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第 4 I卷第 6期 2 O 1 O年 l 1月 锅 炉 技 术 B I I ER TEC H NOI OGY Vo 【 . 4 1,NO . 6 NO V . 2 O 1 0 文章编 号 CN 3 1 1 5 0 8 2 0 1 0 l 1 0 0 1 1 0 4 6 0 0 MW 超 临界锅炉膜式水冷壁 的热应力分析 刘旭东 ,盛 伟 ,关 多娇 ,张劲松 1 .沈阳丁程学 院,辽 宁 沈阳 1 1 0 1 3 6 ; 2 .中国科学院金属研究所 ,辽宁 沈阳1 1 0 0 1 6 关键词 超 临界锅炉 ;膜式水冷壁 ;热应力 ;有限元模 型 摘要 建立 了超l 临界锅炉膜式水冷壁 的热 应力 场有限元 计算模 型。结 果表 明, 鳍片 限制管壁 变形从而 在 接触面产生热应力 , 最大热应力值为1 . 3 0 1 GP a , 而在水 冷壁管 的向火侧 可 自由膨 胀导致此 处的热变形 最大 , 最大变形量为0 . 3 0 6 mm; 水冷壁最大热应力随管壁厚度的增大而增大 , 而随鳍片厚度的增大反而减小 , 厚度每 增加1 mm, 最大热应 力变化量分别 为 3 0 MP a 和 4 0 MP a , 水垢厚度对水冷壁最大热应力的影 响较小 。 中图分类号 T K2 2 3 . 3 文献标 识码 A 0 前 言 目前 , 超临界 、 超 超 临界锅 炉在 世 界范 围 内得 到 了广泛应用 。在机 组频 繁参 与调 峰 的运行 过 程 中, 锅炉水冷壁 内工 质 的流动 状态 、 热物 理特 性 以 及水冷壁 的热 应力分布均会发生 很大变化 , 而水 冷 壁热应力集 中就会 引起爆 管 。爆管 导致 的非 计 划 停炉 , 造成 巨大 的经 济损 失 , 并 严重 影 响着锅 炉 的 安全运行 、 电厂 的效益以及工农业 的正 常生产 。因 此 , 水冷壁 的热应 力分析对水冷壁 的安全 运行有重 要意 义。另外 , 水 冷 壁工作 环境 的复杂 , 受到 的影 响因素较多 , 造成膜式 水冷壁热应力状态 也非常 复 杂 。国内外一些研 究 者主要 是 通过 建立 膜式水 冷 壁二维传热数 学模 型 , 来研 究 水冷 壁温 度分 布 , 分 析换热系数 与受 热 面热流量 对 温度 分布 的影 响规 律E 卜 。范谨 , 贾鸿祥等人从理 论上研 究 了膜 式水 冷壁鳍 片管 的管壁 温度分布和热应力状 态 , 得到 了 鳍片管温度场、 局部热应力的计算表达式 。 ] 。 目 前还没有用数学模 型结 合实 际 生产数 据详 细地 分 析膜式水冷壁温度 、 热应 力分布影 响的报道 。本文 建立 了膜式水冷壁 的二维有限元热应 力计 算模型 , 分析膜式水冷壁 的热应 力及 结构 参数 和操 作 条件 对热应力分布影响。 1 有限元模型 的建立 1 . 1膜式水 冷壁模 型 本 文 对 某 6 0 0 MW 超 临 界 锅 炉 的水 冷壁 温 度 场 及 其 影 响 因 素 进 行 研 究 分 析 , 锅 炉 的 最 大 连 续 蒸 发量 B MC R 为 1 7 8 6 t / h , 过 热蒸 汽 压力 与温 度 分 别 为 2 5 . 4 MP a和 5 4 1℃ 。水 冷 壁 的 热 应 力取 决 于 其 结 构 和 约 束 条 件 , 针 对 其 结 构 特 征 , 考 虑模 型 的对 称 性 , 以 二分 之 一 水 冷壁 为 研 究 对 象 , 选 取 如 图 1所 示 的 计 算 模 型 。水 冷 壁 由直 径 为 3 8 mm、 壁 厚 为 6 . 5 mm、 鳍 片 厚 度 为 7 mm、 管 间 距 为 5 4 mm、 材 料 为 S A2 1 3 T2 3 的光 管 组 成 的 管 带 围绕 成 。 由 图 1可 见 , 水 冷 壁 向火侧 与 炉 膛 相 接 触 , 与 高 温 火 焰 和气 流 进 行 对 流 和热 辐 射换 热 。水 冷 壁 背 火 侧 与 保 温 层 相 接 触 , 可 部 分 限 制 水 冷 壁 在 受 热 过 程 中 由于 巨大 的温 度 梯 度 所 造 成 的 变 形 , 而 水 冷 壁 可 向 火 侧 膨胀 变 形 。 图 1 膜式水冷壁结构示意图 1 . 2 基本 方程及 边界 条件 有 限元 分 析 是 解 决 热 分 析 与结 构 问 题 的 常 用数学方法之一 。