（热能工程专业论文）600mw超临界锅炉厚壁部件寿命分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 汽水分离器是超临界锅炉中最重要的厚壁部件。本文以某6 0 0 m w 超临界锅 炉汽水分离器为研究对象，建立了三维计算模型，运用有限元方法计算了冷态 启动过程中汽水分离器的温度场、热应力场、机械应力场和总应力场，分析了 启动过程中汽水分离器温度场和应力场的变化规律，并采用美国a s m e 疲劳寿 命计算方法，计算了冷态启动工况下汽水分离器的寿命损耗。最后提出了四条 提高汽水分离器寿命的有效措施。 关键词：有限元，超临界锅炉，汽水分离器，应力分析 a bs t r a c t s t e a m s e p a r a t o ri s t h em o s t i m p o a a n t t h i c k - w a l l c o m p o n e n ti n t h e s u p e r c r i t i c a lb o i l e r t h ep a p e rt a k e st h es t e a ms e p a r a t o ro f6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a l b o i l e ra ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，a n db u i l d sa3 dc o m p u t a t i o nm o d u l e ，w i t ht h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，w ec a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ef i l e d ，t h e r m a ls t r e s sf i l e d ， m e c h a n i c a ls t r e s sf i l e da n dt h ew h o l es t r e s sf i l e do ft h es t e a ms e p a r a t o ri nt h e p r o c e s so f c o l ds t a r t u p ，a n a l y s e st h el a wc h a n g ei nt e m p e r a t u r ef i l e da n ds t r e s s f i l e d w ea l s oc a l c u l a t et h es e r v i c el i f eo ft h es t e a ms e p a r a t o rb yt h ef a t i g u el i f e m e t h o do fa s m ei nc o l ds t a r t - u po p e r a t i o nm o d e a tl a s tw er a i s ef o u rk i n d so f v a l i dm e a s u r e st oi n c r e a s et h es e r v i c el i f eo fs t e a ms e p a r a t o r l ij i a n w e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ib i n k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，s u p e r - c r i t i c a lb o i l e r ，s t e a ms e p a r a t o r ， s t r e s sa n a l y s i s 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 汽水分离器是超临界锅炉中最重要的厚壁部件。本文以某6 0 0 m w 超临界锅 炉汽水分离器为研究对象，建立了三维计算模型，运用有限元方法计算了冷态 启动过程中汽水分离器的温度场、热应力场、机械应力场和总应力场，分析了 启动过程中汽水分离器温度场和应力场的变化规律，并采用美国a s m e 疲劳寿 命计算方法，计算了冷态启动工况下汽水分离器的寿命损耗。最后提出了四条 提高汽水分离器寿命的有效措施。 