電結(jié)構(gòu)和地方經(jīng)濟發(fā)展的不平衡造成的[3]。為了解決用電峰谷差值大的問題，我國新建了大批的600 MW超臨界煤粉鍋爐作為調(diào)峰機組。調(diào)峰機組具有以下兩大特點：第一，負荷變化劇烈；第二，啟動頻繁[4]。

在調(diào)峰運行過程中，鍋爐的載荷部件應力波動變化幅度較大，對機組造成極大損耗，成為機組安全運行的重大隱患[5，6]。鍋爐承壓部件的損壞70%是因交變熱應力而導致的疲勞損壞[7,8]，這就不得不對鍋爐承壓部件進行熱應力的分析。高溫過熱器出口聯(lián)箱是鍋爐承壓部件中承受的溫度最高、壓力最大的部件，聯(lián)箱能否安全運行直接影響電廠的安全運行和經(jīng)濟效益[9]。因此，有必要對此結(jié)構(gòu)進行重點的研究分析。

1 模型的建立和邊界條件的確定

1.1 模型的確定

本文所研究的對象為某電廠600 MW鍋爐高溫過熱器出口聯(lián)箱，聯(lián)箱筒身的直徑為635 mm，壁厚為136 mm，筒身均勻分布64排蒸汽引入管，每排10根外接管，外接管的直徑為46 mm，壁厚為11.3 mm，相鄰兩排蒸汽引入管橫向間距304.8 mm。聯(lián)箱軸向示意圖如圖1所示，徑向示意圖如圖2所示。

圖1 聯(lián)箱軸向示意圖

圖2 聯(lián)箱徑向示意圖

圖3 劃分網(wǎng)格后的實體模型

1.2 材料屬性的確定

本次分析中，研究對象的高溫過熱器出口聯(lián)箱筒體及蒸汽引入管所選用的材料為SA-213T92/P92，其中T92表示小直徑鋼管，P92表示大直徑鋼管，T92具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 T92鋼物性參數(shù)

1.3 單元類型與邊界條件的確定

溫度場計算采用的六面體8節(jié)點單元SOLID70，采用分塊劃分網(wǎng)格，劃分后的模型有節(jié)點21 207 個，單元29 965個，劃分好網(wǎng)格后的實體模型如圖3所示。

根據(jù)有關(guān)大直流鍋爐在線壽命檢測系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)：在相同的升溫速率、不同的換熱系數(shù)條件下，不同放熱系數(shù)的內(nèi)外壁溫差值基本一致[10]。盡管集箱內(nèi)介質(zhì)對內(nèi)壁放熱系數(shù)很復雜，但就研究集箱內(nèi)外壁溫差，可視為第一類邊界條件，不用考慮具體的放熱系數(shù)。因此，聯(lián)箱的內(nèi)壁考慮為第一類邊界條件[11,12]。

2 溫度場的分布

以下為機組在升降負荷過程中聯(lián)箱內(nèi)壁溫度動態(tài)變化圖，如圖4和圖5所示。

圖4 升負荷過程內(nèi)壁溫度隨時間變化曲線

圖5 降負荷過程聯(lián)箱內(nèi)壁溫度變化曲線

升降負荷過程的高溫過熱器出口聯(lián)箱溫度場分布如圖6和圖7所示。

圖6 升負荷溫度分布云圖

圖7 降負荷溫度分布云圖

從圖6和圖7中可以清晰直觀的發(fā)現(xiàn)：升負荷過程中，聯(lián)箱筒體內(nèi)外壁的顏色由紅色逐漸過渡到藍色，紅色區(qū)域代表的溫度高于藍色區(qū)域代表的溫度，由此可知聯(lián)箱內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，溫度沿著壁厚由內(nèi)到外逐漸降低，且內(nèi)外壁溫度差值最大為4.83 ℃；降負荷過程中，聯(lián)箱筒體內(nèi)外壁的顏色是由藍色逐漸過渡到紅色，由此可知，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度低于外壁溫度，溫度沿著壁厚由內(nèi)壁到外壁逐漸升高，且溫差最大為4.85 ℃。但是在升降負荷過程中，蒸汽引入管的內(nèi)外壁的顏色相同，聯(lián)箱外界管的溫度分布特別均勻，接近內(nèi)壁溫度，這是由于蒸汽引入管壁厚較小，傳熱較快，且傳熱較為充分，因而內(nèi)外壁溫度基本保持一致，溫差接近為零。