针对膜式水冷壁的结构特征, 收稿 日期 i 2 0 0 9 0 9 1 2 基金项 目 辽宁省教育厅科研项 目 2 0 0 8 4 9 0 作者简介 刘旭 东 1 9 7 5一 . 男 , 博士后, 副教授 . 主要从事锅炉水 冷壁的热力学行为研究 。 A B o C D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘旭东 , 等 6 0 0 Mw 超l临界锅炉膜式 水冷壁的热应力分析 背火侧 水冷 壁管 与鳍 片的接 触 面 的热 应 力最大 , 这是 因为水 冷壁 管 内 的温 度 梯 度 与 管 内水 蒸 汽 的压力 使得管 壁 向外 膨胀 , 而鳍 片 限制 其 变 形从 而在接 触 面 产 生 巨 大 的 应 力 , 最 大 热 应 力 值 为 1 . 3 0 1 GP a 。 由于锅 炉炉 膛 内压 力 较 小 , 水 冷壁 管 在 向向火 侧 膨 胀 变 形 过 程 中受 到 的约 束 力 较 小 , 从 而 产 生 较 小 的 热 应 力 , 最 小 热 应 力 值 为 0 . 5 2 7 GP a 。然而 , 在水 冷壁 管 的 向 火 侧 的热 变 形较 大 , 从 图 3可 以 明显 看 出 , 向 火 侧 中心 的变 形量最 大 , 变形量 为0 . 3 0 6 mm。 一 _ ■● _ _ 口 [] 囹 一 03 4 068 l 0 2 l 3 6 1 7 0 2 0 4 23 8 27 2 30 6 图 3 膜式水冷壁的变形 从 图 4中也 可看 出 , 水 冷壁 管 均 向 自由 面方 向膨 胀 , 在 背 火 侧 管 外 壁 受 到 耐 火 保 温 层 的 限 制 , 管 壁 内表面 向 内膨 胀 , 变 形量 为 0 . 0 6 8 mm 左 右。而在向火侧 , 由于没有约束 , 管 内外均 向外 发生膨 胀变形 , 而且 由鳍 片 向 向火 侧 中心 急 剧 增 大 , 内 、 外壁 面 的最 大变 形 量分 别 为0 . 2 6 5 mm 和 0. 3 0 6 mm 角度 图 4水冷壁管内外表面变形分 布 2 . 2 管壁厚 度对 热应 力分布 的影 响 在其 它 参 数 不 变 的情 况 下 , 管 壁 厚 度 由 5 . 0 mm 增加 大9 . 0 mm, 分析 管壁 厚度 对水 冷 壁热 应 力分布的影响 , 计算结果如图 5所示 。从图 5中 可以看出, 随着管壁厚度的增大 , 管壁 内最 大热 应力 逐渐 增 大 , 基 本 上 呈 线 性 变 化 趋 势 , 管壁 厚 度每 增 加 1 mm, 最 大 热应 力 增 大 3 0 MP a 。从 图 6中可 以看 出, 管 壁 厚 度 对 A、 G、 H 点 的 变 形 影 响较小 , 但 对 B、 C点 变形 影 响较 大 , 而且 B 点 变 形 随管 壁厚度 而 减 小 , C点变 形 随 管 壁厚 度增 加 而增加 。这是 因为管 壁厚 度 增 大 , 管 壁 内热 阻增 大 , 使 得管 壁 内外 表 面 的 温 差 增 大 , 导 致 管 壁 内 热应 力 增 大 。随 着 管 壁 厚 度 增 大 使 管 壁 的刚 度 增 强 , 从 而使 得 管 壁 B点 变 形 量 减 小 , C点 的变 形量 增 加 。 罔 5 管 壁 厚 度 对 膜 式 水 冷 壁 的 最 大 热 应 力 的影 响 昌 暑 丑 噩 制 图 6 管壁厚 度对膜式水冷壁变形的影响 2 . 3 鳍片厚 度对 热应 力分布 的影 响 在 其 它 参 数 不 变 的 情 况 下 , 鳍 片 厚 度 由 5 mlT l 增 加 到 9 mm, 分析鳍 片厚 度对 水冷壁 热应力 分 布 的影响 , 计算结 果 如 图 7所 示 。从 图中 可 以 看 出, 随着 鳍 片 厚 度 的增 大 , 管 壁 内最 大 热 应 力 基 本上 呈线 性 逐 渐减 小 , 厚 度增 大 1 mm, 最 大热 应 力减小 约 4 0 MP a 。从 图 8中可 以看 出 , 鳍 片厚 度对 A、 B两点 变形 的影 响较大 , 随着 鳍片厚 度 的 增 大而增 大 。这 是 因 为随 着鳍 片厚 度增 加 , 在 鳍 片内的热阻则相应增大, 从而使热量沿管壁方 向 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 锅 炉 技 术 第 4 1 卷 传递, 导致鳍 片内温度逐渐降低, 所 以在鳍 片与 管 壁接触 面 的最 大 热 应 力 也 逐 渐 降 低 。 