基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究.pdf

收稿日期：2023-04-22基金项目：广西科技基地和人才专项基金（PD210209）作者简介：张进（1970-），男，天津人，高级工程师。通讯作者：王许稳（1984-），男，河北保定人，副教授，博士，主要从事两相流动与传热等方面的研究。基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究张进1，赵旭1，王许稳2（1.华能集团辽宁分公司华能丹东电厂，辽宁 东港 118300；2.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）摘要：锅炉水冷壁向火侧内烟气与水冷壁管内饱和水之间的传热，使水冷壁管间、水冷壁管与鳍片间、水冷壁向火侧和背火侧间产生较大的热应力。本文通过数值模拟获得垂直膜式水冷壁管屏在较高炉膛温度下的温度场和应力场分布，获悉了水冷壁管内压力及温度决定了水冷壁热应力的大小及分布，得知了水冷壁管与鳍片拉裂的原因是锅炉热负荷在短时间内的交替变化，其计算结果为水冷壁在发生热应力拉裂破坏条件下的改进及合理应对拉裂事故提供了方向。关键词：水冷壁；热应力；数值模拟；流固耦合；水平烟道中图分类号：TK472文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0024-05DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.03.005第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）为了与风力、光伏等新能源并网配合，火力发电在整个电网调频调峰中扮演着越来越重要的角色。为了满足区域电网对电量的要求，大容量火力发电机组常常需要频繁且大范围地低负荷运行。在大范围调峰过程中，锅炉的负荷可能大大偏离设计负荷，甚至低于设计负荷的20%。如此大范围地调节负荷会使锅炉内烟气的温度场和流场发生剧烈的变化，导致炉膛水冷壁的温度产生交替波动1-2。水冷壁向火侧的温度场、流场耦合水冷壁管内水动力循环的作用，使水冷壁管间、水冷壁管与鳍片间、水冷壁向火侧和背火侧间产生较大的热应力3-5。当热应力达到一定的许用值或热循环达到一定的次数，水冷壁管与鳍片焊缝连接处和对接焊缝处将产生拉裂爆管的风险。为了能够清晰地获悉水冷壁管拉裂爆管的原因，本文以数值模拟的方法分析水冷壁在交变负荷下的应力场分布，为确定水冷壁拉裂事故原因提供理论支持。1研究对象本文的研究对象是某350 MW亚临界、一次中间再热、自然循环、平衡通风、旋流燃烧器前后墙布置的固态排渣汽包炉。锅炉的设计煤种如表1所示。表1设计用煤的品质特性项目煤质分析（收到基）名称碳Car/%氢Har/%氧Oar/%氮Nar/%硫Sar/%灰分Aar/%水分Mt/%可燃基挥发分Vr/%低位发热量Qnetar/（kJ kg-1）参数46.793.1610.50.840.4224.6113.6839.5317 316水冷壁发生拉裂泄漏的区域主要集中在炉膛上部折焰角后方的水平烟道内，这部分区域集中布置了屏式过热器，如图1所示。图1水冷壁泄漏点根据锅炉设计热负荷及炉膛内烟气温度的数值模拟，可计算出炉膛水平烟道内的烟气成分、烟气流速等参数6，计算结果如表2所示。理论空气量：V0=0.088 9()Car+0.375Sar+0.265Har-0.033 3Oar（1）三原子气体量：VRo2=1.866()Car+0.375Sar100（2）理论氮量：VN2=0.79V0+0.8Nar100（3）干烟气量：Vy=VRo2+VN2+()a-1 V0（4）烟气速度：w=BjVy()1+273F（5）表2烟气及水冷壁内主要参数燃料量/（kg s-1）烟气温度/烟道最大截面积/m2烟道最小截面积/m2烟气最小速度/（m s-1）47.031 0001761236.935.981 0001761235.325.391 0001761233.916.8910 001761232.9名称100%额定负荷75%额定负荷50%额定负荷30%额定负荷烟气最大速度/（m s-1）汽包温度/汽包压力/（MPa-abs）9.835818.217.633213.35.63089.834.13069.45名称100%额定负荷75%额定负荷50%额定负荷30%额定负荷在计算水冷壁的温度场时，忽略燃煤内水分的影响，不计燃煤灰分的影响。