超超臨界煤粉爐水冷壁在不同條件下的安全性探討

郭雁杰

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

中國超超臨界鍋爐技術的發展是一個引進、消化、吸收、再創新的過程[1]。經過多年的發展和經驗積累，國內東鍋、哈鍋與上鍋等鍋爐廠已經完全獨立自主地掌握了先進高效燃煤超超臨界火電鍋爐技術，鍋爐效率得到不斷提高，很多技術已領跑世界。尤其在二次再熱及更高參數先進超超臨界鍋爐技術創新和應用研究領域，有著卓越貢獻。

雖然高參數鍋爐融入了全新先進設計理念和基礎研究成果，成功提高了機組運行效率和參與調峰的能力，但機組在頻繁調峰運行過程中出現如水冷壁因流量分配、管內工質物理性質急劇變化等情況，將使水冷壁溫度、應力分布狀態偏離設計，導致局部熱應力集中而致熱疲勞。當塑性區域突破彈性區域時，引發管破裂或爆管，將對機組運行和操作人員帶來更大的傷害，還會造成機組非計劃停機，對電網產生沖擊。因此，對超超臨界鍋爐水冷壁展開安全性分析是非常必要的。

根據傳熱學[2]和結構力學基本原理，本文建立了水冷壁的二維有限元穩態傳熱和結構力學計算模型[3]，通過模擬在不同傳熱條件及不同結構參數條件下，超超臨界鍋爐水冷壁的溫度和應力特性分析，探索了不同條件對水冷壁安全性的影響。基于分析結果，對工程設計和項目提出參考建議。

1 鍋爐及水冷壁簡介

本文所研究的為某在建1 000 MW等級高效超超臨界參數變壓運行直流燃煤鍋爐，采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣露天布置、全鋼構架、前后墻對沖燃燒方式。

在BMCR工況下，鍋爐主蒸汽流量為3 063.8 t/h，主蒸汽溫度為605℃，蒸汽出口壓力為29.3 MPa(g)，省煤器進口給水溫度為306℃，爐膛深度為15.6 m，爐膛寬度為33.9 m。水冷壁采用φ38.1 mm×6.5 mm的12Cr1MoVG材料管子，扁鋼采用厚度6 mm的15CrMo鋼板，水冷壁節距50.8 mm。管子和扁鋼材料的物理特性參數分別見表1、表2。

表1 12Cr1MoVG物性參數

表2 15CrMo物性參數(參照15CrMoR、15CrMoG)

數據摘自GB/T16507.2-2013《水管鍋爐》第2部分材料、DL/T5366-2006《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》、GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》。

2 有限元模型及邊界條件

2.1 有限元分析模型簡化及網格劃分

根據水冷壁的幾何結構特性，為更清楚地分析和驗證水冷壁的溫度和熱應力特性，展現水冷壁對稱結構的計算結果，模型選取了4根水冷壁管和對應的扁鋼。考慮到結構的對稱性，最外側扁鋼選取1/2對稱長度，因扁鋼與管子間的角焊縫焊腳高小且焊材物理性能優于母材，焊材與母材熔融后可作為母材考慮，故對計算結果基本無影響，可不考慮。模型及網格見圖1。管子和扁鋼均采用四邊形網格，采用PLANE77、SURF151單元。上述水冷壁結構，共11 025節點，3 398個單元。

圖1 水冷壁模型及網格示意

2.2 穩態傳熱基本方程及邊界條件

鍋爐水冷壁傳熱原理如圖2所示。爐膛內的燃料燃燒，放出大量熱量，將燃燒產物(煙氣)加熱到很高溫度，高溫煙氣以輻射方式將熱量傳遞至水冷壁，水冷壁通過熱傳導將熱量傳至管內，水冷壁管與管內工質(水、水蒸氣或氣液兩相)進行強制對流傳熱而加熱工質。

圖2 鍋爐水冷壁傳熱原理

根據《傳熱學》[2]及文獻[4]，可知爐膛外水冷壁外側由于被絕熱保溫層包裹，同時被銷釘等限位裝置所限制，保溫層導熱系數很小，且保溫層很厚，可作為絕熱邊界，其控制方程為：

(1)

式中：t為溫度，℃；n為表面的法線方向。

水冷壁管和扁鋼的二維、穩態、無內熱源導熱微分方程為：

(2)

式中：λ為水冷壁管及扁鋼的熱傳導系數，W/(m·K)。

根據傳熱學[2]，假定爐內邊界熱流密度已知，爐內水冷壁的導熱邊界條件屬第二類邊界條件，可表示為

(3)

式中：q為爐內向水冷壁管和扁鋼傳遞的熱流密度矢量，W/m2。

通常，水冷壁管與介質流體間的表面傳熱系數及介質預期要達到的溫度都是已知的，因此對于水冷壁管與其內的流體介質之間的傳熱邊界條件為第3類邊界條件，可表示為：

(4)

式中：h為管與流體間的表面傳熱系數，W/(m2·K)；tw為管內部溫度，℃；tf為管內流體溫度，℃。

2.3 彈塑性力學計算基本方程

根據文獻[3]，對于二維有限元彈塑性力學分析模型，在外力作用下，水冷壁的熱彈性應力-應變方程，可表示為：

(5)

(6)

(7)