关键词：有限元，超临界锅炉，汽水分离器，应力分析 a bs t r a c t s t e a ms e p a r a t o ri s t h em o s t i m p o r t a n t t h i c k - w a l l c o m p o n e n ti n t h e s u p e r c r i t i c a lb o i l e r t h ep a p e rt a k e st h es t e a ms e p a r a t o ro f6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a l b o i l e ra ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，a n db u i l d sa3 dc o m p u t a t i o nm o d u l e ，w i t ht h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，w ec a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ef i l e d ，t h e r m a l s t r e s s f i l e d ， m e c h a n i c a ls t r e s sf i l e da n dt h ew h o l es t r e s sf i l e do ft h es t e a ms e p a r a t o ri nt h e p r o c e s so f c o l ds t a r t u p ，a n a l y s e st h el a wc h a n g ei nt e m p e r a t u r ef i l e da n ds t r e s s f i l e d w ea l s oc a l c u l a t et h es e r v i c el i f eo ft h es t e a ms e p a r a t o rb yt h ef a t i g u el i f e m e t h o do fa s m ei nc o l ds t a r t - u po p e r a t i o nm o d e a tl a s tw er a i s ef o u rk i n d so f v a l i dm e a s u r e st oi n c r e a s et h es e r v i c el i f eo fs t e a ms e p a r a t o r l ij i a n w e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ib i n k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，s u p e r - c r i t i c a lb o i l e r ，s t e a ms e p a r a t o r ， s t r e s sa n a l y s i s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6 0 0 m w 超临界锅炉厚壁部件 寿命分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：燮日期：学位论文作者签名：! 型：匕日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蛳 纽学 名 期 签币j y导 日 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超临界锅炉厚壁部件寿命分析的意义 随着我国国民经济的飞速发展，我国的电力生产和建设也得到了快速发展，与 此同时，社会对电力供应的需求量也日益增长，电网负荷也日益增加。超临界压力 锅炉能够大幅提高发电机组循环热效率，降低发电煤耗。同时在机组单机容量大型 化及环保方面也具有较大优势，是我国当前及今后较长时间内大有发展前途的一种 锅炉型式。 随着工业的发展我国的用电结构也发生了很大的变化，电网负荷的增加以及用 电负荷的多样化，特别是商业性和生活用电的增加，电负荷的峰谷差日益增大，电 网负荷的波动幅度增大。采用一些小容量的机组进行调峰已经不能满足调峰的要 求，从经济性和安全性角度考虑，核电站机组不可能用于主要调峰。这就要求新建 的超临界机组具有良好的频繁启停特性，并能够起到主要调峰作用。对于调峰机组 来说，由于机组要经常在各种工况下频繁启停和急剧变负荷运行，锅炉厚壁部件在 设备的启停过程中，较快的升压、降压速度会使承压部件承受不断发生变化的机械 应力，而且较快的升温、降温速度使得温度分布极不均匀，导致厚壁部件产生较大 的热应力【。这些频繁交变的机械应力和热应力会引起金属材料的疲劳和损伤，使 得锅炉厚壁部件的寿命损耗增加，进而影响机组的安全性和寿命。在这种情况下， 如何保证调峰机组工作的安全性和可靠性，已成为一个重要的课题。 汽水分离器是超临界直流锅炉中最重要的厚壁部件。通常位于水冷壁出口和过 热器系统的进口之间。启动分离器的启动特性决定了蒸汽的参数( 压力、温度) 及 蒸汽流量，其稳定性和灵活性决定了直流锅炉在低负荷下的调节特性1 2 1 。当锅炉负 荷低于3 0 时，由炉膛上部水冷壁切向进入分离器的工质是水和蒸汽两相混合物， 分离下来的水进入再循环系统，蒸汽则进入过热器继续进行加热：负荷高于3 0 时， 分离器中通过的是微过热蒸汽，此时分离器仅起连接通道的作用p j 。