水冷壁管内为高压汽液两相流动工质，其与管壁之间的换热方式是换热系数较高的相变对流换热。在模拟计算中，将管内壁温度简化为汽包内压力对应的饱和温度且随着汽包压力的变化而变化。根据锅炉负荷的不同，汽包内压力也随之变化，其饱和压力和饱和温度随负荷变化的数值如表2所示。由于屏式过热器的存在，烟气在水平烟道内的流通截面积是随着烟道位置的不同而变化的，当烟气通过包含屏式过热器管屏的流通截面时，烟气速度将会增加；在没有过热器管屏的截面上，烟气速度将会降低。随着负荷的不同，烟气流速的理论计算结果如表2所示。2研究方法为了获得真实的烟气流场、温度场及烟气流动对水冷壁应力场分布的影响，本文采用流-热-固表2（续）第 3 期张进，等：基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究25第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）耦合的方式进行数值模拟。在流-热计算方面，流场计算采用标准的k-模型，具体表现为烟气在计算区域内满足连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能k输运方程及湍动能耗散率的输运方程，如式（6）式（10）所示。连续性方程：V=0（6）动量方程：dV dt=g-p+2V（7）能量方程：CpdTdt=2T+（8）湍动能k输运方程：()V k=()+T k k+Pk+Pb-YM（9）湍动能耗散率的输运方程：()V =()+T +C1()Pb+C1Pbk-C12k（10）式中，V为速度向量；T为温度；为密度；g为重力加速度；p为压力；为动力粘度；Cp为比热容；为导热系数；为热耗散。通过计算，获得了计算区域内的温度场和压力场，其中包括水冷壁各部分的温度分布。将温度计算结果导入到固体计算区域，实现流-固耦合。在固体热应力计算过程中，水冷壁在安全运行情况下满足平衡方程、几何方程和物理方程，如式（11）式（19）所示。平衡方程：xx+xyy+xzz+fx=0（11）yxx+yy+yzz+fy=0（12）zxx+zyy+zz+fz=0（13）几何方程：x=u xxy=u y+v x（14）y=v yyz=v z+w y（15）z=w zzx=w x+u z（16）物理方程：x=x-v()y+zE+Txy=xyG（17）y=y-v()z+xE+Tyz=yzG（18）z=z-v()x+yE+Tzx=zxG（19）式中，()x,y,z为正应力；()xy,yx,yz,zy,xz,zx为切应力；()fx,fy,fz为体积力；()x,y,z为正应变；()xy,xz,yz为切应变；()u,v,w为切应变；E为弹性模量；v为泊松比；为线膨胀系数；T为温度；G为切变模量。上述方程组有3个位移分量、6个应力分量和6个应变分量，连同15个方程组成封闭方程组，可求出每一个变量。严格地讲，水冷壁在热应力条件下会发生位移，从而影响流场的计算区域。但发生位移的尺寸远远小于流场计算区域，可忽略固体计算结果对流体计算结果的影响。本研究是在ANSYS公司开发的ANSYSWorkbench 2021R1仿真平台中实现的。该仿真平台能对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、流体动力学、电磁场及耦合场进行分析模拟。流-热-固耦合的具体实现过程采用了流体流动（Fluent）模块、稳态热模块及静态结构模块，如图 2所示。首先，应用流体流动（Fluent）计算模块建立包含水冷壁管及其鳍片的流体、固体计算区域（见图3），通过半隐式SIMPLE算法求解压力耦合方程，获得计算区域内不同位置处的流动和温度的分布情况及水冷壁外表面的温度分布情况；其次，将水冷壁外表面的温度分布情况导入到稳态热计算模块，设置水冷壁内表面温度，计算水冷壁不同区域的温度分布；最后，将水冷壁温度计算结果导入到静态结26构计算模块中，设置合理的荷载及约束，获得不同负荷工况下水冷壁的应力分布情况。图2耦合计算模块图3Fluent计算网格3计算结果及分析3.1温度场分布当烟气进口流速为9.8 m/s，温度为700 时，水冷壁各部分的温度场如图4所示。图4烟气温度为700 时温度场分布从图4中可以看出：水冷壁向火侧的温度明显高于水冷壁背火侧的温度，而且水冷壁管背火侧的温度变化不大，处在358 左右；水冷壁向火侧的温度变化较大，从358 迅速升高至362；虽然鳍片较薄，但其截面上的温度变化显著，鳍片中间位置的温度较高，在沿着鳍片至水冷壁管的方向上温度逐渐降低。