附加鰭片對CFB鍋爐膜式水冷壁管屏熱變形影響的數值分析

楊 睿， 陳 曄， 盧嘯風， 陽明君， 史君林， 李 濤

(1. 四川輕化工大學 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室， 四川自貢 643000；2. 重慶大學 低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室， 重慶 400044)

超臨界循環流化床(CFB)鍋爐機組發展面臨的關鍵問題之一是爐膛水冷壁在運行過程中的安全性是否可靠。在超臨界CFB鍋爐運行時爐內會有大量物料沖刷爐膛水冷壁受熱面，為了防止水冷壁管磨損，同時確保水冷壁管的充分冷卻，水冷壁管內工質只能采用具備正流量響應特性的低質量流率技術(本生技術)。但水冷壁管內工質采用低質量流率技術后，管內工質傳熱系數降低，為了將水加熱至過熱蒸汽溫度，只能提高管子周長與截面面積之比，即采用小管徑的水冷壁管，但其機械強度明顯下降。此外，由于超臨界工質的傳熱特性，超臨界CFB鍋爐膜式水冷壁管屏間的周向溫差和熱應力會遠高于亞臨界自然水循環鍋爐，從而導致管屏熱變形增加，致使管屏附加磨損與撕裂的可能性增大。因此，為保障超臨界CFB鍋爐的經濟安全運行，開展對超臨界CFB鍋爐熱工狀況及熱變形狀況的研究十分必要。

國內外關于膜式水冷壁管屏應力應變的研究多集中在單膜式水冷壁管傳熱條件研究，通常是建立膜式水冷壁管的傳熱數學模型，分析管內傳熱系數與受熱面熱流密度對管壁溫度分布的影響規律[1-4]。DI Pasquantonio等[5-11]建立了膜式水冷壁管熱變形數值計算模型，提出了一些適用于工程計算的膜式水冷壁管溫度場和應力應變計算方法。但現有文獻中的研究主要適用于煤粉鍋爐，對于CFB鍋爐水冷壁管熱變形的研究卻較為罕見。

研究表明，在膜式水冷壁管背火側焊接一塊附加鰭片能減小膜式水冷壁管熱變形[12]，但這只是定性的結果，關于附加鰭片對減小熱變形是否真實有效，以及附加鰭片具體尺寸的影響和作用機理未見報道。因此，筆者在世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐實爐運行數據的基礎上，針對距離布風板20～35 m水冷壁管屏出現嚴重變形磨損的邊角區域，開展了膜式水冷壁管屏熱變形量計算工作，同時定量分析了背火側附加鰭片對減小膜式水冷壁管屏熱變形的作用。

1 有限元模型建立

1.1 膜式水冷壁管屏模型

所研究的世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐的膜式水冷壁管最大連續蒸發量(BMCR)為1 900 t/h，過熱、再熱蒸汽壓力分別為25.4 MPa、4.51 MPa，過熱、再熱蒸汽溫度分別為571 ℃、569 ℃，水冷壁的熱變形取決于熱邊界條件以及約束條件。根據該鍋爐運行過程中曾出現過的水冷壁磨損情況，選擇鍋爐9～55 m高度范圍內，位于前墻與右墻交接處的5塊4.6 m(高度)×2 m(寬度)大小的膜式水冷壁管屏，利用ANSYS軟件進行管屏熱變形數值計算。水冷壁由直徑為28.2 mm、壁厚為5.6 mm，鰭片厚度為7 mm、截距為38.2 mm，材料為15GrMoG的膜式水冷壁管圍繞而成。計算區域及計算模型分別見圖1和圖2(其中Ux、Uy、Uz分別為x、y、z方向的位移)。水冷壁管受到水平剛性梁、相鄰水冷壁管、管屏自身重力及管內流體壓力的作用，因此計算模型施加的約束如圖2(a)中A～G面施加約束所示。采用六面體結構化網格，為確保計算精度及計算速度，水冷壁管屏計算模型的網格數為48.3萬。

圖1 水冷壁管屏熱變形計算區域Fig.1 Calculation section of thermal deformation of water wall tubes

(a) 計算模型

(b) 網格圖2 膜式水冷壁管屏計算模型邊界條件及網格Fig.2 Boundary conditions and meshing of calculation model of water wall tubes