如果加快启动 速度，缩短启动时间，可以提高机组的经济性，但温度变化剧烈，锅炉厚壁部件会 承受较大的热应力，增加寿命损耗。反之，机组经济性下降，但厚壁部件的安全系 数增高。所以研究启动过程对厚壁部件的损伤对于大型机组调峰的综合评价与优化 有相当重要的意义。 锅炉厚壁部件的失效不但会影响整个机组的运行，而且锅炉厚壁部件一旦发生 失效，将会给整个电网和我国的工业生产都带来l b j 接的影响，还会给电厂的工作操 作人员带来安全上的威胁1 4 击l 。因此为满足机组调峰和其它运行条件的要求，对服役 华北电力大学硕士学位论文 机组和新建大容量机组应当进行设备优化和剩余寿命诊断，对寿命进行评价，以便 采取延寿措施，延长锅炉的使用寿命，用以保证锅炉厚壁部件的安全运行具有十分 重要的意义。 1 2 国内外超临界锅炉厚壁部件寿命分析的研究现状 锅炉厚壁部件寿命的研究方法经历了以下两个发展阶段i 刀第一阶段是寿命估 算阶段。我国的第一阶段主要是指上世纪六、七十年代针对运行1 0 万小时的 1 2 c r m o ，1 5 c r m o ，1 2 c r l m o v 钢制汽包的寿命评估技术开展的较详细的研究，取 得了一批有价值的成果；第二阶段是寿命精算阶段。从8 0 年代中期起，美、英、 德、日等国家的一些先进研究成果和方法逐渐引入国内，促使国内对部件寿命的研 究由寿命估算向寿命研究的第二阶段寿命精算转变。 锅炉厚壁部件主要包括汽包、汽水分离器、过热器和再热器联箱等。目前，国 内外学者对锅炉厚壁部件的寿命分析主要是通过计算厚壁部件的温度场和应力场， 找到厚壁部件的危险点所在位置，并对危险点的寿命进行评估。 目前，国内外对于锅炉厚壁部件中汽包的研究比较多。汽包温度场计算方面一 般是进行简化计算l 黏1 0 】，其建模的形式有二维和三维。而对于二维温度场计算，不 考虑汽包轴线方向的温度差别，只考虑汽包横截面和下降管纵向截面的温度分布即 可。沈月芬等人1 1 1 】对锅炉汽包管接头组合结构的温度分布进行了有限元分析。他们 认为汽包上下壁温差的存在，对汽包壁内的温度场有很大的影响。调峰锅炉汽包壁 内的温度场不仅与温升速度有关，而且还与沿汽包周向的温度分布、周向的最大温 差的数值及其随时间的变化有关。而对于三维模型特别是瞬态三维模型的计算，目 前开展的比较少。 在国内，商福民等人1 1 2 】选用长春第二热电厂2 号炉h g 6 7 0 1 3 7 _ y m 9 型自然 循环锅炉汽包为计算模型。并利用空间二十节点等参数单元法，对锅炉启停过程中 汽包热应力场进行计算分析。他们认为上下壁温差在锅炉启停过程中主要产生轴向 热应力；汽包的强度主要是通过额定内压所产生的环向应力来反映：上下壁温差影 响汽包强度有一定条件，即锅炉启动初期和停炉后期没有必要严格限制上下壁温 差，而在启动后期，尤其是停炉初期要根据温升率的不同对上下壁温差进行限制。 但是，他们是用准稳态温度分布下的应力场来代替整个启停过程中的非稳态过程， 并且忽略其轴向温差，这也就必然导致计算结果与实际情况偏差较大。 在国外，t a l e rj 介绍了一种新的计算锅炉启动状况下汽包瞬态热应力的方法。 不过这种方法需要通过测量得到汽包体上的时，空一温度分布规律，然后再利用有限 元法来计算出热应力的分布规律1 1 3 l 。l s r e bm 和k i mt s 对锅炉的启动方式进行了研 究，其目的是使锅炉过热器和汽包具有最小的热应力值l o5 l 。 2 华北电力大学硕士学位论文 一般认为，汽包应力数值主要受工作压力和内外壁温差等因数的影响，由于汽 包运行时要产生高温高压的蒸汽，所以对机械应力的计算也是很重要的。从师俊平 对秦岭电厂4 号炉汽包的应力计算可以看出，影响汽包应力的主要因素是内压作用， 然后依次是温度、自重及下降管载荷【1 6 】。梁艳明等人【1 7 】针对亚临界锅炉汽包内插式 接管结构，以3 0 0 m w 机组锅炉汽包的下降管接管为例，通过三维有限元计算方法， 定量分析了几种不同插式接管的内压应力集中水平。为了减小内插式接管结构内伸 段对锅炉水循环的影响，将其头部加工成马鞍形。通过对比分析，他们认为有内伸 段的内插式接管结构比平齐内插式接管结构的应力集中水平低得多：有马鞍形内伸 段的内插式接管结构不仅能保持上述特点，而且能减小对下降管口区域工质流动的 影响，从而保证锅炉的水循环安全。 在锅炉汽包的应力计算中，由于汽包总是处于一种复杂的载荷作用下。因此， 要准确的计算出汽包的应力场是比较困难的，目前通常是对汽包模型进行简化以后 只考虑温差引起的热应力与汽包工作压力的综合作用效果，即我们通常所说的总应 力的分析。 刘彤等人【1 8 l 对超临界锅炉汽水分离器变工况下的应力场进行了分析计算，探讨 了在高温高压条件下蠕变变形与应力间的关系，以及存在弹性变形、塑性变形和蠕 变变形时应力的计算，并使用a n a s y s 对超临界锅炉汽水分离器进行了数值模拟。 他们通过计算分析得到了在结构不连续处，即汽水分离器入口附近，局部应力最大； 在机组启动初始阶段，此处的应力幅很大；而在稳定运行时，此处的应力绝对值很 大，但震荡幅度很小等结果。 锅炉厚壁部件的接管形式主要有周向接管、径向接管和斜接管。