1000MW锅炉汽水分离器的瞬态应力有限元分析.pdf

第44卷第1期 锅炉技术 2013年1月B O ILERTEC H N oLO G Y V 01．44，NO ．1 Jan．，2013 1000M W 锅炉汽水分离器的瞬态应力有限元分析 李娜，阎维平 华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003 摘要选取1000M W 锅炉汽水分离器为研究对象，根据机组运行曲线确定边界条件，建立其三维有限元 模型。计算了冷态启动工况下的瞬态热应力、机械应力和总应力，讨论了热应力、机械应力和总应力的分布规 律，分析了影响应力的各种因素，找出了汽水分离器最大应力点位置及随时间的变化规律。 关键词锅炉；汽水分离器；瞬态应力；有限元 中图分类号TK 229．2 文献标识码A文章编号16724763201301000604 0前言 随着我国电网规模的日益增大以及用电结 构的变化，电网中“峰谷差”的现象日益严重。高 参数、大容量的超超临界机组采用直流运行方 式，能够实现快速启停，所以参与调峰运行成为 必然。频繁的启停和负荷变化必然导致锅炉部 件的应力波动频繁，使金属材料产生疲劳损伤， 加速其寿命损耗，进而影响机组的安全和寿命。 汽水分离器是超超 临界直流锅炉最大的 厚壁承压件，当锅炉负荷低于直流负荷时，起汽 水分离的作用；负荷高于直流负荷时，分离器起 连接通道作用。在锅炉启停和负荷变化过程中， 汽水分离器所承受的应力主要由温度变化引起 的热应力以及内部蒸汽压力变化引起的机械应 力两部分组成口-2]。掌握分离器应力在锅炉启动 和运行过程中的变化规律，对提高超临界锅炉运 行的安全性与可靠性具有重要意义。本文以 1000M W 锅炉汽水分离器为研究对象，利用有 限元方法研究其在启动和运行过程中瞬态热应 力、机械应力及总应力的变换规律和影响因素， 为超超临界锅炉的安全运行提供理论指导。 1有限元模型分析 1．1几何模型 某电厂1 000M W 超超临界锅炉由某锅炉厂 生产，汽水分离器为圆形筒体结构，直立式布置， 位于垂直水冷壁混合集箱出口。经水冷壁加热 以后的工质分别由6根连接管沿切向进入分离 器，分离出来的水通过分离器下方的连接管进入 储水罐，蒸汽则由分离器上方的连接管引入顶棚 入口集箱。汽水分离器结构如图1所示，几何尺 寸见表1。 图1汽水分离器结构图 表1启动分离器尺寸 项目规范 数量／个 外径壁厚西／m m m m 汽水进口数量／ 外径壁厚／个／r am m m 疏水出口数量／ 外径壁厚／个／r am m m 蒸汽出口数量 ／外径壁厚／个／ram m m 总长度／m 2 1076128 26298．379．15 21635105 21469．972 4．7 收稿日期201206一10 基金项目中央高校基本科研业务费资助项目12M Sl oo 作者简介李娜 1973一，女，硕士研究生，主要从事电厂设备的结构强度分析的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1期李娜，等1000M w 锅炉汽水分离器的瞬态应力有限元分析 在建模过程中，为便于分析与计算，分离器 筒体上其他开孔不计，只保留6个汽水接入管； 由于结构具有对称性，取1／4进行计算，建立几 何模型如图2所示。有限元分析应用A N SY S软 件，热分析计算时选用三维Sol i d70单元，机械应 力分析选用三维Sol i d45单元，总应力分析选用 选用三维Sol i d98单元。该模型网格划分采用人 工尺寸控制和扫掠分网模式。 图2汽水分离器的几何模型 1．2材料性质 汽水分离器材料为SA 336F12，属于A SM E 标准材料‘引，其化学成分和性能参数见表2和 表3。 表2SA336F12的化学成分 ％ 表3汽水分离器金属材料SA 一3拍F12性能参数 项目 弹性模量G Pa 泊松比 导热系数／Ew m ℃-1] 密度／kgm _3 比热容／[Jkg℃_1] 线膨胀系数／Em m ℃．