給水旁路調節下高壓加熱器的瞬態應力分析

王建華，范佩佩，石峰，種道彤

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南省 鄭州市450002；2.河南恩湃高科集團有限公司，河南省 鄭州市450002；3.動力工程多相流國家重點實驗室(西安交通大學)，陜西省 西安市710049）

0 引言

燃煤發電機組面臨頻繁、深度變負荷的運行需求，開發汽輪機側儲能成為機組提高運行靈活性的一大手段。目前已有的調節策略包括凝結水節流調節、高壓加熱器調節等[1-3]。其中高壓加熱器調節主要通過調整回熱加熱器抽汽量，改變汽輪機內蒸汽流量，從而迅速改變機組功率，該方法具有參數品質高、儲熱足的特點，成為彌補鍋爐儲能不足的重要手段[4]。然而高壓加熱器作為大型高壓高溫換熱設備，在靈活性調節過程中其溫度、壓力參數波動劇烈，產生的交變應力對疲勞壽命、設備損耗以及安全性運行具有重要影響。因此研究機組靈活性調節方案下的高壓加熱器瞬態特性，獲得溫度場和應力場的變化規律，對機組的安全運行和靈活性調節具有重要的意義。

國內外學者對高壓加熱器的應力分析開展了廣泛的研究。在穩態方面，Alam 等[5]對高壓加熱器換熱管某一應力集中最高的管子進行有限元分析，發現最大應力值位于彎頭處，且存在安全系數低于1.0 的區域，提出破壞或塑性變形是導致管道泄漏失效的原因；Ananda 等[6]通過實驗對高壓加熱器失效區域進行觀察，對奧氏體不銹鋼316L 材料作為換熱管的應力腐蝕失效進行了評價；高俊等[7]對高壓加熱器水室隔板存在的穿孔部位進行了局部流場的CFD 仿真，研究發現焊瘤的存在能改變局部流場，流動加速腐蝕并導致加熱器穿孔。

在瞬態方面，苑海冬等[8]對1000 MW 超臨界機組高壓加熱器不同運行工況進行了溫度動態特性分析，給出了給水溫度變化率≤1.83K·min-1下，高加各運行參數的建議調節速率；顧瓊彥[9]對某百萬等級核電機組的高壓加熱器受壓管板及接管進行了計算分析，通過理論計算及有限元分析方法得到了管板在溫度和壓力載荷作用下的局部應力，并研究了高加在典型瞬態溫度波動工況下的應力強度和疲勞壽命；龔建中[10]對某百萬等級高壓加熱器水室進行研究，將管板簡化為等效實心板，進行瞬態過程的熱應力分析；Zhao 等[11-12]建立了660 MW 燃煤發電機組瞬態仿真模型，采用高加抽汽節流和給水旁路(feedwater bypass，FWB)兩類利用高加抽汽的方法，得到了熱力參數和功率的動態響應特性，對抽汽節流方法下高壓加熱器的瞬態應力進行了對比。

針對高壓加熱器的研究，前人大多針對其管板、水室等局部應力集中區域進行穩態的應力分析，對于瞬態過程分析很少，尤其是機組頻繁變負荷過程中高壓加熱器的實際動態變化分析。機組1 號高壓加熱器較其他各級加熱器，溫度、壓力參數更高，且波動更為劇烈，而管板兩側分別是旁路給水和過熱蒸汽，存在較大的溫差和壓力，是整個回熱系統最容易發生變形和泄漏的部位[13-14]，因此本文選擇某660 MW 超臨界燃煤發電機組1 號高壓加熱器進行研究，建立其三維有限元模型，研究了FWB 調節過程中高壓加熱器的瞬態溫度場、熱應力場、機械應力場、耦合應力場的變化，并找到應力集中區域，為高加的安全運行提供數據參考。

1 高壓加熱器有限元模型

1.1 物理模型

本文對某660 MW 燃煤發電機組1 號高壓加熱器進行研究，以75%熱耗率驗收(turbine heat acceptance，THA)工況為基本工況，高壓加熱器的設計參數如表1所示，各材料物性參數如表2所示[15]。物性參數隨溫度的變化較小，對瞬態溫度場和應力場的影響較小，且不影響分布規律，本文不予考慮。