在相同内压作 用下，不同的接管形式使得厚壁部件的应力分布不同。针对锅炉厚壁部件的不同接 管形式，国内外学者和工程技术人员已经做过很多研究工作。 王定标等人【1 9 】对圆柱形压力容器周向开孔接管区进行三维有限元分析，获得了 容器筒体、接管及其连接部位的应力分布信息，并与压力容器正交开孔接管连接结 构的应力分布进行了比较。根据j b4 7 3 2 分析设计标准对压力容器切向开孔接管进 行了强度评定。他们认为压力容器切向开孔接管产生明显的应力集中，且应力集中 系数随接管与简体连接处距离的增大而快速降低；各类应力的最大值发生在接管与 筒体连接处且位于接管上部位的内侧区域，是简体失效的危险区域：与压力容器正 交开孔接管相比，压力容器切向开孔接管的应力分布更趋复杂，有更明显的应力集 中，但切向接管的强度足够，满足安全要求。 王金龙1 2 0 l 对压力容器径向丌孔接管区进行了三维有限元分析，获得了容器简 体、接管及其连接部位的应力分布信息。他认为压力容器径向丌孔接管区产生明显 的应力集中，且应力集中系数随接管与筒体连接处距离的增大而快速降低，各类应 3 华北电力大学硕士学位论文 力的最大值发生在接管与简体体连接处且位于接管上部位的内侧区域，是简体失效 的危险区域。 王海峰等人1 2 l j 采用有限元法计算了具有不同角度周向斜接管圆柱形容器在内 压作用下的弹性应力和变形。对周向斜接管内压圆柱容器的弹性应力分布、应力集 中范围、变形特征、应力集中系数等同题做了初步探讨。他们认为周向斜接管内压 圆柱容器在接管与容器的相贯区存在明显的应力集中，相贯区在筒体纵向截面沿径 向收缩，而在筒体横向截面沿径向膨胀，最大主应力出现在筒体的纵向截面，相贯 区外表面在简体的横向截面处于三向压缩状态；与正交接管内压圆柱容器相比，周 向斜接管圆柱容器在内压作用下的最大主应力略小。 目前，评价锅炉厚壁部件低周疲劳寿命的传统方法有两种。一种方法是在- 系 列的循环载荷下，测得无裂纹光滑试件的相应的断裂循环次数，由此获得应力与寿 命的关系曲线( 仃一n ) 或应变与寿命( 占一n ) 曲线。只要计算或实验测出锅炉厚 壁部件上峰值应力区的应力幅6 。，就可以在己设计好的疲劳曲线上找出对应的断裂 循环周次n 。另一种方法是利用断裂力学的方法研究裂纹在循环应力作用下的扩展 速率d a d n ，从而可以求得裂纹由原始尺寸a 。扩展到临界尺寸a 。所经历的循环次数。 该方法用于估算带裂纹部件的剩余寿命是相当有效的，但由于该方法需要原始裂纹 详细的几何数据、材料的断裂韧性等，而要精确地测定这些数据，目前还较困难。 因此，锅炉厚壁部件寿命的校核计算，通常用前一种方法。美国、英国、德国都有 各自的疲劳校核计算标准方法。这些方法的原理基本相同，主要区别是选用的强度 理论不同，美国和英国采用的是最大剪应力的第三强度理论，而德国的标准采用的 是第一强度理论。由于各国标准中钢材和所选取作为寿命终止标志裂纹的尺寸不 同，采用不同标准算出的寿命损耗差别较大。所以在考虑对一台锅炉进行寿命预测 时，并不能笼统地决定选取某一标准，需结合该锅炉的具体情况来分析选取。 我国学者已经在锅炉承压部件的剩余寿命分析这方面做了卓有成效的工作。其 中哈尔滨锅炉厂的程丰渊等是在国内最早比较全面地系统地介绍了汽包低周疲劳 寿命的分析方法，并被广泛引用1 2 孙。西安交通大学的沈月芬教授与华北电力大学的 吕邦泰教授共同编写了锅炉承压部件强度与寿命方面的高校教材【2 3 】，在高校教学中 取得了良好的效果，其中所阐述的汽包低周疲劳寿命的分析方法大多己成为我国在 此方面的传统计算方法。中国矿业大学的施占华以高温过热器为例1 2 训，对锅炉炉内 承压部件的寿命损耗规律进行了分析，并提出了过热器蠕变寿命计算的简化公式， 该公式可应用于在线监测系统；裴玉刚1 2 5 j 等采用修j 下的美国a s m e 疲劳寿命计算方 法，制作了锅炉汽包疲劳寿命管理系统软件，安装在渭河电厂号锅炉上，可实时计 算出锅炉汽包的疲劳寿命。李晓刚【2 6 l 等利用红外热像评估系统来预测加热炉管的剩 余寿命，可以对加热炉的工作状态进行在线评估与诊断。在国外，h a y a k a w a 等1 2 7 i 4 华北电力大学硕士学位论文 利用“应变范围分割法 研究高温锅炉汽包蠕变一疲劳寿命的预报。a j r a m o s 等1 2 8 】 通过观测锅炉汽包状况建立了一种可用的锅炉设备寿命评估系统。b b k e r e z s i l 2 9 】以 实验装置对压力容器进行热疲劳的研究，得到了对锅炉汽包寿命进行评估的一些有 用结论。 目前，国内的超临界机组发展的很快，但是国内外对超i 临界锅炉汽水分离器的 应力及寿命分析较少。本文在现有研究的基础上，模拟了超临界锅炉汽水分离器在 冷态启动时的温度分布并进行应力分析，所得结果对锅炉设计和优化运行均有十分 重要的意义。 1 3 本文工作 以沁北电厂6 0 0 m w 超临界锅炉厚壁部件为研究对象，采用a n s y s 软件模拟 锅炉厚壁部件在不同工况下的温度场、应力场分布，并进行寿命分析。