電站鍋爐過熱器受熱面受力特性仿真計算及分析*

李 捷, 牛 江, 趙振旭

(1.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.嘉峪關宏晟電熱有限責任公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

電站鍋爐過熱器受熱面管路爆管泄漏問題一直是影響火力發電廠安全、經濟運行的重要隱患。由于其內部高溫受熱面管路內壁承受過熱蒸汽壓力，外壁接觸爐膛的高溫，工作條件十分惡劣，導致故障率較高。目前，大多數電廠采用有損評估法[1]、無損評估法[2]、解析評估法和現場監測相結合的方式[3]，對受熱面的工作狀態進行監測。以上方法基于過熱器受熱面管材質特性及工況進行評估，從現象和結果推測過熱器受熱面管路發生故障的原因，而對管路內壁在設計工況下受力情況進行監測點選擇及受熱面管路壽命評估鮮有研究。

筆者針對電站鍋爐過熱器高溫受熱面壽命評估問題，采用流固耦合仿真分析的方法，在設計工況下首先求解管路內部流場，獲得過熱器管路內部過熱蒸汽壓力分布結果；然后將此分布結果作為管路受力特性計算的邊界條件，求解獲得過熱器管路的應力分布情況；最后結合材料力學特性，綜合分析后確定過熱器上各監測點位置。將流固耦合計算的方法應用于電站鍋爐過熱器高溫受熱面受力情況及壽命評估，不但能夠直觀地表現管路內部壓力分布情況，而且為過熱器上各監測點位置的確定及設備的技術改造、維護提供理論依據，對設備的安全運行有著重要意義。

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

電站鍋爐過熱器的作用是將蒸汽從飽和溫度進一步加熱至過熱溫度，其工作原理為過熱器管屏從爐膛火焰吸收輻射熱量，將管路內部的水蒸氣進行加熱，使之達到工作溫度。文中以某型電站鍋爐過熱器的其中一屏作為研究對象，計算管路的受力特性。所研究的電站鍋爐過熱器三維模型如圖1所示。

圖1 電站鍋爐過熱器三維模型

由于計算分析的對象為多組相同工作數的管路的組合，且計算對象的特點是管路長度長，長徑比大，為了提高計算精度，減少計算時計算機資源的開支，對三維模型進行簡化處理，取其中一條管路為計算對象，同時進行布爾運算，提取管路內部過熱蒸汽部分計算流體域，其中管壁厚度為7.5 mm，直徑為44.5 mm，得到此段管壁和管路內部過熱蒸汽部分的計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

1.2 計算模型網格劃分

在上述計算模型的基礎上，采用前處理軟件，對電站鍋爐過熱器管路及內部過熱蒸汽進行計算網格劃分。由于模型存在彎曲及弧形特征，過熱蒸汽部分計算模型沒有復雜的幾何曲面，為提高計算精度，網格類型選用結構化，網格節點數為1 520 568個，網格數量為1 349 805個；過熱器管路采用非結構化網格，網格節點數為1 047 242個，網格數量為532 588個。各部分計算部分網格劃分結果如圖3所示。

圖3 計算部分網格劃分

1.3 計算方法及控制方程

文中采用流固耦合的計算方法，對過熱器管路中過熱蒸汽進行流場仿真時，考慮其特性，做如下假設[4]：①管路內部空間被過熱蒸汽完全充滿；②重力、體積力遠小于黏滯力，忽略不計；③內部流動為定常狀態，與時間無關；④計算區域過熱蒸汽為不可壓縮流體。

根據以上假設，在對過熱器管路內部過熱蒸汽流場進行求解時，采用基于壓力的穩態求解器，湍流模型為RNGk-ε[5]，考慮溫度的作用，其控制方程如下：

(1) 連續性方程

(1)

(2)

(2) 動量方程

(3)

式中：p為壓力，Pa；υ為運動粘度；fi為體積力，N。

(3) 能量方程

(4)

(4) 固體控制方程

拉格朗日描述法下固體結構力學方程如下：

(5)

采用流固耦合的計算方法，求解過熱器管路內過熱蒸汽對管壁的作用力，通過載荷傳遞法計算，由于過熱器管路在工作壓力下不能發生較為明顯的應變，也即過熱器管路在計算時不會反向作用于過熱蒸汽流場，因此選擇單向流固耦合。其控制方程如下所示：

(6)