1.2 基本方程及邊界條件

針對膜式水冷壁管屏的結構特征參數，利用ANSYS軟件建立三維有限元彈性力學模型，計算單元為PLAN55、SOLID70和SOLID185。在外力作用下，水冷壁的熱彈性應力-應變方程如下：

(1)

式中：σ為應力，Pa；ε為應變；u、v、w分別為x、y、z方向的速度, m/s；α為熱膨脹系數，℃-1；E為拉壓彈性模量，Pa；μ為泊松比；t為溫度，℃。

力學邊界條件可以確定為：在水冷壁管頂部的面位移為0，爐膛背火側剛性梁支撐部分位移為0 mm，管內壁表面受到26.9 MPa的內壓(表壓)作用，向火側外壁面受到約50 kPa的壓力(表壓)作用。熱邊界條件參考文獻[13]。

1.3 材料特性及鍋爐運行參數的確定

本文中膜式水冷壁的材料為15GrMoG，在計算中視為各向同性材料，其熱物理特性如表1所示。數值模擬時材料的物性參數采用線性插值進行計算。

表1 15GrMoG的物性參數Tab.1 Physical performance parameters of 15GrMoG

2 計算結果與分析

2.1 水冷壁管屏熱變形量計算結果

圖3為距離布風板21 m高度處水冷壁管屏熱變形量分布。從圖3(a)和圖3(d)可以看出，由于管屏頂端受到水冷壁管屏懸吊裝置的約束(Uz=0 mm)，而底端沒有施加約束，因此水冷壁管屏主要以向爐膛底部方向的自由膨脹為主。計算區域水冷壁管屏整體向下膨脹(z方向)，熱變形至管屏底端時總熱變形量達到26.12 mm。而在管屏寬度方向(x方向)上的熱變形量僅約為0.05 mm，且與物料流動方向相同，水冷壁管屏磨損較小(見圖3(b))。

從圖3(b)還可以看出，水冷壁管屏在向火側的熱變形量分布非常不均勻，在水平剛性梁作用的部分，y方向的熱變形量相對較小；而在2塊水平剛性梁中間的水冷壁區域，y方向的熱變形量相對較大，主要表現為向爐膛內部變形，最大熱變形量約為1.10 mm。在水冷壁管屏向下變形過程中，由于相鄰管子溫度不同，存在膨脹偏差，溫度高的水冷壁管無法向下額外膨脹，只能向爐膛外側或向爐膛內側膨脹。剛性梁與水冷壁管屏接觸部分不發生位移(Uy=0 mm)，故而接觸部分的水冷壁管不會變形，而固定梁中間的區域沒有約束，可以自由膨脹，由于向火側管壁溫度更高，相對管壁溫度更低的背火側膨脹量更大，水冷壁管屏向爐內向火側凸起，從而引起磨損。

(a) 總熱變形量

(b) x方向熱變形量

(c) y方向熱變形量

(d) z方向熱變形量圖3 21 m高度處水冷壁管屛向火側熱變形量計算結果Fig.3 Calculation results of fire-side thermal deformation of water wall tubes at the furnace height of 21 m

圖4為水冷壁管屏向火側最大熱變形量沿計算模型高度和爐膛高度方向的分布。從圖4(a)可以看出，在沿計算模型高度方向(z方向)上，水冷壁管屏向火側熱變形量分布是不均勻的，在爐內額外造成凸起或凹陷，因而會加劇水冷壁管的磨損。由于傳熱條件不同，不同爐膛高度的水冷壁管屏向火側熱變形量各不相同，最大值為1.43 mm，位于爐膛高度39.5 m處。

(a) 計算模型高度方向

(b) 爐膛高度方向圖4 向火側最大熱變形量沿計算模型高度及爐膛高度方向的分布Fig.4 The maximum fire-side thermal deformation along the calculation model height and furnace height

2.2 附加鰭片對水冷壁管屏熱變形的影響

膜式水冷壁管屏在鍋爐運行中會存在熱偏差引起的熱變形，減小向火側熱變形將有效提升鍋爐運行的安全性及經濟性。盧嘯風等[12]定性地給出了一種減小超臨界CFB鍋爐膜式水冷壁管熱變形的方法，如圖5所示，但并未定量給出附加鰭片對膜式水冷壁管屏熱變形的減小量。依據圖5建立了三維熱變形計算模型，邊界條件的施加與未焊接附加鰭片時相同。