本课题准备 开展以下工作： 本文采用有限元理论，利用a n s y s 有限元分析软件，建立该汽水分离器整体 二分之一的模型，并以通过现场试验和采集到的真实数据作为边界条件，对机组冷 态启动下汽水分离器的瞬态温度场、热应力、机械应力和总应力进行了详细的计算， 从而模拟汽水分离器在冷态启动时的温度分布并进行应力分析，确定a n s y s 求出 的循环应力幅的最大点。对求得的循环应力幅的最大点进行弹性模量修正，以转换 成a s m e 疲劳设计曲线对应的循环应力幅，求出允许的循环次数。依据美国a s m e 的疲劳设计曲线进行低周疲劳寿命的估算。 具体工作包括以下几个方面： ( 1 ) 超临界锅炉汽水分离器瞬态温度场分析 针对超临界锅炉汽水分离器结构的特点，建立三维模型。根据实测的参数采用 第一类边界条件，应用a n s y s 软件对超临界锅炉汽水分离器的瞬态温度场进行计 算，并对其温度分布进行总结。 ( 2 ) 超临界锅炉汽水分离器瞬态应力场分析 利用所测的压力载荷，应用a n s y s 软件计算了无裂纹汽水分离器仅受压力时 的瞬态机械应力，并分析机械应力的分布和变化规律：同时利用己求得的温度场， 运用a n s y s 软件计算汽水分离器仅受温度载荷时的瞬态热应力，并分析瞬态热应 力的分布规律和变化规律；最后应用a n s y s 软件计算汽水分离器受到温度载荷和 压力载荷共同作用时的总应力，分析总应力分布和变化规律，并与热应力和机械应 力作了比较。 ( 3 ) 对超临界锅炉汽水分离器单次冷念启动进行低周疲劳寿命估算 5 华北电力大学硕士学位论文 利用a n s y s 计算出汽水分离器冷态启动下最危险点的应力变化幅度，对求得 的循环应力幅的最大点进行弹性模量修正，以转换成a s m e 疲劳设计曲线对应的循 环应力幅，运用美国a s m e 设计疲劳寿命曲线，对汽水分离器寿命进行了预测评估。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章汽水分离器瞬态温度场分析 2 1 有限元法在三维温度场分析中的应用 三维瞬态导热微分方程式可以写成1 3 0 】： 去。罢) + 万a ( 七万o t ) + i a 作i a t ) + 圣等 ( 2 1 ) 其中：k 一材料的导热系数：香单位体积内热源的生成热；p 材料的密度；c 比热容。 由于汽水分离器没有内热源，所以汽水分离器的三维导热微分方程可以写为： 面a 似i a t ) + 昙( 七万a t ) + 壹( 七罢) 一班石a t 对应的泛函变分表达式为：( 这里假设对互节点求积分) ( 2 2 ) 等2 计i a t 面ac 寻a t + 七万a t 面at 尹a t + 七詈者c 如c 等跏3 ， 母：署蜘驴仃一t a 巧t d s ， 对于等参元模型，有温度的插值函数： r 。善k 僖m 考) z = 故有：嚣一m 面a 【a t2 面a 瓦a t ) - 警；面a ( 矽a t 一万o 面a t ) i 等；瓦o 唔a t ) i 云0 面a t ) | 警 ( 2 4 ) 这样变分式( 2 3 ) 可写为： 筹。坦卜誓尝+ 七望a y 堕a y + 七翌a z 堂o zj k 矿+ 坦p c 。2 剐 甄q t n , d s t 驱a q t o n i d s ， 将r 。善m ( 亭m ；) 正及( 2 - 4 ) 带入合并，并令 7 华北电力大学硕士学位论文 譬讣罢警+ 七号等“a 把ro 瑟s , b y 将坚j r , 带入化简，同时令值( 2 7 ) 一( 2 9 ) 得： a z 露嗡i 毽q n l n 舯， b 。可。f f f p m , - v , a v l ：_ - f p t j r , a s 2 + 髓a t j v , a s , 利用以上各式，可以推出单元变分为： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 筹。舭乃+ 吒针肛喜 。吖( 2 - 1 0 ) 若写成矩阵的形式，得： 盖- 。甜吒：+ 以+ 爿么】 如果令呜- 彳f l 口+ 彳。坷，则上式可以写成： 瓦 五 簧州怫【& 】罔一 + 曰i - b 。r ：b 。卅 o r , a r a 互 a r a 瓦 a f ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 1 ) 式表示单元中某个节点( 此处为z 节点) 的变分形式，它和单元中其 它节点都有关系，这个从式中可以看出来。代表的是单元中的节点序号。 在总体合成的时候，某个节点的变分应该是所有与这个节点有关联的单元变分 之和也就是： a ia l o 0 i b o l p = 一+ 一4 - + 一 a ia ia 王 a7 ： 8 华= l 匕电力大学硕士学位论文 这里假设单元a ，b ，p 与互有关，因为如果无关，则相应的变分为0 0 由能量泛函极值条件可得：当兰。0 时可以求得相应的节点温度值来，即求解 a z 。 矩阵方程： 川偿 ( 2 1 3 ) 式中的堕可以用孕来代替。 d r d f 汽水分离器的温度场求解是非稳态的导热问题。