汽包上下壁温差对锅炉安全经济运行的影响

汽包上下壁温差对锅炉安全经济运行的影响 收稿日期: 2006- 03- 01 作者简介:窦春林( 1968, 7- ) ,男(汉) ,山东金乡,工程师 主要研究火电厂机组运行。 窦春林1 ,李艳玲1 ,商福民2 ( 1.中国华电集团富拉尔基发电总厂,齐齐哈尔 161041; 2.长春工程学院 能源动力学院,长春 130012) 摘 � 要:应用三维等参元法编制了计算机程序,对锅 炉起停过程中汽包应力场及强度进行了计算, 得到了一些新的理论和观点, 可提高自然循环锅炉 机组的起停速度及参与调峰的灵活性。 关键词:汽包;上下壁温差;锅炉;安全经济运行 中图分类号: TK213 文献标识码:A 文 章 编 号: 1009-8984( 2006) 02-0043-05 随着国民经济的快速发展,我国火电机组的装 机容量每年都在递增。伴随着电网容量的增加, 用 电结构发生了很大变化, 使电网负荷的峰谷差越来 越大。这样,仅靠中小型机组进行调峰已远远不能 满足电网运行的要求, 这就导致了原来按基本负荷 设计的高参数大容量火电机组必须参与调峰。大型 的自然循环锅炉在频繁起停和大幅度升降负荷的过 程中,会导致厚壁汽包的热应力增大。因此, 运行规 程中规定: 汽包外壁上下壁温差限值不超过 50 � , 升降温速率不大于 1. 5 � / min。这是我国参照 20世 纪50年代国外的制定的。这项规定在实际应 用中的可行性如何, 理论上并未进行过深入研究。 随着用电结构的变化导致大型汽包锅炉机组在电网 中地位的改变, 汽包上下壁温差束缚锅炉的起停速 度和参与调峰的灵活性问题现得越来越突出。 1 � 基本思想 为了研究上下壁温差对锅炉汽包强度及应力的 影响,必须综合考虑汽包内压、径向温差以及汽包的 约束条件, 建立一个能够准确反映汽包温度场和应 力场的数学模型。但锅炉在起停过程中, 汽包壁内 是一个极其复杂的非稳态热传导问题。要找到一个 完全符合实际温度场的函数表达式是很困难的。因 此对汽包温度场进行计算分析时,都不同程度地对 温度场进行简化处理。在计算热应力场时,人们最 关心的只是最大热应力的大小和部位。理论分析和 计算结果表明:汽包的最大温差即最大热应力大都 发生在起停过程中的准稳态阶段。所以, 本文用准 稳态温度分布下的应力场来代替整个起停过程中的 非稳态过程。 对汽包应力进行计算分析时, 选取的是长春第 二热电厂2# 炉HG- 670/ 13�7- YM9型自然循环锅 炉的汽包。该汽包无论从结构上还是运行中都反映 出其轴向温差很小,可以将其忽略。所以计算模型 为二维温度分布下的三维应力场, 并利用空间二十 节点等参元法编制计算机程序, 对锅炉起停过程中 汽包应力场进行计算分析。 2 � 数学模型 考虑到汽包最大热应力大都发生在准稳态过程 中,所以本文将不进行非稳态温度场的计算,而是参 考有关文献并根据实际情况人为拟合。 2. 1 � 汽包温度场的拟定 由于汽包内壁面与饱和汽水的放热系数很大, 外壁保温层的导热系数很小,可以认为内壁温度等 于汽包内介质的饱和温度, 外壁是绝热的。 2. 1. 1 � 径向温度分布 t ( r) = T 0+ v 4a ( r 2- R 21- 2R 2 2ln r R1 ) 式中: T 0 � � � 汽包内壁温度, � ; v � � � 温升率, � / min; R1 � � � 汽包的内半径,mm; R2 � � � 汽包的外半径,mm。 2. 1. 2 � 环向温度分布 假定锅炉在起停过程中, 汽包水位线以上的汽 包壁温度某一时刻沿环向呈均匀分布, 而水位线与 汽包的交线至汽包底部温度沿环向为线性分布如图 1所示。 