式中：ε為應變，μ為泊松比，σ為應力，αT為線膨脹系數，ΔT為溫差。

3 數值計算結果

3.1 正常傳熱下水冷壁溫度場

通過上述傳熱基本方程及方程定解邊界條件，可以確定模型的邊界條件為：爐內向水冷壁和扁鋼傳遞的熱流密度q、管內對流換熱系數及流體溫度、爐外絕熱邊界。根據鍋爐性能計算的爐內熱流密度曲線圖，研究水冷壁區段處取正常傳熱熱流密度為0.2 MW/m2，管內對流換熱系數為10 kW/(m2·℃)，管內介質溫度至460℃。正常傳熱的情況，為了考察扁鋼厚度對傳熱的影響，分別分析了扁鋼厚度為4.5 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm的情況，其余尺寸不變。計算的溫度云圖如圖3～7所示。

圖3 4.5 mm厚扁鋼正常傳熱溫度云圖

圖4 5 mm厚扁鋼正常傳熱溫度云圖

圖5 6 mm厚扁鋼正常傳熱溫度云圖

圖6 7 mm厚扁鋼正常傳熱溫度云圖

圖7 8 mm厚扁鋼正常傳熱溫度云圖

從上述正常傳熱溫度云圖可見，溫度沿x軸呈周期性對稱分布，這源于結構的幾何對稱，最高溫度位于扁鋼爐內側。圖8展示了一個節距爐內管外壁溫度曲線和模擬曲線，圖9展示了扁鋼厚度與最高溫度之間的曲線關系。從圖3～7，可看出隨扁鋼厚度增加，水冷壁管和扁鋼上的溫度將降低，扁鋼厚度對傳熱溫度分布有較大影響，但扁鋼越厚經濟性將變差，建議工程設計時，考慮在滿足水冷壁管和扁鋼溫度不超限的前提下，盡量選用更薄的扁鋼。

圖8 一個節距內水冷壁管內側溫度分布 圖9 扁鋼厚度與最高溫度曲線

同時，建議工程設計時，利用鍋爐傳熱計算經驗公式計算的不同分區水冷壁爐內熱密度，對水冷壁的溫度分布和扁鋼厚度進行精確計算分析，優化設計安全、經濟的水冷壁結構。

3.2 不同節距水冷壁溫度場

為考察節距對水冷壁溫度分布的影響，分別分析了φ38.1 mm×6.5 mm管，節距為41.8 mm、45.8 mm、54.8 mm、60.8 mm的情況，計算結果如圖10～13所示。結果可見，整體趨勢是隨著節距增大，最高溫度增加，這主要是由于節距增大后，爐內側扁鋼上的熱量不能及時地被介質帶走，造成溫度升高，溫度梯度上升。節距與溫度之間的趨勢曲線關系如圖14所示。

圖10 節距41.8 mm傳熱溫度云圖

圖11 節距45.8 mm傳熱溫度云圖

圖12 節距54.8 mm傳熱溫度云圖

圖13 節距60.8 mm傳熱溫度云圖

圖14 節距與溫度曲線

3.3 傳熱惡化情況下水冷壁溫度場

當出現水冷壁管結垢、管內有異物、工質物理特性不穩定的情況時，將會出現傳熱惡化的情況。限于篇幅，本文僅對φ38.1 mm×6.5 mm管子，扁鋼6 mm厚，節距50.8 mm的結構進行分析，其余邊界條件不變，僅降低傳熱系數為1 kW/m2，傳熱惡化計算結果見圖15。文獻[4]表明不同規格型式的水冷壁結構溫度場、熱應力趨勢基本相同。傳熱惡化分析結果可見溫度顯著升高，最高溫度已經超過材料允許使用的最高溫度。此時，將發生高溫腐蝕、管破裂、超溫爆管等危險情況。

圖15 傳熱惡化情況下的溫度場

3.4 正常傳熱和傳熱惡化情況下的應力分布

為了探索在不同條件下，水冷壁的應力分布，將穩態傳熱計算結果與靜態結構進行耦合，計算應力分布。應力分析的計算邊界條件相對復雜，水冷壁管是吊掛于梁上的，理論上建立三維計算模型才能更準確地反映真實邊界，但是三維模型計算量太大，目前大多數文獻仍用二維計算模型進行分析。本文應力分析邊界條件考慮管可自由膨脹，扁鋼兩端進行位移約束，計算結果見圖16、圖17。

圖16 正常傳熱應力分布

圖17 傳熱惡化應力分布

可見，在傳熱惡化情況下，水冷壁應力水平上升迅速，已大大超過材料屈服極限，當塑性區域遠大于彈性區域時，將發生管破裂或爆管情況。為更精準地分析，可沿管厚度方向進行應力線性化路徑劃分(見圖18)。對應力進行分類，根據線性化結果判斷管的安全性。

圖18 應力線性化路徑

4 結論

本文通過對不同扁鋼厚度、不同節距的超超臨界鍋爐水冷壁的溫度分布和正常傳熱與假定傳熱惡化情況下水冷壁的溫度和應力分布狀態分析，可得出如下結論。

1)扁鋼厚度對水冷壁的溫度分布有一定的影響，扁鋼越厚，最大溫度降低。總體上，溫度隨扁鋼厚度的增加線性降低。可以通過更多的數據擬合更合理的關系曲線，優化設計扁鋼厚度，降低工程成本。

2)水冷壁的溫度隨節距的增加而基本呈線性增長，這是由于遠離介質的扁鋼熱量不能被及時帶走，造成溫度急劇上升。

3)傳熱惡化情況發生時，水冷壁應力顯著上升，會超過材料屈服極限，從而發生潛在爆管、管裂等危險。建議電廠運行時，持續監測水冷壁危險點溫度，并保證水質一直滿足標準要求。建議鍋爐制造廠對水冷壁管進行逐根通球試驗，避免管內有異物，堵塞管而發生傳熱惡化現象，導致水冷壁溫度超過使用溫度極限。