1-管子； 2-鰭片； 3-背火側鰭片。圖5 附加鰭片布置方法(背火側)Fig.5 Layout of extra fin on the backfire side

圖6為21 m高度處背火側焊接了附加鰭片的膜式水冷壁管屏熱變形量計算結果。從圖6(a)和圖6(c)可以看出，在膜式水冷壁管鰭片背火側焊接附加鰭片后，水冷壁管屏在相同受熱條件下的y方向熱變形量明顯減小，最大熱變形量從未加附加鰭

(a) 總熱變形量

(b) x方向熱變形量

(c) y方向熱變形量

(d) z方向熱變形量圖6 21 m高度處附加鰭片對水冷壁管屏向火側熱變形量的影響Fig.6 Influence of extra fin on fire-side thermal deformation of water wall tubes at the furnace height of 21 m

片的1.10 mm減至添加附加鰭片后的0.80 mm左右(附加鰭片尺寸寬度l×高度h為5 mm×3 mm)，向火側的熱變形量減小了近26%。同時沿著計算模型高度方向的熱變形量更為均勻(見圖7)，也減小了水冷壁管屏被磨損的危險。從計算結果可以看出，添加附加鰭片將有效減小水冷壁管屏的熱變形，其主要原因是附加鰭片的加入降低了鰭片與管壁之間的熱偏差，使管屏之間總的熱偏差降低，從而減小水冷壁管屏熱變形，達到保護管屏的作用。

圖7 21 m高度處水冷壁管屏焊接附加鰭片后沿計算模型高度方向向火側的y方向熱變形量Fig.7 Fire-side thermal deformation in y direction of water wall tubes along the calculation model height at the furnace height of 21 m after welding extra fin

通過計算發現，附加鰭片的尺寸對水冷壁管屏熱變形的影響明顯。圖8為附加鰭片對水冷壁管屏最大熱變形量的影響。由圖8可知，隨著附加鰭片寬度的增加，水冷壁管屏的最大熱變形量先減小后增大。針對本鍋爐的水冷壁管結構參數，當附加鰭片尺寸l×h為6 mm×4 mm時，水冷壁管屏y方向熱變形量達到最小值，為0.57 mm。當附加鰭片尺寸過小時，附加鰭片對膜式水冷壁管的強化作用不明顯，y方向熱變形量仍然較大；隨著附加鰭片尺寸增加，附加鰭片能有效增大膜式水冷壁管的強度，減小鰭片與水冷壁管之間的應力，從而達到減小水冷壁管屏熱變形的目的。而隨著附加鰭片尺寸進一步增加，附加鰭片底部的溫度與鰭片向火側的熱偏差會增大，附加鰭片、鰭片以及水冷壁管之間會產生較大的應力，從而導致水冷壁管屏熱變形量增大。

圖8 附加鰭片尺寸對水冷壁管最大熱變形量的影響Fig.8 Influence of extra fin size on the maximum thermal deformation of water wall tubes

3 結 論

(1) 世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐水冷壁管屏熱應力計算結果顯示，由于水平剛性梁的約束，水冷壁管屏最大應力出現在水平剛性梁與水冷壁管接觸部位，此外鰭片與管壁之間較大的溫差也導致熱應力較大，但上述2處位置的熱應力均遠低于水冷壁管鋼材的許用應力和彎曲應力。

(2) 水冷壁管屏主要以向爐膛下部的自由膨脹為主，而引起水冷壁磨損的向火側最大熱變形量主要出現在2根剛性梁之間水冷壁管屏的中間位置，同時水冷壁向火側熱變形量隨著爐膛高度的增加而先增大后減小，最大熱變形量位于距離布風板39.5 m高度處，最大熱變形量為1.43 mm。

(3) 在膜式水冷壁管背火側鰭片中間位置焊接一塊附加鰭片，能明顯減小水冷壁管屏熱變形。當附加鰭片尺寸l×h為6 mm×4 mm時，水冷壁管屏向火側熱變形量減至最小值(0.57 mm)。添加附加鰭片對減小水冷壁磨損、確保水冷壁安全有顯著的作用。