对非稳态导热问题，式( 2 1 3 ) 的定解条件有两个方面，即给出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体 边界上温度或换热情况的边界条件。 汽水分离器在冷态启动时的初始温度为2 0 。通过对汽水分离器表面换热系数 的计算，可以得到汽水分离器与周围流体间的表面换热系数h 及周围流体的温度t 。 则汽水分离器的温度场求解的边界条件可以表示为： 一a ( 兰) w 。h ( t w f f ) ( 2 1 4 ) 口i ( 2 1 3 ) 式中的t 、些矩阵即代表着相应节点的温度和温度对时间的导数。依 d f 据边界条件解出矩阵f t l ，就可以知道整个温度场的节点温度分布了 2 2 汽水分离器模型的建立 沁北电厂6 0 0 m w 超临界锅炉汽水分离器的结构如图3 - 1 所示。分离器为圆形 筒体结构，直立式布置，位于垂直水冷壁混合集箱出口，采用旋风分离形式，分离 器规格为巾8 7 6 x 9 8 ，材料为s a 3 3 6 f 1 2 ，直段高度2 8 9 m ，总长为4 0 8 m 。经水冷 壁加热以后的工质分别由6 根汽水引入管( 由2 4 0 x 6 0 ) 沿切向向下1 5 。进入分离器， 且与横截面的中心线平行相距2 7 5 m m 。分离出来的水通过分离器下方的连接管进入 储水罐，蒸汽则由分离器上方的连接管引入顶棚入口集箱。 本文以汽水分离器简体和汽水引入管区域为研究对象，由于汽水分离器本体结 构的对称性，故取其1 2 进行计算，计算模型如图2 2 所示。 2 3 汽水分离器的瞬态温度场分析 本节对锅炉汽水分离器在冷态启动时的瞬念温度场进行了计算分析，得到了其 9 华北电力大学硕士学位论文 瞬志温度场分布情况 图21 汽水分离器示意图图22 汽水分离器的计算模型 冷态启动是指锅炉经过检修或较长时间备用后，在没有压力且其温度与环境温 度接近的情况下的启动。图2 - 3 、2 - 4 示出了华能沁北电厂冷态启动过程中汽水分离 器进口工质温度与压力的变化曲线。 m 口 月h ln ) 目h l n ) 图23 分离器进u 工质温度变化图 图2 - 4 分离器进口t 质压力变化 2 31 汽水分离器的边界条件和换热系数的计算 ( 1 ) 物| 生参数 本文对超临界锅炉汽水分离器的冷忐启动进行了训算，法汽水分离器所用的金 属材料为s a 3 3 6 f 1 2 ，表2 1 与22 吓出了s a 一3 3 6 f 1 2 的。些性能参数。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 汽水分离器金属材料s a - 3 3 6 f 1 2 性能参数 弹性模量导热系数密度比热容线膨胀系数 泊松比 g p a w ( m ) k g m 3 j ( k g ) m m 1 7 60 33 6 3 58 0 2 6 95 0 2 41 4 0 4 e 6 表2 - 2 汽水分离器金属材料s a - 3 3 6 f 1 2 力学性质表 温度许用应力弹性模量 最小抗拉强度m p a最小屈服强度m p a m p ag p a 2 9 2 0 41 9 2 2 6 0 1 8 9 3 1 64 8 2 32 7 5 61 2 0 61 8 5 3 7 11 8 1 4 2 71 6 5 ( 2 ) 边界条件 计算温度场时的热边界条件为：分离器简体外壁和汽水引入管外壁按绝热处 理；分离器筒体内壁和汽水引入管内壁按第三类边界条件给定，即给定工质温度和 对流换热系数以计算温度分布。 ( 3 ) 换热系数的计算 实际上，在锅炉冷态启动过程中，流入汽水分离器工质的压力、温度及状态随 着时间是不断变化的。在点火时刻，流入工质为单相过冷水，其温度与室温相同。 随着燃料投入量的增加，水冷壁内工质温度和压力不断升高，进入分离器的工质的 温度和压力也逐渐增加，但仍然保持单相状态。燃料投入量增大到一定程度后，水 冷壁出口工质，也即汽水分离器进口工质会变成汽水两相混合物。随着燃料量的进 一步增加，汽水分离器进口工质会变成微过热蒸汽。因此，分离器内壁换热系数应 根据工质状态的不同分别进行计算。根据管道几何尺寸及流动特点，将计算区域分 为进口段( 汽水引入管内壁) 与主流段( 分离器筒体内壁) 两个区域分别计算其换 热系数。 湍流换热实验关联式采用g n i e l i n s k i 公式计算。g n i e l i n s k i 公式【3 1 l ： 峄篇端际) 加】 亿 厂为管内湍流流动的达尔西阻力系数，按弗罗年柯( f i l o n e n k o ) 公式计算： 华北电力火学硕士学位论文 厂一0 8 2 | gr e 一1 6 4 ) 。2 该式的实验验证范围为：r e ，= 2 3 0 0 1 0 6 ，l r 1 ：0 6 1 0 5 一 妇 r e ，一 ? v f h 一等 ( 2 1 6 ) 当实验验证范围为0 6 p r ! 1 5 ，2 3 0 0 r e ， 1 0 6 时表达式( 2 - 1 5 ) 可以进一步 简化如下： 示为： n u r - 0 0 2 1 4 ( r e ； - 1 0 0 ) p 矿) 珈】 ( 2 1 7 ) 当实验验证范围为1 5 p r ， 5 0 0 ，2 3 0 0 r e ， 1 0 6 时。