式中：τ為體積力；q為熱流量；T為溫度；n為質量；u為速度。

1.4 邊界條件及求解方法選擇

電站鍋爐過熱器受熱面受力特性的仿真分為兩個主要步驟，首先求解獲取過熱器管路內部過熱蒸汽的流場分布，其次將其壓力分布特性提取作為過熱器管路受力計算的邊界條件。依據過熱器額定工作壓力參數及過熱器管路出口壓力實測值，流場計算邊界條件如下：進口為壓力入口，工作壓力為24.4 MPa，工作溫度為813 K；工作介質為過熱蒸汽，密度為65 kg/m3；出口為壓力出口，工作溫度為883 K，壓力為25.4 MPa；過熱器管路材質為12Cr1MoV。

內部過熱蒸汽壓力計算基于壓力速度耦合，對離散后的計算模型采用SIMPLE 算法[6]。為了減少計算過程中流場偽擴散，離散格式選用適用于多面體網格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。

2 計算結果與分析

通過對上述工況下過熱器管路內部的流場計算，獲得了該區域流場分布的壓力云圖，如圖4所示。

圖4 過熱蒸汽壓力場計算結果

從圖4可以看出，在上述工況下，過熱器管路內部的過熱蒸汽壓力在總壓差為1 MPa的狀態下，沿著過熱蒸汽流動的方向，壓力梯度不大，管內壓力分布較為均勻。

將圖4中過熱蒸汽流場的壓力參數作為管壁應力計算的邊界條件，并對管壁添加約束，計算獲得過熱蒸汽管路管壁應力分布特性，如圖5所示。

從圖5可以看出，過熱器管路在給定的工況下，忽略應力集中效應，除管路進口與出口受區域約束外，應力的最大部位在管路底部，為34.5 MPa，其主要原因是由于此處流道發生改變，導致此處管內過熱蒸汽對管壁的沖擊力增大，管路其余各處的壓力在33.4～34.0 MPa之間。

圖5 過熱器管路受力計算結果

過熱器管路的材質為12Cr1MoV低合金鋼，其工作環境非常惡劣，運行中整個受熱面管屏受到煙氣輻射、火焰輻射、管間輻射以及煙氣對流換熱的影響，在設計工況下，過熱器管壁溫度在700～800 ℃之間。 在此條件下12Cr1MoV低合金鋼的強度極限在80～100 MPa之間[7]。因此，過熱器管壁在此受力情況下，各部分的安全系數分布情況如圖6所示。

圖6 過熱器管路安全系數分布

由圖6可以看出，過熱器管路整體的安全系數在2.3～2.8之間，其中在直管段的安全系數較大，均在2.5以上，在管路出現彎折的區域，由于受過熱蒸汽流動方向改變而導致的介質沖擊作用，安全系數均小于2.5。

以上結果表明，將流固耦合計算的方法應用于電站鍋爐過熱器受熱面受力特性的計算，能夠直觀地掌握特定的工況下的過熱器管路的受力情況；同時結合材料溫度強度特性，得到安全系數的分布特性，找到管路受力較大的位置或安全系數偏小的部位。這些位置可以作為過熱器管路壽命的重點監測點，因此，此方法為受熱面壽命評估和監測區域的選定提供了理論依據。

3 結 語

文中采用流固耦合仿真分析的方法，對某型電站鍋爐過熱器受熱面受力特性進行計算。在三維模型建模、計算模型簡化、網格劃分的基礎上，首先求解了過熱器管路內部過熱蒸汽的流場，獲得了管內流動介質區域的壓力分布結果，并將此結果作為過熱器管路壓力特性計算的邊界條件，進行求解計算。結果表明：過熱蒸汽沿著過熱蒸汽流動的方向，壓力梯度變化不大；過熱器管路應力的最大部位在管路底部，為34.5 MPa，其余各處的壓力在33.4～34.0 MPa之間；在管路出現彎折的區域，由于受過熱蒸汽流動方向改變而導致的介質沖擊作用，安全系數均小于2.5。綜上所述，在過熱器管路出現彎折的區域，其受力較大或安全系數偏小，可作為過熱器管路壽命的重點監測區域。

通過文中所述方法，全面考慮過熱器管路內部過熱蒸汽壓力分布以及過熱器材料力學特性與溫度的關系，能夠直觀地反應電站鍋爐過熱器受熱面受力較大或安全系數偏小的部位。相較于傳統的估算法，該方法可為過熱器上各監測點位置的選取及確定，設備的技術改造、維護提供理論依據，對設備的安全運行有著重要意義。