由 于鳍 片厚 度增加 , 对鳍 片 与管 壁接 触 面 的变 形 约束 增 大 , 而使离 鳍片较 远 的 A、 B点变形 却有所 增大 。 ≮ 豢 . K 堪 图 7 鳍片厚度对膜式水冷壁的最大热应力的影响 基 { 衄 图 8鳍片厚度对膜式水冷壁变形的影响 2 . 4 水垢厚 度对 热应力 分布 的影响 对 于 锅 炉 设 计 、 研 究 以 及 运 行 维 护 人 员 来 说 , 结 垢水冷 壁管 的应 力 分 布一直 是 大 家 比较 关 心 的一 个问题 。在 其它 基 本工 况 条 件不 变 时 , 分 析水垢 厚度对 水冷 壁 内热 应 力分 布 的影 响规 律 , 计 算结果 如 图 9所 示 。从 图 中可 以看 出 , 水 垢 厚 度对水 冷壁 最大 热应 力 的影 响较 小 , 水 垢 厚度 每 斗 嘣 图 9 水垢厚度对膜式水冷壁内最大热应力的影响 增 加 0 . 0 5 mm, 最 大 热 应 力 仅 降 低 约 0 . 1 MP a 。 从 图 1 0中可 以看 出 , 水 垢 厚 度对 A、 B 两点 变 形 的影 响较 大 , 随着鳍 片 厚 度 的增 大 而增 大 。这 是 因为水垢 的存 在 , 增 加 了管 壁 内 的导 热 热 阻 , 使 进入 管壁 的热 流 不 能 很 好 地 被 管 内 的水 蒸 发 带 走 , 从而使 水 冷 壁 的温 度 升 高 , 导致 管 壁 热 面 处 的变 形有所 增大 。 罔 l 0水垢厚度对膜式水冷壁变形的影 响 3 结 论 1 由于 鳍 片 限 制 管 壁 变 形 从 而 在 接 触 面 产生 巨大 的应力 , 最 大热 应力 值 为 1 . 3 0 1 GP a , 而 在水冷壁管 的向火侧 可 自由膨胀导致此处 的热 变形最 大 , 最 大变形 量 为0 . 3 0 6 mm。 2 管壁厚度 对水冷 壁最 大热应 力 的影 响基 本 上呈线 性增大 的趋势 , 管壁厚度 每增加 1 mm, 最 大热应力 增大 3 0 MP a , B点 变形 随 管壁 厚度 增加 而减小 , C点变形 随管壁厚度增加 而增加 。 3 鳍 片厚 度 对 水 冷 壁最 大 热 应 力 的 影 响 基本 上 呈 线性 减 小 的趋 势 , 鳍 片 厚 度 每 增 加 1 mm, 最 大 热应 力 减 小 4 0 MP a , A、 B 两 点 变 形 随鳍 片厚度 增大 而增 大 。 4 水 垢 厚 度 对 水 冷 壁 最 大热 应 力 的影 响 较小 , 水垢厚度每增加0 . 0 5 mm, 最大热应力仅降 低约0 . 1 MP a , 水垢厚度对 A、 B两点变形的影响 较 大 , 随着鳍 片厚度 的增 大而增 大 。 参考 文献 [ 1 ]B e n g t Ak e An d e r s s o n a n d B o L e c k n e r ,E x p e r i me n t a l me t h o d s o f e s t i ma t i n g h e a t t r a n s f e r in c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d b o i l e r s C J 2 .He a t Ma s s T r a n s f e r ,1 9 9 2 ,3 5 3 3 5 3 3 3 6 2 . [ 2 ]叶科 ,吕俊 复。 张建胜 , 刘青 , 岳光溪.膜式水冷壁换 热系数 的有 限元分 析[ j ] .清 华大 学学 报 自然科 学 版 , 2 0 0 6 , 4 6 1 1 l 8 8 8 1 8 9 1 . 下转 第 2 3页 弛 勰 撕 加 堪 H 踟 脚 啪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 卫 飞飞。 