表达式( 2 1 5 ) 可以表 n u r = o o t 雄o 盯2 8 0 ) p 卟( 卅 ( 2 1 8 ) 换热系数计算中认为汽水引入管内的压力和分离器内的压力相同。计算分离器 内壁与蒸汽的换热系数时入口段效应修正系数取1 4 。因为蒸汽以切向方向进入 分离器，并在分离器内作漩流运动，换热系数与纯轴向流动相比有所强化。这里在 轴向流动换热系数计算公式( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 的计算结果上乘以1 3 进行修正。 汽水分离器共有两个，每个各自有6 根汽水引入管。启动过程中总流量为1 3 5 4 k g s 。 因此单根进汽管内的工质流量为1 1 ，2 s k i s 工质为单相水时的换热系数计算 由图2 3 、2 4 可以看出，启动过程中0 l o m i n 时，分离器进口工质为单相水， 此时换热系数根据p f ，值的范围由公式( 2 1 5 ) 或( 2 1 6 ) 计算。由于工质压力与温 度随时间不断变化，为简化计算，取f = 1 0 r a i n 时的换热系数为整个时间段的换热系 数。此时工质的物性参数及几何参数见表2 3 ： 表2 3t 质为单相水的物性参数及几何参数 名 f ( m i n ) p ( m p a ) r ( o c ) p ( k g m 3 )v ( m 2 s ) p r a ( w ( m c ) ) 称 数 1 0 0 o l1 0 29 5 6 90 2 9 x1 0 61 7 2o ，1 8 6 值 1 2 华北电力大学硕士学位论文 将上述物性参数及几何参数代入式2 1 6 可得汽水引入管内壁和分离器简体内 壁的换热系数见表2 - 4 ： 表2 4 工质为单相水时分离器内壁的换热系数 汽水引入管内壁 分离器筒体内壁 名称 r en u h ，( w ( m 2 4 c ) ) r en u h ，( w ( m 2 9 c ) ) 数值4 3 1 0 51 7 5 0 82 7 1 0 57 6 1 0 43 5 8 79 7 6 工质为汽水两相混合物时的换热系数计算 由图2 3 、2 4 可以看出，l o m i n - - 1 7 6 m i n 时，进口工质为汽水两相混合物。对 汽水两相混合物，分别计算l o m i n - - - , 3 8 m i n 、3 8 m i n 5 4 m i n 、5 4 r a i n - - 6 9 m i n 、6 9 m i n - - 9 9 m i n 、9 9 m i n - - 1 7 6 m i n 五个时间段的换热系数。为简化计算，分别取r = 3 0 、4 3 、 5 6 、7 3 、1 2 4 m i n 时的换热系数为各个时间段的换热系数。此时换热系数根据m a r t i n e l l i 实验关联式1 3 2 l 计算： 以- 【( 1 - x ) 纠( b m ) ( 仇仇) ( 2 1 9 ) 一，k ，口( 杆1 广 ( 2 2 0 ) 上式中，为单相换热系数，可根据p r ，值的范围选择公式( 2 1 7 ) 或( 2 1 8 ) 计算，然后带入式( 2 2 0 ) ，从而求得两相换热系数。其中雷诺数的计算和普朗特数 均采用液相数据，而a ，b 的数值根据s c h r o c k - - g r o s s m a n 数据选取a 一2 5 ，b - 0 7 5 。 此时工质的物性参数及几何参数见表2 5 ： 表2 - 5 工质为汽水混合物时的物性参数及几何参数 时间名称数值单位名称数值单位 z0 0 2 5 0 2 7 2 x 1 0 。6m 2 s r1 1 0o c 1 6 3 0 m i n p i 9 5 0 9 k g m 3p 。 5 1 5 4 k g m 3 乃 0 1 9 7 w ( m 。c )仇 1 2 4 2 5 x l o 6 k g ( m s ) 啊 2 5 9 1 0 巧 k ( m s ) x h 1 0 8 4 3 r a i n工0 0 5 v f 0 1 8 1 x 1 0 。6 m 2 s f1 7 0o c p 1 0 5 p i 8 9 7 5 k g m 3p v 4 1 1 8 k g m 3 o 2 6 1 w 0 n 。c )仇 1 4 6 1 2 1 0 - - 6 k ( m s ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 研 1 6 2 8 x l o - 6 k g ( m s ) x l 1 2 2 zo 1 1 0 1 7 3 x 1 0 。m 。s f1 8 0o c p l 1 5 6 r a i n p l 8 8 7 1 k g m 3p 。 5 1 5 4 k g m 3 五 0 2 6 8 w ( m 1 。q 1 4 9 6 5 x 1 0 一 k ( m s ) 聃 1 5 3 x l o - 6 k g ( m s ) x n 0 6 3 z 0 2 5 叼 0 1 4 7 x 1 0 。