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        超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋影響的有限元分析

        2019-05-14 10:56:52董永昌梁松樹趙加星
        科技資訊 2019年4期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        董永昌 梁松樹 趙加星

        摘 要:該研究通過利用ABAQUS10.0有限元軟件進行模擬研究,構(gòu)建了超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化前后的變化模型,并獲得相應的管內(nèi)傳熱系數(shù)與不同傳熱負荷下的溫度與等效應力的變化,從而對超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋的原因予以確定,并根據(jù)相應溫度變化下的情況,明確熱應力與受熱點的關(guān)系,從而為超超臨界鍋爐穩(wěn)定與安全運行,提供基礎(chǔ)性的保障。

        關(guān)鍵詞:超超臨界鍋爐 水冷壁管 傳熱惡化 橫向裂紋 有限元分析

        中圖分類號:TK223 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2019)02(a)-00-02

        目前,隨著科技水平的不斷發(fā)展,超超臨界發(fā)電機組鍋爐被廣泛應用于火力發(fā)電機組鍋爐,現(xiàn)階段下,超超臨界鍋爐技術(shù)與設(shè)計理念均處在領(lǐng)先位置,能夠較好地保證鍋爐水壁冷的安全與長周期下的運行[1,2]。相關(guān)研究顯示[3],盡管目前超超臨界鍋爐各方面技術(shù)與設(shè)計均處于比較先進的發(fā)展態(tài)勢,但是其垂直管圈鍋爐在實際投入運行后,仍然能夠檢修發(fā)現(xiàn)在水冷壁的某段標高區(qū)域內(nèi),存在較大面積的橫向裂紋,從而對電廠的安全造成嚴重威脅。針對這一問題,該研究利用ABAQUS10.0有限元軟件進行模擬研究,明確超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋產(chǎn)生的影響,以及相應產(chǎn)生的機理,從而進一步保證超超臨界鍋爐的安全運行。

        1 電廠鍋爐用水冷壁管介紹

        某火力電廠,自2010年投入運營至2018年10月(大修),累計運行約16000h,此次研究機組起停次數(shù)為71次,水冷壁管共計2186根,前墻1093根,后墻1093根,大修后采用水壓實驗,該試驗過程中發(fā)現(xiàn)左側(cè)水冷壁從前至后共計出現(xiàn)31根內(nèi)螺紋管泄露。管材均為15CrMoG,節(jié)距為44.0mm,加焊處管子這間的尺寸為寬16.0mm、厚6mm,為了更好地消除上爐膛工質(zhì)因吸熱產(chǎn)生的溫度偏差,則于上、下爐膛之間安裝一圈混合集箱,以此達到前述目的。但在實際檢查過程中,水冷壁傳熱側(cè)出現(xiàn)大量橫向裂紋,對鍋爐的運行造成嚴重安全隱患,有待進一步處理。

        2 橫向裂紋產(chǎn)生的原因與熱負荷及傳熱系數(shù)影響分析

        2.1 向裂紋產(chǎn)生的原因

        為了能夠更為生動形象地還原水冷壁的裂紋產(chǎn)生原因與機理,此次研究采用ABAQUS10.0有限元軟件,構(gòu)建三維簡化模型,從而獲得更為準確的傳熱數(shù)值與力學特征。具體見圖1所示。

        在模擬2#爐水冷壁管的現(xiàn)場爐內(nèi)情況來看,對于傳熱惡化前、后有限元模型構(gòu)建結(jié)果顯示,傳熱惡化前鰭片處溫度最大,同時熱應力也為最大,而沿側(cè)頂點朝向位置溫度與熱應力次之,而發(fā)生傳熱惡化后,則是在向火側(cè)頂點溫度與熱應力呈現(xiàn)最大發(fā)展趨勢,此時鰭片處溫度與熱應力次之。另外,當傳熱惡化不發(fā)生時,同時熱負荷極端高500kW/m2,位于鰭片處的溫度與熱應力最大,會產(chǎn)生屈服。而同樣傳熱惡化時,則此時位于向火側(cè)的頂點會發(fā)生屈服,此時的熱負荷一般是在300kW/m2,同時傳熱系數(shù)低于2kW/(m2·k)。

        2.2 熱負荷及傳熱系數(shù)影響分析

        通過ABAQUS10.0有限元軟件得到熱負荷及傳熱系數(shù)影響模擬數(shù)值,具體結(jié)果見表1所示。

        此次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳熱惡化后,溫度和熱應力數(shù)值主要是受熱負荷和傳熱系數(shù)影響所致,而此次所建模型中顯示溫度下的材料,已經(jīng)達到屈服極限,也就是說在特定情況下關(guān)閉熱負荷而管內(nèi)傳熱系數(shù)變小時,則會發(fā)生上述向火側(cè)屈服現(xiàn)象。當傳熱惡化時,我們能夠發(fā)現(xiàn)傳熱惡化區(qū)域管子向火側(cè)頂點處,溫度會隨即提升,而此時內(nèi)外側(cè)壁溫差差異會隨之增大,此時會在向火側(cè)形成集中型壓應力,并且在逐漸增大,也就是說應力的大小與向火側(cè)熱負荷及供給側(cè)的傳熱系數(shù)密切相關(guān),而在一定的條件下,材料許用溫度被金屬溫度超出,以及在材料屈服的情況下會導致材料發(fā)生橫向裂紋破壞,再加之超臨界鍋爐,其運行數(shù)在變負荷調(diào)峰的情況下,燃燒條件以及鍋爐內(nèi)工質(zhì)的物性參數(shù),此時均會處于動態(tài)調(diào)整的現(xiàn)實情況,而水冷壁的局部傳熱惡化,不會長時間地予以保持,若是在工質(zhì)壓力和溫度分布特征均發(fā)生變化時,此時水冷壁的局部傳熱惡化便會消除,進而恢復正常傳熱,壁溫也隨之恢復正常。