等 带j通锅炉集箱的数值模拟和实验研究 2 3 Nu me r i c a l Si mul a t i o n a n d E xp e r i men t a l R e s e a r c h o f F l o w P r ob l e ms of He a de r s w i t h T t yp e Th r e e w a y P i p e a n d P a r al l e l Tu b e P l at e n Sy s t e m o f Ut i I i t y Bo i l e r W EI F e i f e i , M I AO Z h e n g q i n g,HUANG Ro n g g u o , I . I Qi a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o we r En g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0,Ch i n a K ey wor dsT t y pe t hr e e wa y p i p e s;he a de r s; ov e r t e mp e r a t u r e; nu me r i c a l s i m u l a t i on; pr o c e du r e Ab s t r a ct The s t e a m a l wa ys g o e s i n a n d o ut pr e he a t e r a nd r e he a t e r of ut i l i t y b oi l e r t hr o u gh T t yp e t hr e e wa y p i p e s . Be c a us e o f e d dy z on e i n T t y p e t hr e e wa y i n l e t p i pe s, whe r e t he s t e a m i s l e s s t h a n o t h e r z o ne s ,t h e p a r a l l e l t u be wi l l b e b r ok e n e a s i l y be c a u s e o f o ve r t e mpe r a t ur e . I n t h i s pa pe r ,s t a r t i ng f r om t h e ge n e r a l p a r t i a l di f f e r e n t i a l e qu a t i o ns o f f l ow pr o bl e m s ,a pa r t i t i o ni ng p a r a l l e l CFD pr o c e du r e i s d e v e l o pe d b a s e d o n S I M PI EC. An d t h e n,c ompa r i ng wi t h e xp e r i me n t a l r e s u l t s Thi s me t ho d i s pr o v e d r e a s o na b l e a nd e f f e c t i v e . I t c ou l d b e u s e d a s a t o o l o f o pt i m i z a t i o n a nd a c c i d e nt d i a g no s t i c s . 上接 第 1 4页 E 3 3李春燕 , 阎维平 , 梁秀俊 , 黄景立.6 0 0 Mw 超 I临界锅炉燃烧 器区膜式水冷壁温度场的数值计算 [ J ] .动力丁程 , 2 0 0 8 , 2 8 5 6 7 7 6 8 1 . [ 4 ]曲莹军 . 蒋狮 , 张家维.6 0 0 MW 超超临界机组锅炉水冷壁壁 温特性研究[ J ] .东北电力技术 . 2 0 0 8 , 4 1 4 . [ 5 ]B o we n B D, F o u r n i e r M. Gr a c e J R,He a t t r a n s f e r i n me m b r a n e wa t e r wa l l s[ J ] .He a t Ma s s Tr a n s f e r . 1 9 9 1 ,3 4 1 0 4 3 1 0 5 7 . Pi o t r Du d a。J a n Ta l e r ,A ne w me t h o d f or i d e n t i f i c a t i o n o f t h e r ma l b o u n d a r y c o n d i t i o n s i n wa t e r wa l l t u b e s o f b o i l e r f u r n a c e s[ J ] .He a t Ma s s Tr a n s f e r , 2 0 0 9 .5 2 1 5 l 7 一l 5 2 4 . [ 7 ]盛春红 , 陈听 宽.矩形鳍 片膜 式水 冷壁 辐射 角系 数的求 解 [ J ] .