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �ISSN 1009-8984CN 22-1323/ N 长春工程学院学报 (自然科学版) 2006 年 第 7卷 第 2 期 J. Changchun Inst. Tech. ( Nat. Sci. Edi. ) , 2006, Vol. 7, No. 2 15/ 28 43-47 图 1� 汽包环向温度分布示意图 2. 2 � 应力场的边界条件 求解弹性体应力场时, 采用位移边界条件。另 外,由于汽包结构和载荷的对称性,可以认为 yoz 面 沿x 方向是固定的,即 x 方向的位移分量u = 0; xoz 平面内的节点沿 y 方向是固定的,即 y 方向的位移 分量v = 0;为了消除 z 方向的刚体位移,令坐标最低 点沿 z 方向的位移分量w= 0。 3 � 计算结果分析 3. 1 � 上下壁温差对汽包应力场的影响 针对锅炉起停过程中分别取上下壁温差为不同 的数值(这里只摘选 50 � 、60 � 两种情况)进行计 算,并假定上下壁温差与温升率之间没有直接的 联系。 3. 1. 1 � 起动过程中 起动过程取温升率 v = 1. 0 � / min, 汽包压力 p = 3. 433 5MPa,结果如图 2、3所示。 图2 � �T = 50� , v= 1. 0 � / min, p = 3. 433 5MPa 时的应力场 1、2、3分别为 ��、�r、�z 图3 � �T = 60� , v= 1. 0 � / min, p = 3. 433 5MPa 时的应力场 1、2、3分别为 ��、�r、�z � � 从图 2、3中可以看出:起动过程中,当温升率和 汽包内压保持不变时, 随着上下壁温差的增大, 汽包 44 长春工程学院学报(自然科学版) 2006, 7( 2) 内外壁顶端、底端以及汽水分界面附近区域的轴向 拉、压应力都逐渐增大。相比之下,最大的轴向拉应 力在汽包外壁最低点处。最大的轴向压应力发生在 内壁汽水分界面处(在内压不是很高的情况下)。 3. 1. 2 � 停炉过程中 取 v = - 1. 0 � / min, p = 3. 433 5MPa 结果如图 4、5所示。 图 4� �T= 50� , v = - 1. 0� / min, p= 3. 433 5MPa时的应力场 1、2、3分别为 ��、�r、�z 图 5� �T= 60� , v = - 1. 0� / min, p= 3. 433 5MPa时的应力场 1、2、3分别为 ��、�r、�z � � 从图 4、5中可以看出:在停炉过程中, 当温升率 和汽包内压保持不变时, 随着上下壁温差的增加, 汽 包内外壁的顶端、底端附近区域的轴向拉应力和外 壁汽水分界面附近处的轴向压应力将增大, 内壁汽 水分界面附近处的轴向应力将由拉应力逐渐转变为 压应力。最大的轴向拉应力在汽包内壁最低点处。 最大轴向压应力发生在外壁汽水分界面处(在内压 不是很高的情况下)。 总之,锅炉在起动或停炉过程中产生的上下壁 温差主要影响轴向应力, 而对径向和环向应力影响 很小。随着上下壁温差的增加,汽包内外壁顶端、底 端附近区域的轴向拉应力会逐渐增大。在相同的温 升率及内压下, 起动过程中最大的轴向拉应力在汽 包外壁最低点, 而停炉过程中却在汽包内壁的最低 点。 以上讨论的是在保持温升率和内压不变的情况 下得出的,而在锅炉实际起停的过程中,压力是逐渐 变化的, 而温升率也会随着压力的变化相应改变。 假设上下壁温差和温升率之间没有直接的联系, 那 么,当上下壁温差出现在温升率和内压都不是很高 的时候, 汽包内外壁应力的大小及方向与上下壁温 差的大小有很大的关系。从运行经验来看,上下壁 温差最大值一般都是出现在锅炉起动初期或停炉后 期汽包压力不是很高的时候,即使上下壁温差值很 大,但其必定不会对汽包的强度构成威胁。但是在 锅炉起动后期或者停炉初期以及正常运行时,当与 给水相关的设备发生故障,致使给水温度降低出现 较大的上下壁温差时, 原本比较大的机械应力再加 上较大上下壁温差产生的热应力, 就有可能对汽包 的强度构成威胁。 3. 