1] 1．3边界条件 进行热应力场模拟时的热边界条件分离器 筒体外壁和连接管外壁按绝热处理，分离器筒体 内壁和连接管内壁按第三类边界条件给定，即给 定工质温度和对流换热系[4．5]。机械应力场计 算时，在筒体和接人管内部施加介质压力载荷， 简体和连接管横截面施加面平衡载荷。 2计算结果分析 冷态启动是指停炉超过72h，汽水分离器金 属温度≤120℃。依据机组启动曲线，进行温度 场计算，结果见文献E83，本文在温度场计算基础 上进行瞬态热应力场计算。下面应力分析中的 应力均为当量应力，取为基于第三强度理论的屈 雷斯应力。 2．1瞬态热应力分析 汽水分离器的热应力主要是由其内部介质 温度波动引起，而介质温度波动是由于锅炉启停 和负荷变化引起的。计算表明，热应力最大值出 现在启动初期和启动升负荷阶段，热应力分布如 图3a所示。最大值为132M Pa，位于筒体内壁 与汽水引入管内相贯线的椭圆孔长轴处图3a 中A 点，在汽水引入管开孔区域，热应力变化梯 度较大，存在着应力集中现象，在远离汽水引入 管开孔处热应力值变化较小。 N OD A LS01．U 110“ m P4 SU B10 TIM E 200 SIN T tAV G DM X 002E十08 SM N 57 8E07 SM X 13 2E09 一 、一 _ _h_】二u一 一一0Sn、”J pI _ Kf R 【_⋯I】、I _ qu一． cm 0152e傩0．441棚0715e傩n301e∞n178e憾 且热应力最大时的当量应力分布图 1 1 蛊1 善 R 翅 蕞 时间，h 彻热应力随时间变化规律图 时间／m i n c热应力与分离器内外壁温差关系图 图3热应力变化规律图 雌一m邶一一～～ 舯∞m∞ 酏 删 ∞ a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 锅炉技术第44卷 定义热应力指数为开孔处热应力与无开孔 时相应部位热应力之比，对于热应力指数欧盟标 准为0．8～2．0[ 引，G B／T922288为1．6[川。本 文计算热应力指数为1．6，在要求范围内。 图3 b 为冷态启动过程热应力随时间变化 规律图。图中表明，在启动初期和升负荷阶段的 热应力较大，在冲传汽轮机阶段较小。由于在启 动过程中，分离器的内外壁温差较大，而上下壁 温差较小[ 8]。图3c为热应力与分离器内外壁 温差关系曲线，可以看出两者变化规律完全相 同，可以认为热应力主要由分离器的内外壁温差 引起，所以在电厂运行过程中可以通过监测内外 壁温差来监控热应力。 2．2机械应力分析 汽水分离器的机械应力主要由其内部介质 压力引起，计算表明，机械应力最大值出现在启 动末期介质压力最大时刻，此时机械应力的分布 规律如图4a所示。在汽水引入管开孔区域，应 力变化梯度较大，最大值位于简体内壁与汽水引 入管内相贯线的椭圆孔长轴处。最大应力值为 318M Pa，远离筒体汽水引入管开孔处的应力值 为97M Pa，与简体环向薄膜应力计算应力值85 M Pa接近。定义内压应力指数为开孔处内压应 力与无开孔时相应部位应力之比，本文计算所得 的内压应力指数为3．27，与A SM E推荐的3．1 接近。 N O D A LSO LU l l 0 m P-l SU B500 nM E 3600 SI N T A Va D M X 44 I E03 SM H 5lI E07 SM X 31 8E09 E I 07 074忙08 ⋯4如 r H f1214r “～0二k{ n3朔刊璃nl∞e∞n1700-*09n24S e090．3l Be00 8机械应力最大时的当量应力分布图 时间，ll 彻机械应力随时间变化规律图 350 300 250 2∞ 150 100 50 0 时间／m i n c机械应力与介质压力关系图 图4机械应力变化规律图 图4 b为冷态启动过程机械应力随时间变 化规律图。