锅炉技术 , l 9 9 7 . 8 8 1 1 . [ 8 ]周一。 .膜式水冷壁表 面热流密度 分布的精确 解[ J ] .锅炉 技术 . 1 9 9 1 1 1 5 . [ 9 ]胡志宏.超临界 和近f临界压力区垂直上升及倾斜管传热特性 研究[ D ] .西安 西安交通大学 , 2 0 0 1 . [ 1 O ]范谨 , 贾鸿祥 , 陈听宽. 贾晖杰.电站锅炉膜式水冷壁鳍 片管 温度场、 热 应力场分析[ J ] .西安 交通大学学报 . i 9 9 7 , 3 l 5 7 5 7 8 . An An al y s i s o f t h e Th e r mal St r e s s o f M e mb r a n e W a t er w a l I o f 6 0 0 MW Su p er c r i t i c a l Boi l e r I I U Xu d o n g 。 S HENG W e i . GUAN Du o j i a o . Z HANG J i n g s o n g 1 . Sh e ny a ng I ns t i t ut e o f En gi ne e r i n g,She n y an g l1 0i 36,Ch i n a2.I n s t i t u t e o f M e t a l Re s e a r c h.Chi n e s e Ac a d e my of Sc i e n c e,She nya n g 11 0 01 6,Ch i n a K ey wor ds s u p e r c r i t i c a l b o i l e r ; me mb r a n e wa t e r wa l l ;t he r ma l s t r e s s ; f i n i t e e l e me nt mo d e l Ab s t r a c t A f i ni t e e l e me n t mod e 1 wa s e s t a bl i s he d t o pr e di c t t h e r m a 1 s t r e s s d i s t r i bu t i o n i n me mb r a ne wa t e r wa l l of 6 00 M W s u p e r c r i t i c a l b o i l e r . The r e s ul t s s h o w t ha t t he ma x i m u m s t r e s s,1 . 30 1 GPa,wa s f o un d i n i n t e r f a c e be t we e n wa t e r wa I l t ub e a n d f i n .The ma x i mum t he r ma l di s t o r t i on s we r e f ou nd i n t h e ou t e r s u r f a c e c e n t e r of t u be t o wa r d f i r i n g。 a n d t he ma x i mum t h e r ma l d i s t or t i o ns wa s 0 . 30 6 mm. The ma xi m u m t he r ma l s t r e s s i n wa t e r wa l l i nc r e a s e s l i n e a r l y wi t h i n c r e a s i n g t u be a n d de c r e a s i ng f i n t h i c k ne s s,a n d t h e v a r i e d v a l ue s o f m a x i m u m t he r m a l s t r e s s we r e 3 0 M Pa a n d 4 0 M Pa,r e s pe c t i v e l y. The s c a l e t h i c k ne s s h a s l i t t l e o f e f f e c t o n ma xi m u m t he r m a l s t r e s s . 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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