表1 高壓加熱器75%THA 工況設計參數Tab.1 Design parameters of 75%THA working condition for high pressure heater

表2 高壓加熱器材料物性參數Tab.2 Physical properties of materials for high pressure heating equipment

1.2 有限元模型

建立高壓加熱器管板、換熱管、水室和部分殼體在內的三維有限元模型，簡化如下：1）換熱管數量根據過流斷面面積相等的原則[16]進行等效，等效為24 根換熱管；2）管板與換熱管為脹接方式，建模時不考慮兩者接觸關系，認為兩者互相連接；3）主要考慮管板及附近區域的溫度場及應力分布狀況，忽略水室人孔密封、分程隔板、防沖板、折流板等部位。

根據高壓加熱器的結構特點做如下假設：1）假設材料各向同性；2）高加為軸對稱結構，建立1/2 對稱模型；3）殼側為蒸汽冷卻段和疏水冷卻段，不考慮蒸汽相變。采用ANSYS Design Modeler 模塊建立高壓加熱器三維有限元模型，如圖1所示，其結構尺寸見表3。

圖1 高壓加熱器有限元模型Fig.1 Finite element model of high pressure heater

表3 高壓加熱器結構參數Tab.3 Structural parameters of high pressure heater

1.3 網格劃分及邊界條件

采用ANSYS Mesh 模塊對模型進行六面體結構化網格劃分，如圖2所示。對高加進行網格無關性驗證，選擇節點1、2 分別對比溫度和熱應力大小，如圖3所示。當網格數量小于158 萬時，熱應力的變化波動較大，網格數增加到158 萬后，溫度和熱應力基本不隨網格數量的增加而發生變化。最終選擇網格節點數為158萬的模型開展計算。

圖2 有限元模型網格劃分Fig.2 Meshing of finite element model

圖3 有限元模型網格無關性驗證Fig.3 Verification of mesh independence of the finite element model

對高壓加熱器進行溫度場計算時熱邊界條件為：外壁面按自然對流處理，對流換熱系數[17]取5 W·m-2·℃-1，對流溫度取20℃；對稱面及各切剖橫截面按絕熱處理；水室、殼體內壁面及換熱管內外面按第3 類邊界條件處理，即給定對流換熱系數和工質溫度，傳熱關聯式采用Dittus-Boelter 公式。

對高壓加熱器進行應力場計算時，為消除剛體位移，對結構進行約束，如圖4所示。對稱面存在對稱約束；殼體邊緣B處施加x向位移約束；管板橫截面C處施加z向遠端位移約束。另外，高壓加熱器應力分析過程中考慮重力的影響，在重心A處施加9.8 m·s-2重力加速度，方向為-z向。

圖4 高壓加熱器約束情況Fig.4 High pressure heater constraints

1.4 模型驗證

對高壓加熱器有限元模型進行驗證，參考文獻[18]建立600 MW 機組高壓加熱器水室簡化模型，模擬試驗壓力為10.3 MPa 下的等效應力分布。仿真結果與文獻中實驗數據對比見圖5。2種方法下應力較大部位均出現在測點4 和26，為高加水室封頭與管板的連接處；相同壓力工況下，實驗應力與仿真應力的變化趨勢一致，偏差在允許范圍內。綜上認為模型可靠，有限元方法正確。

圖5 不同測點等效應力對比曲線Fig.5 Equivalent stress comparison curves for different measuring points

2 應力分析

2.1 邊界條件與載荷

基于GES JTopmeret 模塊建立的660 MW 燃煤發電機組動態仿真模型[11,19]，得到不同給水旁路調節工況下1 號高壓加熱器各出入口的溫度、壓力動態變化數據。模型將高壓加熱器蒸汽側、給水側和換熱板簡化為若干節點，各節點大小相同；通過各節點的溫度分布表征高壓加熱器全場的溫度分布。