3 聯(lián)箱應力分布

3.1 聯(lián)箱熱應力的分析

3.1.1 內(nèi)外壁溫差與熱應力的關(guān)系

聯(lián)箱的應力分布，如圖8和圖9所示。觀察圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，升降負荷過程中，聯(lián)箱外界管的熱應力最小，這是因為外界管壁厚較小，傳熱過程較快，其內(nèi)外壁溫差很小。在外界管與聯(lián)箱相貫區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，即最大熱應力點MX，聯(lián)箱危險點熱應力與內(nèi)外壁溫差變化的關(guān)系如圖10和圖11所示。

根據(jù)圖10和圖11可知：升降負荷過程中，危險點熱應力的大小與內(nèi)外壁溫差絕對值的變化趨勢一致，內(nèi)外壁溫差越大，熱應力值越大，內(nèi)外壁溫差越小熱應力越小。雖然內(nèi)壁溫度可以進行調(diào)節(jié)，但是內(nèi)壁溫度與熱應力之間沒有直接的對應關(guān)系，所以對內(nèi)壁溫度的調(diào)節(jié)達不到調(diào)節(jié)熱應力的效果。

圖8 升負荷熱應力分布圖

圖9 降負荷熱應力分布圖

圖10 升負荷過程危險點熱應力與內(nèi)外壁溫差的關(guān)系

圖11 降負荷過程危險點熱應力與內(nèi)外壁溫差的關(guān)系

3.1.2 溫度變化率與熱應力的關(guān)系

在實際運行過程中，內(nèi)外壁溫差與熱應力并沒有直接的關(guān)系，內(nèi)外壁溫差也不能直接進行調(diào)控，所以只研究內(nèi)外壁溫差并沒有多大意義。與熱應力直接相關(guān)的是溫度變化率，它具有直接可調(diào)性，對熱應力有著顯著的影響。取應力最大點即危險點為研究對象，著重分析該點的溫度變化率與熱應力的關(guān)系，如圖12、圖13所示。

圖12 升負荷過程危險點熱應力與溫度變化率的關(guān)系

圖13 降負荷過程危險點熱應力與溫度變化率的關(guān)系

通過上圖可以看出，大部分時間溫度變化率的值比較平穩(wěn)，當溫度變化率突然增大時，熱應力值也隨之突然增大，但當溫度變化率突然降低時，機械應力也隨之突然降低，但降低速度較慢，且持續(xù)時間較長。這主要是由于聯(lián)箱的筒壁較厚，當溫度變化率突然增大時，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度立即響應，溫度升高，但熱量的傳遞需要一定時間，此時外壁溫度沒有受到溫度變化率的影響，內(nèi)外壁溫差較大，所以熱應力值較大；在整個傳熱過程中，溫度變化率對外壁溫度也會有一定的影響，而此時的溫度變化率不變，但內(nèi)壁溫度的增長值有所減小，導致熱應力的增長速度也會降低；當溫度變化率絕對值減小時，內(nèi)外壁溫差增長速度進一步降低甚至會減少，從而熱應力也隨之減小。