        3 預防措施

        通過有限元軟件的分析,能夠得到橫向裂紋的主要原因,針對獲得的主要原因提出相應的優(yōu)化方案,從而解決水冷壁橫向裂紋[4]。在實際鍋爐運行過程中,需要定時查看相應溫度變化,包括發(fā)熱量、揮發(fā)份、灰份、含硫量等,并做好嚴格的含量控制,進行合理分配,從而減少使用中的高硫煤產(chǎn)生的化學成分不利因素[5]。另外,需要加強運行優(yōu)化調(diào)整,包括風管的均線調(diào)整,從而使燃燒器熱負荷均勻,并將煤粉吸入進行有效調(diào)整,使煤粉均勻性在合理范圍內(nèi)得到控制,并針對不同煤質(zhì)以及不符合工況下鍋爐水冷壁的貼壁氛圍進行定期測試,根據(jù)測試結(jié)果及時調(diào)整鍋爐的燃燒溫度,從而減少鍋爐高溫對水冷壁管的影響,進一步防范腐蝕現(xiàn)象與橫向裂紋的產(chǎn)生。另外,水冷壁管應定期進行維護,并刷涂防腐材料,并保證管壁厚度、強度計算滿足運行與規(guī)范要求,從而保證水冷壁管表面的材質(zhì)達標。通過多項措施,真正提升鍋爐的安全運行。

        4 結(jié)論

        此次研究通過采用有限元軟件分析,結(jié)果表明垂直管圈的超超臨界鍋爐的傳熱惡化,對水冷壁管的溫度和熱應力有著非常重要的影響。此次研究得到結(jié)論如下。

        第一,當傳熱正常時,管內(nèi)鰭片位置溫度,比水冷壁管子向火側(cè)頂點溫度測定高,并且熱應力和極端高負荷情況下,管子受多種作用下必然會產(chǎn)生屈服,因此,管材很容易遭受破壞,出現(xiàn)橫向裂紋,因此,能夠確定出現(xiàn)鰭片溫度與熱應力產(chǎn)生時,是水冷壁管傳熱惡化橫向裂紋的主要原因。

        第二,當傳熱惡化時,水冷壁管子向火側(cè)頂點溫度以及熱應力,處于比鰭片處溫度與熱應力高時,并且在一定的條件下,使用材料的許用溫度會超出金屬溫度,與此同時材料出現(xiàn)屈服的情況,會進一步導致材料出現(xiàn)破壞。

        第三,在相應溫度下,材料未達到屈服溫度與熱應力會呈現(xiàn)線性發(fā)展趨勢時,水冷壁溫度越高則熱應力越大。

        綜上所述,超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋影響的有限元分析,通過科學的系統(tǒng)模型建立,以及相應數(shù)值的獲得,能夠求得不同溫度下的熱應力與變負荷的變化,從而達到既定的效果,幫助技術(shù)人員快速定點溫度破壞點,從而避免出現(xiàn)進一步的惡化,并且根據(jù)橫向裂紋產(chǎn)生的原因,進一步采取相應的對策,保證超超臨界鍋爐的穩(wěn)定與安全運行。未來,需要逐步加強有限元軟件的分析,利用有限軟件,構(gòu)建不同溫度對水冷壁的影響,從而保證水冷壁管的質(zhì)量達標,進一步降低安全隱患的產(chǎn)生。有限軟件能夠通過形象與生動化的三維模型,將真實的情景還原,從而更利于我們捕捉問題產(chǎn)生的原因與過程,從而達到既定的效果,真正解決橫向裂縫的影響。

        參考文獻

        [1] 汪華劍,梁學東,任銳,等.焊接工藝對1000MW超臨界鍋爐水冷壁鰭片溫度分布的影響[J].鑄造技術(shù),2017(5): 198-202.

        [2] 劉進峰.660MW超超臨界直流鍋水冷壁橫向裂紋原因分析及處理方法[J].鍋爐制造,2017(4):17-19.

        [3] 葛學利,張忠孝,范浩杰,等.熱偏差和流量偏差對1000MW超超臨界鍋爐水冷壁壁溫影響的研究[J].中國電機工程學報,2018(8):2348-2357.

        [4] Bovard S,Abdi M,Nikou M R K,et al.Numerical investigation of heat transfer in supercritical CO 2, and water turbulent flow in circular tubes[J].Journal of Supercritical Fluids, 2017(119):88-103.

        [5] Li Z,Zhai Y,Li K,et al.A quantitative study on the interaction between curvature and buoyancy effects in helically coiled heat exchangers of supercritical CO2 Rankine cycles[J].Energy,2016(116):661-676.

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