本文研究了3 種給水旁路調節工況：給水旁路程度20%(FWB 20)，給水旁路程度60%(FWB 60)，給水旁路程度100%(FWB 100)，其中旁路程度代表旁路中給水的流量占總給水流量的份額。各熱力參數如圖6所示。0～100 s 是穩定運行階段，t=101s 時刻開啟旁路閥門，t=301 s 時關閉旁路閥門，恢復給水至初始階段；3 種FWB 工況對應的閥門執行時間分別為12、36、60 s。蒸汽側壓力先增大，然后逐漸恢復到初始狀態，這與加熱器的自平衡能力有關；水側壓力在t=101s 時開始波動，存在2 個谷值是因為壓力傳播過程中遇到閥門阻擋產生震蕩，在t=750s 左右壓力逐漸恢復到初始值；蒸汽溫度增長緩慢且有一定的波動，這是逆流式加熱器傳熱時間延遲所致，且波動范圍隨著旁路程度的降低而降低；給水溫度先快速升高后迅速下降，在小范圍內波動至恢復穩定，相比蒸汽溫度恢復速度更快。可以看出，蓄熱的傳播速度比壓力波的傳播速度慢。

圖6 高壓加熱器在FWB 工況下熱力參數動態特性Fig.6 Thermal parameters dynamic characteristics of high pressure heater under FWB condition

利用加熱器各區域的一維數據作為ANSYS Workbench 中有限元分析模型的溫度載荷和壓力載荷，對高壓加熱器進行不同瞬態工況的計算與分析。

基于Workbench 的有限元分析，可以得到瞬態過程高壓加熱器的溫度場和應力場分布，其中應力場又包括熱應力場、機械應力場和耦合應力場。由于FWB100 是給水旁路工況中高壓加熱器溫度、壓力波動最劇烈的工況，下文以FWB100過程為例介紹瞬態場的分布。

2.2 溫度場分析

高壓加熱器各時刻的溫度場分布如圖7所示。整體溫度呈先升后降的趨勢，但給水出口部位呈先降后升的趨勢；t=100 s 時最高溫度為343.6℃，位于蒸汽入口區域；t=175 s 時給水出口溫度快速下降，是由于FWB 100 時給水經旁路直接送往鍋爐，1 號高壓加熱器水室出口的內壁面受此影響溫度明顯下降；t=300 s 時給水出口區域溫度繼續下降，蒸汽入口管溫度升高至383.0℃，是由于換熱管內給水流量少，蒸汽保有較高的溫度，此時高壓加熱器整體溫差最大；之后高加給水開始恢復，在t=375s 時閥門已完成執行恢復到關閉狀態，給水完全由水室進入，此時蒸汽側溫度為394.1℃；t=500s，1000 s 下高壓加熱器溫度持續降低，最高溫度均出現在蒸汽入口管處。在FWB 100 工況下，高壓加熱器蒸汽入口管區域始終是溫度最高的部位。

2.3 應力場分析

2.3.1 熱應力場

高壓加熱器各時刻的熱應力分布如圖8所示。熱應力整體呈先升后降的規律，t=100s 時最大值出現在管板與殼體連接轉角處，是由于該處結構剛度存在突變，造成了局部應力集中；t=300s時最大值為252.8 MPa，出現在蒸汽入口管區域，此時水室出口區域保有較大的熱應力；t=375s 熱應力最大值同樣位于蒸汽入口管，蒸汽側由于熱慣性其應力繼續小幅上升，此時水室中給水完全恢復流動，水室進出口區域的內壁面溫度上升，減小了內外壁溫差，熱應力開始下降；在t=500 s和1000 s 時各區域溫差減小，溫度分布趨于穩定，熱應力持續降低，熱應力分布與初始時刻分布規律一致。

2.3.2 機械應力場

圖8 高壓加熱器在FWB 100 工況下的熱應力場分布Fig.8 Thermal stress fields of high pressure heater under FWB 100 condition