m 2 s t2 2 4o c p 丐 0 8 9 7 3 r a i n p l 8 3 5 1 k g m 3风 1 2 5 6 k g m 0 2 8 9 w ( m 。c ) 仉 1 6 4 8 1 0 一 k g ( m 。s ) 仇 1 2 2 6 1 0 4 k g ( m s )x 。 0 4 x0 4 6 v i 0 1 2 8 x 1 0 - o 沁 t2 9 5 。c p l 0 9 5 1 2 4 m i n 胁 7 2 2 3 k g m 3见 4 2 6 4 k g m 3 0 。2 8 5 w l ( m 。6 3吼 1 9 5 5 x l o 一 k g ( m s ) 研 9 2 7 1 0 6 k g ( m s ) x 。 0 3 3 将上述物性参数及几何参数代入式( 2 1 5 ) 、( 2 1 8 ) 可得汽水引入管内壁和分 离器筒体内壁的换热系数见表2 6 ； 表2 - 6 工质为汽水混合物时分离器内壁的换热系数 汽水引入管内壁分离嚣简体内壁 时间 r en u h ，( w ( m 2 。c ) ) r en u h ，( w ( m 2 6 c ) ) 3 0 m i n4 6 3 x 1 0 51 8 1 4 37 0 1 9 28 2 5 1 0 43 7 8 3 3 3 5 7 4 3 m i n7 3 7 1 0 51 5 9 37 4 4 9 6 1 3 x 1 0 53 7 3 84 0 0 7 5 6 m i n7 8 4 1 0 51 6 4 1 71 2 9 5 3 2 1 3 8 x 1 0 53 8 4 ，76 9 6 ，2 7 3 m i n9 7 6 1 0 51 8 6 7 6 2 2 3 8 3 41 7 2 1 0 54 3 8 41 2 0 5 4 1 2 4 m i n1 3 1 0 62 5 0 03 4 1 0 8 2 2 2 9 1 0 55 6 6 51 7 7 3 ，2 工质为单相汽时的换热系数计算 由图2 3 、2 - 4 可以看出，1 7 6 m i n 5 9 0 m i n 时，进口工质为蒸汽。对单相汽， 分别计算1 7 6 m i n - - 2 2 5 m i n 、2 2 5 m i n - - 2 3 0 m i n 、2 3 0 m i n - - 5 0 0 m i n 、5 0 0 m i n - - 5 5 5 m i n 、 5 5 5 m i n - - - 5 9 0 m i n 五个时白j 段的换热系数。为简化计算，分别取f 一1 7 6 、2 3 0 、3 0 0 、 5 3 0 、5 6 0 m i n 时的换热系数为各个时间段的换热系数。此时换热系数根据p r ，值的范 1 4 华北电力大学硕士学位论文 围由( 2 1 5 ) 或( 2 1 6 ) 计算，此时工质的物性参数及几何参数见表2 7 ： 表2 - 7 工质为单相汽时的物性参数及几何参数 时间 名称 数值 单位 名称 数值单位 x1 ， 0 4 5 5 1 0 “ r a 2 s 1 7 6 r a i nf2 9 6。ca 0 0 3 6 2 w ( m 。c ) p 4 3 3 4 k g m 3 p r 1 5 8 z 1 ，7 2 0 2 x 1 0 “p a s 2 3 0 m i nt3 1 0 。c a 0 3 8 3 w ( m 。q p 4 6 5 k g m 3 c ， 3 0 0 6 k j ( k g 。c ) z1 ，7 2 0 2 1 0 。6p a s 3 0 0 m i nt3 1 0。ca0 3 8 3 w ( m 。c ) p 4 6 5 k g m c 。 3 0 0 6 k j ( k g 。q x1 。 ，7 2 4 x 1 0 6p a s 5 3 0 m i nt3 6 0。c ；l 0 6 8 2 w ( m 。c ) p 1 0 2 4 k g m 3q 6 6 5 2 k j ( k g 。c ) x 1 r 5 0 2 x 1 0 。p a s 5 6 0 m i nt 3 8 0。c a 1 9 2 6 w ( m 。c ) p 3 3 3 3 k g m 3 c ， 9 3 6 9 k j ( k g 。o 将上述物性参数及几何参数代入式( 2 - 1 6 ) 可得汽水引入管内壁和分离器简体 内壁的换热系数见表2 8 ： 表2 - 8 工质为单相汽时分离器内壁的换热系数 汽水引入管内壁分离器筒体内壁 时间 r en u h ，( w ( m 2 。c ) ) r en u h ，( w ( m 2 。c ) ) 1 7 6 m i n6 1 1 0 61 7 0 6 0 55 1 4 0 21 1 x 1 0 63 6 3 1 72 5 1 2 3 0 r a i n1 1 1 0 76 3 2 2 32 9 7 1 1 62 1 0 61 6 1 6 51 6 4 8 6 3 0 0 m i n1 1 1 0 7 6 3 2 2 3 2 9 7 1 1 62 1 0 61 6 1 6 51 6 4 8 6 5 3 0 r a i n1 8 4 1 0 7 1 1 0 2 9