600mw 超临界锅炉膜式水冷壁的热应力分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第4I卷第6期锅炉技术Vo【．41，NO．62O1O年l1月B()IIERTECHNOIOGYNOV．2O10文章编号：CN311508(2010)l1—001104600MW超临界锅炉膜式水冷壁的热应力分析刘旭东，盛伟，关多娇，张劲松(1．沈阳丁程学院，辽宁沈阳110136；2．中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016)关键词：超临界锅炉；膜式水冷壁；热应力；有限元模型摘要：建立了超l临界锅炉膜式水冷壁的热应力场有限元计算模型。结果表明，鳍片限制管壁变形从而在接触面产生热应力，最大热应力值为1．301GPa，而

2、在水冷壁管的向火侧可自由膨胀导致此处的热变形最大，最大变形量为0．306mm；水冷壁最大热应力随管壁厚度的增大而增大，而随鳍片厚度的增大反而减小，厚度每增加1mm，最大热应力变化量分别为30MPa和40MPa，水垢厚度对水冷壁最大热应力的影响较小。中图分类号：TK223．3文献标识码：A本文对某600MW超临界锅炉的水冷壁温0前言AB度场及其影响因素进行研究分析，锅炉的最大目前，超临界、超超临界锅炉在世界范围内得连续蒸发量(BMCR)为1786t／h，过热蒸汽压力到了广泛应用。在机组频繁参与调峰的运行过程与温度分别为25．4MPa和541℃。水冷壁的

3、中，锅炉水冷壁内工质的流动状态、热物理特性以热应力取决于其结构和约束条件，针对其结构及水冷壁的热应力分布均会发生很大变化，而水冷特征，考虑模型的对称性，以二分之一水冷壁为壁热应力集中就会引起爆管。爆管导致的非计划研究对象，选取如图1所示的计算模型。水冷停炉，造成巨大的经济损失，并严重影响着锅炉的壁由直径为38mm、壁厚为6．5mm、鳍片厚度安全运行、电厂的效益以及工农业的正常生产。因为7mm、管间距为54mm、材料为SA213T23此，水冷壁的热应力分析对水冷壁的安全运行有重的光管组成的管带围绕成。由图1可见，水冷要意义。另外，水冷壁工作环境的复杂，

4、受到的影壁向火侧与炉膛相接触，与高温火焰和气流进响因素较多，造成膜式水冷壁热应力状态也非常复行对流和热辐射换热。水冷壁背火侧与保温层杂。国内外一些研究者主要是通过建立膜式水冷相接触，可部分限制水冷壁在受热过程中由于壁二维传热数学模型，来研究水冷壁温度分布，分巨大的温度梯度所造成的变形，而水冷壁可向析换热系数与受热面热流量对温度分布的影响规火侧膨胀变形。律E卜。范谨，贾鸿祥等人从理论上研究了膜式水冷壁鳍片管的管壁温度分布和热应力状态，得到了鳍片管温度场、局部热应力的计算表达式。]。目前还没有用数学模型结合实际生产数据详细地分析膜式水冷壁温度、热应力分布

5、影响的报道。本文建立了膜式水冷壁的二维有限元热应力计算模型，分析膜式水冷壁的热应力及结构参数和操作条件对热应力分布影响。图1膜式水冷壁结构示意图1有限元模型的建立1．2基本方程及边界条件有限元分析是解决热分析与结构问题的常1．1膜式水冷壁模型用数学方法之一。针对膜式水冷壁的结构特征，收稿日期i20090912基金项目：辽宁省教育厅科研项目(2008490)作者简介：刘旭东(1975一)．男，博士后，副教授．主要从事锅炉水冷壁的热力学行为研究。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com第6期刘旭东，等：600Mw超l临界锅

6、炉膜式水冷壁的热应力分析背火侧水冷壁管与鳍片的接触面的热应力最大，力分布的影响，计算结果如图5所示。从图5中这是因为水冷壁管内的温度梯度与管内水蒸汽可以看出，随着管壁厚度的增大，管壁内最大热的压力使得管壁向外膨胀，而鳍片限制其变形从应力逐渐增大，基本上呈线性变化趋势，管壁厚而在接触面产生巨大的应力，最大热应力值为度每增加1mm，最大热应力增大30MPa。从图1．301GPa。由于锅炉炉膛内压力较小，水冷壁6中可以看出，管壁厚度对A、G、H点的变形影管在向向火侧膨胀变形过程中受到的约束力较响较小，但对B、C点变形影响较大，而且B点变小，从而产生较小的热

7、应力，最小热应力值为形随管壁厚度而减小，C点变形随管壁厚度增加0．527GPa。然而，在水冷壁管的向火侧的热变而增加。这是因为管壁厚度增大，管壁内热阻增形较大，从图3可以明显看出，向火侧中心的变大，使得管壁内外表面的温差增大，导致管壁内形量最大，变形量为0．306mm。热应力增大。随着管壁厚度增大使管壁的刚度增强，从而使得管壁B点变形量减小，C点的变形量增加。—一_034■●068l02_l36_170口204[]238囹272一306图3膜式水冷壁的变形从图4中也可看出，水冷壁管均向自由面方罔5管壁厚度对膜式水冷壁的最大热应力的影响向膨胀，在背火侧

8、管外壁受到耐火保温层的限制，管壁内表面向内膨胀，变形量为0．068mm左右。而在向火侧，由于没有约束，管内外