圖9 高壓加熱器在FWB 100 工況下的機械應力場分布Fig.9 Mechanical stress fields of high pressure heater under FWB 100 condition

高壓加熱器各時刻的機械應力分布如圖9所示。各時刻下應力分布規律一致，最大值在317.0～332.0 MPa 范圍內波動，均出現在管板與水室弧側連接區域；水室區域機械應力高于殼側，蒸汽入口管機械應力高于疏水出口管；給水旁路過程中，水室入口和出口中始終有部分給水滯留，壓力變化幅度不大，因此該過程對高壓加熱器的機械應力影響很小。

2.3.3 耦合應力場

圖10 高壓加熱器在FWB 100 工況下的機械-熱耦合應力場分布Fig.10 Mechanical-thermal coupled stress fields of high pressure heater under FWB 100 condition

高壓加熱器各時刻的耦合應力分布如圖10所示。耦合應力呈先增大后減小趨勢，t=100 s 時耦合應力最大值為398.1 MPa，出現在管板與水室弧側連接區域；t=175 s，300s 時耦合應力最大值分別為495.7、529.1 MPa，最大值均出現在管板上側與水室弧側連接區域，此時水室出口較水室入口有較大的耦合應力，是由于該部位的汽水參數波動更大；恢復給水后高壓加熱器應力逐漸降低，t=375 s 時最大值為412.6 MPa，出現在管板與水室出口弧側連接處；t=500 s、1000 s 時，最大值分別降為383.8、387.5 MPa，此時機械應力起主要作用，應力分布規律與初始時刻一致。FWB 100 工況下耦合應力最大值始終為管板與水室弧側連接區域。

2.4 不同瞬態工況應力對比

通過分析發現，在給水旁路調節過程中，蒸汽入口管處有較大的熱應力，水室出口處的溫度和熱應力隨時間變化較大，管板處的機械應力和耦合應力始終較高，因此針對高壓加熱器選擇了水室出口(A)，蒸汽入口管(C)，管板上側(E)、管板下側(F)4 個關鍵部位進行局部應力的對比，關鍵部位分布如圖1所示。

2.4.1 關鍵部位熱應力對比

圖11 不同給水旁路工況下高壓加熱器關鍵部位的熱應力變化規律Fig.11 Thermal stress variation in key parts of high pressure heater under different feedwater bypass conditions

關鍵部位熱應力的變化規律如圖11所示。A區域熱應力先快速升高后降低至恢復平穩，FWB 100 工況下應力變化最劇烈，在t=300 s 時達188.57 MPa；FWB 20、FWB 60 和FWB 100 工況下該區域的熱應力波動幅度比為0.132:0.547:1。C區域熱應力呈先升后降的趨勢，其中FWB 100工況下存在2 個峰值，在t=300 s，400 s 時出現，且第1 個峰值高于第2 個峰值，是因為蒸汽入口溫度受調節影響快速變化時，管外壁面溫度變化存在滯后性，導致了C 區域內外壁溫度存在2 個較大的溫差；3 個工況下熱應力波動幅度比為0.241:0.557:1。E 區域在FWB 60、FWB 100 工況下熱應力存在明顯的峰值和谷值，FWB 100 工況下熱應力最高達230.11 MPa，FWB 20 工況應力波動很小，說明旁路程度較小時對C 區域熱應力影響小；3 個工況下熱應力波動幅度比值為0.066:0.431:1。F區域熱應力在FWB 20 和FWB 60工況下熱應力變化幅度小，其中FWB 60 在500 s之后存在明顯的波動，FWB 100 工況的熱應力先下降至較小值，300 s 進行恢復抽汽后熱應力繼續下降至更小值，且該區域的熱應力較其他部位波動更大，不易達到穩定；3 個工況下該區域的熱應力波動幅度比值為0.175:0.633:1。