3.2 聯(lián)箱機械應力分析

機組在升降負荷過程中聯(lián)箱內(nèi)壁壓力動態(tài)變化圖，如圖14、圖15所示。

圖14 升負荷過程聯(lián)箱內(nèi)壁壓力隨時間變化曲線

圖15 降負荷過程聯(lián)箱內(nèi)壁壓力隨時間變化曲線

聯(lián)箱機械應力的分布云圖，如圖16、圖17所示。

圖16 升負荷過程聯(lián)箱機械應力分布圖

圖17 降負荷過程聯(lián)箱機械應力分布圖

圖18 升負荷過程危險點機械應力隨時間變化曲線

圖19 降負荷過程危險點機械應力隨時間變化曲線

圖20 升負荷過程三種應力變化情況

圖21 降負荷過程三種應力變化情況

在升負荷和降負荷過程中，聯(lián)箱外界管處的機械應力值最小，且分布均勻，內(nèi)壁處的機械應力值大于外壁處的機械應力值，在聯(lián)箱與外界管相貫區(qū)域的應力值明顯大于其他區(qū)域，且該區(qū)域出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，也就是危險點，即應力最大點，升降負荷過程中，應力集中點比較固定，如圖16與圖17所示的MX點，對該點進行了重點分析研究，升負荷過程機械應力值一直在增大，最大應力值為124.6 MPa；降負荷過程，剛開始一段時間應力比較平穩(wěn)，在2 960 s時，應力開始下降，應力值最大值為116.8 MPa。在升負荷和降負荷過程，機械應力和聯(lián)箱內(nèi)壁壓力的變化趨勢一致，壓力增大，機械應力增大，壓力降低，機械應力減小。根據(jù)圖18和圖19得出結(jié)論：聯(lián)箱機械應力只受聯(lián)箱內(nèi)壁蒸汽壓力影響，其變化趨勢與內(nèi)壁壓力變化趨勢一致。

3.3 聯(lián)箱總應力分析

總應力是由溫度和壓力共同作用下產(chǎn)生的，是機械應力與熱應力的疊加，以下為MX點三種應力在升降負荷情況下的變化情況，圖20和圖21為總應力、機械應力、熱應力的變化情況。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在升負荷和降負荷的整個過程中，聯(lián)箱的機械應力和總應力的變化趨勢一致，且總應力值的大小接近機械應力值，而熱應力遠遠小于機械應力和總應力，整個變負荷過程，熱應力對總應力的影響可以忽略不計。升負荷過程總應力小于機械應力，是由于在升負荷過程，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，熱應力的方向是由內(nèi)壁到外壁，而機械應力的方向是由外壁到內(nèi)壁，熱應力會抵消一部分機械應力，所以總應力小于機械應力；而降負荷過程，熱應力的方向與機械應力方向相同，都是由外壁到內(nèi)壁，所以總應力大于機械應力。

賀林博[4]關(guān)于聯(lián)箱壽命管理的研究結(jié)論：(1)總應力是由機械應力和熱應力耦合的，且機械應力占比重較大；(2)聯(lián)箱的機械應力和內(nèi)壓比值是一定的，運行過程熱應力作用很小，總應力和內(nèi)壓比值一定。本論文與此結(jié)論吻合。

4 結(jié) 論

(1)升負荷過程，聯(lián)箱內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，降負荷過程，聯(lián)箱外壁溫度高于內(nèi)壁溫度。

(2)聯(lián)箱熱應力與內(nèi)外壁溫差有關(guān)，但聯(lián)箱內(nèi)壁溫度與熱應力無直接關(guān)系，不可進行聯(lián)箱熱應力的調(diào)控，而溫度變化率可對熱應力進行調(diào)控。

(3)聯(lián)箱的機械應力是由聯(lián)箱內(nèi)壁蒸汽壓力的作用產(chǎn)生的，是聯(lián)箱的主要的應力。

(4)總應力由聯(lián)箱內(nèi)蒸汽溫度和壓力共同作用形成，但熱應力遠遠小于機械應力，對聯(lián)箱的總應力影響較??；總應力和聯(lián)箱機械應力接近，且變化趨勢相同。

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The High Temperature Superheater Outlet Header Stress Analysis of Pulverized Coal Fired Boiler

Lu Hongbo1，Yao Jianlong1，Zhang Chao2

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Fujian Datang International Ningde Power Generation Co.，Ltd.，Ningde Fujian 355006)

This paper takes 600 MW boiler superheater outlet header as the research object.The model temperature field distribution，thermal stress distribution，mechanical stress distribution and total stress distribution was calculated by using the finite element software ANSYS，finding the maximum stress point MAX.Focus on the point of research and analysis，get the change relation of thermal stress and the temperature difference between the inner and outer walls，temperature change rate，mechanical stress and steam pressure in united box.Eventrally，the relationship between the total stress，thermal stress and mechanical stress is determined.It is concluded that the total stress value of the united box is close to the value of mechanical stress.

ANSYS；Temperature filed；The temperature change rate；Stress

2016-03-07

吉林省科技發(fā)展計劃重點資助項目(20110409)

盧洪波(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：電站鍋爐節(jié)能技術(shù)、高效清潔燃燒技術(shù).

1005-2992(2017)01-0053-07

TK225

A

電子郵箱： luhongbo129@163.com(盧洪波)；494034739@qq.com(姚建龍)；332135634@qq.com(張超)