2 � 上下壁温差对汽包强度的影响 在锅炉实际起停过程当中, 考虑到起停速度有 可能对上下壁温差产生间接的影响, 以及锅炉起停 速度、上下壁温差、压力等因素对汽包强度的影响, 45窦春林, 等:汽包上下壁温差对锅炉安全经济运行的影响 取 v= 3. 0 � / min, �T = 70 � , p = 17. 6MPa。当然这 些参数的上限值不可能在同一时间内发生, 这样做 目的是为了将不同时刻影响汽包应力场因素的最大 限度值放在一起考虑, 同时也将温升率对上下壁温 差的影响考虑了进去。 从计算结果可以分析出: 锅炉起停过程中,汽包 压力是影响环向应力及轴向应力的主要因素, 尤其 是对环向应力的影响上表现得特别突出。温升率也 主要是影响汽包的环向及轴向应力,而上下壁温差 主要是影响汽包的轴向应力。三种因素对汽包应力 场的影响又不都是同向的, 也就是说在某些部位应 力是相互加强的, 而在某些部位应力又是相互削 弱的。 因此,锅炉起动过程中的外壁应力和停炉过程 中的内壁应力比较突出, 而且在锅炉起动后期和停 炉初期,当出现较大的上下壁温差时,最大轴向应力 和环向应力将处在一个数量级上, 甚至有可能超过 环向应力而成为最大应力。另外, 从计算结果可以 看出:起停过程中,在相同的温升率、内压以及相同 上下壁温差的作用下, 停炉过程中内壁最大的环向 和轴向应力大于起动过程中外壁的轴向和环向应 力。这样综合的结果, 就使得锅炉在起停过程中汽 包上的一些特定点成了薄弱环节。 为了校核汽包内外壁各处的强度情况, 本文应 用了第四强度理论对上面情况进行了分析。此时起 停过程中汽包内外壁各点的当量应力分布如图 6 所示。 图 6� 起停时汽包内外壁当量应力的分布情况 � � 从图中可以看出:在锅炉起动过程中,汽包外壁 的最低点相比之下为危险点。而在停炉过程中, 汽 包内壁的最低点相比之下为危险点。 从起停过程来看,在相同的温升率和上下壁温 差下, 停炉初期的当量应力要大于起动后期的当量 应力。而且生产现场起动后期和停炉初期的温升率 一般是整个起停过程的最大值, 那么在较大的内外 壁温差的作用下,危险点的当量应力还会进一步增 加。如果再将汽包上的开孔、焊缝以及汽包内壁腐 蚀等因素对汽包强度的影响考虑进去, 危险点的强 度将受到威胁, 尤其是停炉时的危险点。 4 � 上下壁温差的合理数值 我们知道, 在进行汽包结构设计时,主要是根据 内压来进行的。按理说汽包达到额定压力时安全是 有保障的,但是由于存在比较大的上下壁温差,使得 轴向应力�z 大于按设计时所考虑的 ��, 使其成为最 大的主应力,从而使汽包在强度上的安全性降低,对 锅炉的安全运行产生不利的影响。为了研究上下壁 温差对汽包强度的影响, 以锅炉在起停过程汽包危 险点的轴向应力始终是三个主应力的最大值为基 准,求出起停过程中不同的温升率下,所对应上下壁 温差的允许值[ �T] , 如图 7所示。 从图中可以看出: 在锅炉起动初期和停炉后期, 允许的上下壁温差很大。然而在起动后期和停炉初 期,尤其是停炉初期,在规定的温升率范围内,允许 的上下壁温差与运行规程中的限值比较接近,而且 随着温升率的提高,允许值还会低于规程中的限值。 而起动后期,在相同的温升率条件下,允许的上下壁 温差大于停炉初期上下壁温差的允许值。也就是 说,停炉初期根据温升率的不同要严格控制上下壁 温差,而起动后期要监视上下壁温差或者说起动后 期的上下壁温差与停炉初期的上下壁温差相比可以 将限值放宽一些。所以, 运行规程中的规定只是对 停炉初期才有其实际意义。 46 长春工程学院学报(自然科学版) 2006, 7( 2) 图 7� 起停过程中上下壁温差的允许值[ �T ] 1、2、3、4温升率分别为 1. 0、1. 5、2. 0、3. 0� / min 5 � 结语 ( 1)上下壁温差主要产生轴向热应力。随着上 下壁温差的增大,这些区域的热应力值会逐渐增加, 但热应力的方向不会改变。 (2)内外壁温差(温升率)主要影响轴向和环向 热应力,起停过程产生热应力的方向恰好相反。对 于内壁面和外壁面来说, 内外壁温差的大小主要影 响所在壁面的轴向和环向应力数值的大小, 而不会 影响二者之间的数值关系。 ( 3)汽包内压是影响其强度的主要因素,它主要 表现在轴向和环向应力上。当上下壁温差不是很大 时,随着压力的提高,起动过程外壁面和停炉过程内 壁面的环向应力为最大值。当上下壁温差很大时, 随着压力的提高,起动过程外壁最低点处和停炉过 程内壁最低点处的轴向应力与环向应力相当。 (4)上下壁温差影响汽包的强度是有一定条件 的,即上下壁温差的大小和时间。也就是说, 起动后 期和停炉初期出现的上下壁温差会对汽包的强度造 成影响。而起动初期或停炉后期,既使出现较大的 上下壁温差也不会对汽包的强度构成威胁。 (5)运行规程中上下壁温差限值的规定具有一 定的片面性。锅炉起动初期和停炉后期没有必要限 制上下壁温差, 而起动后期和停炉初期要对上下壁 温差进行控制, 尤其停炉初期要根据温升率的不同 对上下壁温差进行严格限制。 综上所述, 上下壁温差在锅炉起停过程中主要 产生轴向热应力,就其产生的轴向热应力而言,其本 身不会对汽包的强度造成影响,只是在内压、内外壁 温差所产生的轴向应力与其共同作用时, 并且是在 起动后期和停炉初期产生很大的轴向应力, 从而对 汽包的强度构成威胁。以上主要是针对 200MW机 组进行的分析,但它对于大型的自然循环锅炉具有 普遍的适用性。这样, 从某种意义上来说,可以重新 运行规程加快锅炉的起停速度, 同时提高机组 参与调峰的灵活性, 对锅炉的安全经济运行将产生 深远的影响。 参考文献 [ 1] � 谢贻权, 何福保. 弹性和塑性力学中的有限单元法 [ M] .北京: 机械工业出版社, 1990. 165� 168� [ 2] � 吕邦泰, 沈月芬.锅炉承压部件强度及寿命[ M ] . 北京: 水利电力出版社, 1992. 61 � 75� [ 3] � 杨菊生, 揽生瑞.有限元法程序设计[ M ] . 西安: 交通大 学出版社, 1994. 86 � 92� [ 4] � 刘旭光. 锅炉汽包三维热应力分析[ D] . 北京:华北电力 大学动力系, 1986� [ 5] � 徐礼华. 汽包上下壁温差对锅炉安全性影响的研究 [ J] .东南大学学报, 1990, ( 4) : 51� 56� The influence of the temperature difference of upper-lower wall upon the operation� s safety and economics of boiler DOU Chun- lin, et al. ( Fularji Electronic Factory of China Huandian Corporation, Qiqihaer 161041, China) Abstract:The paper draw up a computer program of 3D Equa-l parameter element method. Through calculation on the drum� s stress field and strength, some new conclu- sions are drawn. It is highly important for raise speed of start up and shutdown, and for flexibility of peak load reg- ulating operat ion. Key words: steam drum; temperature difference of upper - lower wall; boiler; safe and economical op- eration 47窦春林, 等:汽包上下壁温差对锅炉安全经济运行的影响