基于ANSYS的火力發電廠鍋爐再熱器力學仿真分析

摘 要：鍋爐再熱器是火力發電廠中常見的機械設備，再熱器集箱經常出現裂紋，為此提出了優化再熱器集箱的有效措施，并利用ANSYS有限元分析軟件進行了驗證，能夠為相關技術人員提供一定參考。

關鍵詞：火力發電廠;鍋爐再熱器;溫度;裂紋;仿真分析

0 引言

目前，我國電力來源主要還是依靠火力發電廠。鍋爐再熱器的使用對于提高火力發電廠的能源利用效率和設備運行可靠性具有非常重要的作用。由于溫度分布不均或者溫度過高等因素，鍋爐再熱器集箱經常會出現裂紋，裂紋長度和深度不一，最大深度高達50 mm，嚴重影響再熱器的正常使用。因此，為了保證鍋爐再熱器可以安全穩定工作，必須采取一定的措施以消除裂紋帶來的不利影響。通過仔細觀察鍋爐再熱器集箱可以發現，裂紋出現的位置相對比較固定，除了受溫度分布不均影響之外，還與應力分布不均有關。為了解決火力發電廠再熱器失效問題，必須開展相關研究工作，以保證火力發電廠鍋爐的正常運行。

1 火力發電廠鍋爐再熱器失效分析

通過對某超臨界變壓運行直流鍋爐的觀察可以發現，鍋爐基本構造為單爐膛、Π型布置模式，還配置了主煤粉燃燒器，采用反向墻式切圓燃燒方式。根據現場實際情況可知，鍋爐再熱器集箱裂紋最常出現的位置處于再熱器集箱頂部與放熱管相接觸的部分，最大裂紋長度可以達到65 mm，再熱器最大外部裂紋長度可以達到50 mm，裂紋主要以開裂的方式出現。除了再熱器集箱外部，在內部也能發現大小不一的裂紋，可以推斷熱應力集中造成的熱疲勞損壞是導致再熱器出現裂紋的主要原因。除此之外，結構方式設計不規范，加上鍋爐機組工作時的振動也在很大程度上造成了再熱器裂紋的產生。

2 再熱器損壞的處理措施及預防方法

根據再熱器出現裂紋的形式和位置，當再熱器蒸汽熱管段的中間位置接焊口采用雙V形坡口，放空氣管的對接焊口采用單V形坡口，能夠有效預防裂紋出現。在對再熱器進行焊接前，需要仔細檢測管道有沒有出現破損和腐蝕現象，為了保證焊接的穩定性和可靠性，可以在焊接口處布置3個固定點，以保證焊接過程更加均勻、準確。鍋爐再熱器集箱上要盡可能只布置一個放空氣管，不要出現多個放空氣管并列布置的現象，要合理設計放空氣管的形狀結構，水平管道要能有效適應氣流流動方向，盡量不要出現冷凝水回流現象，保證設備正常運行工作。在再熱器容易出現裂紋的地方，可以設計加強筋，同時焊上增強板，從而避免火力發電廠再熱器出現裂紋。

3 火力發電廠鍋爐再熱器仿真分析

3.1? ? 再熱器三維模型建立及網格劃分

為了對火力發電廠鍋爐再熱器進行有限元仿真分析，本文采用SolidWorks三維建模軟件建立了優化后的鍋爐再熱器三維模型。鑒于計算機性能和計算時間，忽略了對仿真結果影響不大的特征，只保留了必要部分，通過ANSYS自帶的網格劃分工具mesh對其進行網格劃分，最終網格劃分數量為236 782，網格劃分圖如圖1所示。

3.2? ? 火力發電廠鍋爐再熱器仿真分析結果

鍋爐再熱器被安裝固定在鋼結構上，采用螺栓方式固定，再熱器設有入口和出口，為了簡化計算，僅表現了再熱器的一部分結構，假設鍋爐再熱器工作環境溫度為30 ℃，將優化后的鍋爐再熱器三維模型導入ANSYS中進行求解計算，鍋爐再熱器的應力分布云圖如圖2所示，鍋爐再熱器的位移分布云圖如圖3所示，鍋爐再熱器的溫度分布云圖如圖4所示。

由圖2可以發現，鍋爐再熱器此時的最大應力為113.6 MPa，最小應力為0.389 04 MPa，最大應力出現在兩個接口處，最小應力出現在鍋爐底部固定位置，此時最大應力仍在安全范圍內，且數值相對較小，優化后的鍋爐再熱器出現裂紋的可能性較低。

由圖3可以發現，鍋爐再熱器此時的最大位移為0.8 mm左右，最小位移為0.089 mm左右，最大位移出現在鍋爐再熱器尾部，最小應力出現在鍋爐再熱器頭部，此時最大位移仍在安全范圍內，且數值相對較小，通過位移數據可以看出，優化后的鍋爐再熱器出現裂紋的可能性較低。

由圖4可以發現，鍋爐再熱器此時最大溫度為57.382 ℃，最小溫度為56.816 ℃，最大溫度出現在鍋爐再熱器兩端，最小溫度出現在鍋爐再熱器中間位置，此時最大溫度與最小溫度的溫差較小，不會出現熱力失衡現象，通過溫度數據也可以看出，優化后的鍋爐再熱器出現裂紋的可能性較低。

4 結語

綜上所述，鍋爐再熱器對于保證火力發電廠正常運營具有重要影響，考慮到傳統再熱器容易由于溫度分布不均出現裂紋，采取了再熱器蒸汽熱管段的中間位置接焊口采用雙V形坡口，放空氣管的對接焊口采用單V形坡口等方法，有效避免了裂紋的出現，并采用ANSYS有限元仿真軟件對其進行了驗證，證明優化后的鍋爐再熱器可以有效避免裂紋的出現。

[參考文獻]

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[2] 王能淼.鍋爐再熱器水壓試驗堵閥更換過程控制[J].山東工業技術，2017（6）：91-92.

收稿日期：2019-12-23

作者簡介：商江東（1984—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向：熱能動力。