綜上可知，A 區域熱應力恢復較快，F 區域熱應力需要更長的時間恢復平衡，C 區域熱應力值最高；4 個關鍵部位的熱應力波動幅度均隨著給水旁路程度的增大而相應增大。

2.4.2 關鍵部位機械應力

關鍵部位機械應力的變化如圖12所示。A、E、F 區域機械應力有相同的變化規律，均存在2個明顯的谷值，100 s 時機械應力開始下降，250 s左右到達第1 個谷值，在450 s 左右開始第2 次下降，550s 左右到達第2 個谷值，但第1 個谷值的數值更小，說明FWB 調節下旁路閥門突然關閉會引起更大的壓力震蕩。在FWB20、FWB60 和FWB100 工況下，A、E、F 三個區域的機械應力波動幅度比值分別為：0.175:0.565:1，0.197:0.577:1，0.200:0.582:1。C 區域機械應力先上升后下降至平穩，3 種工況下峰值較接近，應力變化幅度很小，說明FWB 調節過程對蒸汽壓力影響很小；該區域在不同給水旁路工況下機械應力波動幅值比為0.278:0.775:1。各區域的機械應力波動幅度均隨著給水旁路程度的增大而相應增大，在FWB 100工況下應力變化幅度最大。

2.4.3 關鍵部位機械-熱耦合應力

圖12 不同給水旁路工況下高壓加熱器關鍵部位的機械應力變化Fig.12 Mechanical stress variation in key parts of high pressure heater under different feedwater bypass conditions

圖13 不同給水旁路工況下高壓加熱器關鍵部位耦合應力變化規律Fig.13 Coupling stress variation in key parts of high pressure heater under different feedwater bypass conditions

關鍵部位機械-熱耦合應力的變化見圖13。A 區域耦合應力在100 s 時快速升高，300 s 之后迅速下降并恢復穩定，與熱應力變化規律相似；該部位在3 個工況下的耦合應力波動幅值比為0.179:0.603:1。C 區域耦合應力在400 s 后存在明顯的2 次波動，且峰值更高，3 個工況下耦合應力波動幅值比為0.150:0.596:1。E 區域耦合應力在100s 時快速升高至峰值，300s 之后快速降低，在恢復穩定的過程中存在波動，且波動范圍隨旁路程度的增大而增大；該區域在3 個給水旁路工況下的耦合應力波動幅值比例為0.193:0.641:1。F區域在FWB 20 工況下耦合應力先降后升，在FWB 60 和FWB 100 工況應力在先小幅下降后升高，400s 后逐漸趨于穩定，應力波動幅度小于E區域；F 區域的耦合應力在100 s 左右小幅下降，該時間段機械應力小幅下降，熱應力由于延遲保持穩定，兩者耦合后下降；3 個工況下該區域的耦合應力波動幅度比值為0.390:0.501:1。

綜上可知，E 和F 區域的耦合應力遠高于其他部位，其中E 區域為耦合應力分析中最危險的部位，在FWB 100 工況下應力最大，達529.13 MPa；給水旁路程度越大，各部位耦合應力的波動幅度越大。

對比4 個關鍵部位的熱、機械、耦合應力波動幅度發現，各應力的波動幅度均隨著給水旁路程度的增大而增大。

3 結論

對某660 MW 燃煤發電機組1 號高壓加熱器進行了有限元瞬態過程分析，分別研究了給水旁路20%、給水旁路60%、給水旁路100%三個工況下的溫度場、熱應力場、機械應力場、耦合應力場分布，并對水室出口、蒸汽入口、管板上側、管板下側4 個關鍵部位進行了工況對比，具體結果如下：

1）對比4 個關鍵部位的熱、機械、耦合應力的波動幅度發現，給水旁路程度越大，各種應力的波動幅度都相應增大；各給水旁路工況中，給水旁路100%為最危險工況。

2）各給水旁路工況下，高壓加熱器整體溫度呈先升后降的趨勢，給水出口部位溫度呈先降后升的趨勢；僅考慮熱應力時蒸汽入口管為應力集中最大部位，僅考慮機械應力時管板下側為應力最大部位，但各區域波動幅度始終較小，綜合考慮熱、機械作用的耦合應力時，管板上側區域應力集中最高，為高壓加熱器最危險的部位，需重點關注和檢修。