在启动过程中，机械应力逐渐增大。 图4 c为机械应力与介质压力关系曲线，可以看 出随着压力增加而增大，两者变化规律相同，呈 线性关系。可以认为介质压力变动引起内压应 力变化，因此在电厂运行过程中，可以通过监测 介质压力来监测机械应力。 2．3总应力分析 汽水分离器的总应力是热应力和机械应力 共同作用的结果，但并不是两者简单的相加。汽 水分离器的温度和压力随时间发生变化，总应力 计算时采用载荷步加载方式进行热一结构耦合。 图5a为总应力最大时刻应力分布图，可以 看出最大应力点位于筒体内壁与汽水引入管内 相贯线的椭圆孔长轴处，该位置与文献E9一103 论述一致，最大应力值为366M Pa。图5b 为冷 态启动过程总应力随时间变化规律图。可以看 出，该节点的总应力在启动初始时刻很小，启动 中期逐渐趋于平稳，启动末期至满负荷时达到最 大。在启动初始时汽水分离器的介质压力较低， 该节点处的总应力主要由热应力决定。随着启 动的进行，温度分布逐渐趋于均匀，热应力减小， 压力引起的机械应力逐渐取得主导地位。 图5 c为冷态启动过程中，汽水分离器的总 应力与内部介质压力的比值变化图。可以看出， 由于热应力的存在，总应力与压力的比值并不是 固定数值。比较图5c和图3b，热应力较大时， 比值较小。热应力较小时时，比值较大。因此，热 应力的存在不一定增加汽水分离器的危险程度。 图5 d 为简体内壁与汽水引入管内相贯线 上各点应力的变化曲线，起点为图5 a 中的A 点，路径方向为顺时针A B A 。从图上可以看 出，相贯线上的应力变化较大，应力集中现象较 为突出。最大应力点位于椭圆长轴附近即B点 位置，此点应作为运行过程中的应力重点监 测点。 毒罨R 词辎嚣 枷咖枷抛啪栅 咖鲫抛啪枷 4 4 3 3 2 2 2 l 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1期 李娜，等1000M W 锅炉汽水分离器的瞬态应力有限元分析 9 3结语 16 14 12 10 8 6 4 2 0 时间，ll ㈣总应力随时间变化规律图 时间／r ain e总应力与内部介质压力的比值变化图 d内相贯线应力分布图 图5总应力变化规律图 1在冷态启动过程中，热应力的变化与汽水 分离器的内外壁温差变化规律一致。最大应力位 于筒体内壁与汽水引入管内相贯线的椭圆孔长轴 处，最大热应力值132M Pa，热应力指数为1．6。 2汽水分离器的机械应力与内部介质压力成 正比关系，在汽水引入管开孔区域，应力变化梯度较 大，应力最大值位于筒体内壁与汽水引入管内相贯 线的椭圆孔长轴附近位置，机械应力指数为3．27。 3汽水分离器的总应力在启动初始时刻很 小，启动中期逐渐趋于平稳，启动末期至满负荷 时达到最大。在启动初始时总应力主要由热应 力决定，随着启动的进行，温度分布逐渐趋于均 匀，热应力减小，压力引起的机械应力逐渐取得 主导地位。 参考文献 [ 1] 杨震，史英栓．1913t ／h超临界锅炉启动分离器的结构强度 与寿命研究口] ．动力工程，2006，26 4 462466． [ 2]李斌，李建伟，杨冬．600M w超临界锅炉汽水分离器内压 应力有限元分析[J-1．锅炉技术，2009，40 1 14． [33A SM ESecI I ＆SeeⅦD ivi sionI I[ s] ．USA． [43杨世铭，陶文铨编著．传热学[M ]．北京高等教育出版社， 1998392398． [5]杨冬，陈听宽，陈宣政，等．超临界直流锅炉汽水分离器瞬态 传热的研究[J]．西安交通大学学报，1994，2868691。 [6]EN1295223，European StandardN or m e Europeenne [S]．EV． ET] G B ／T92222- - 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