从温度场的分布可知炉膛内烟气的温度通过两条路径传热至水冷壁管内工质：一条路径是烟气以对流的方式与水冷壁向火侧管换热，另一条路径是烟气首先与鳍片对流换热，然后热量经鳍片传导至水冷壁管。由于第二条路径的长度较长，热阻较大，导致鳍片中间位置处的温度较高，鳍片与水冷壁管焊接处的温度变化显著。当烟气温度为1 000 时，进口流速不变，膜式水冷壁上的最大温度值为367 左右，较烟气温度为700 时水冷壁温度的最大值变化不大，如图5所示。这是因为水冷壁钢材导热热阻远远小于烟气与水冷壁管的对流热阻，而且水冷壁管较薄。图5烟气温度为1 000 时的温度场分布3.2无温差下的应力分布锅炉本体结构复杂，与其相联系的支吊、限位等结构众多，对锅炉模型做出合理的简化，可以减少计算量并保证计算结果的准确性。为了获得比较合理的计算结果，本研究选择10根水冷壁管及其鳍片作为膜式水冷壁的计算模型,计算在没有热应力存在情况下的冷态热应力。根据锅炉炉膛支吊方式及限位措施，计算模型的荷载及位移设置如下：1）膜式水冷壁上截面沿着水冷壁管的长度方向上的位移为0；2）膜式水冷壁背火侧在膜式水冷壁法线方向上的位移为0；3）沿着水冷壁管方向的鳍片横截面法线方向上的位移为0；4）水冷壁管内压力设置为18.21 MPa；5）由于重力作用，膜式水冷壁下截面沿着水冷壁长度方向上的受力为92 458 N。计算结果如图6和图7所示，其中图6为冷态变形量，图7为冷态等效应力。图6冷态变形量从图6可以看出：由于膜式水冷壁左右两侧存在限位，在水冷壁宽度方向上不能自由伸长，使得水冷壁管在管内高压工质的作用下向水冷壁法线方向伸展，位移变形量最大为0.028 8 mm，所处位第 3 期张进，等：基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究27第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）置为水冷壁管中间位置处。图7冷态等效应力从图7可以看出：水冷壁鳍片虽然与管道焊接在一起，其所受应力很小，数值不及最大等效应力的1/10，冷态等效应力最大值为141 MPa，位置为水冷壁管与鳍片焊接处。3.3有温差下的应力分布添加水冷壁热负荷后，膜式水冷壁各部分的等效应力如图8和图9所示。图8内压为18.21 MPa时的等效应力图9内压为9.45 MPa时的等效应力与冷态应力相比，在温度场作用下，包括鳍片在内的水冷壁各部分的等效应力都显著增加。鳍片所在位置的等效应力增加了10倍以上，水冷壁管内的等效应力的最大值将达到3 826 MPa，其所在位置依然为鳍片与水冷壁管的焊接处。在低负荷时，当水冷壁管内压力降至9.45 MPa时，膜式水冷壁的最大应力降为 1 637 MPa，不及内压为18.21 MPa时的一半。此应力计算结果与文献 7-8 的计算结果在数量级上是一致的。由此可见，水冷壁管的内压和温度场对膜式水冷壁的应力分布有着决定性的影响。热负荷在短时间内的大幅度变化将产生较大的交变应力，从而使水冷壁管与鳍片的焊接处产生热疲劳，引起管道拉裂。4结论通过对膜式水冷壁的应力场在冷态及热态下的数值模拟，获得了水冷壁管与鳍片焊接处的等效应力达到最大的分布规律；同时，获悉了水冷壁管内压力和水冷壁的温度场对膜式水冷壁的热应力有着决定性影响。当锅炉热负荷在短时间内发生改变时，水冷壁的最大应力值也会产生极大的变化。当交变热应力达到一定程度时，在水冷壁与鳍片焊接处将发生拉裂破坏，影响锅炉运行的安全性。参考文献1 LAUBSCHER R，ROUSSEAU P.Numerical investigation into the effect of burner swirl direction on furnaceand superheater heat absorption for a 620 MWe opposingwall-fired pulverized coal boiler J.International Journalof Heat and Mass Transfer，2019，137：506-522.2宋阳，王国峰，曹福毅，等.某电厂3#机组烟道流场性能优化分析 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2022，18（2）：35-38.3 LI L，LI N，WEN D，et al.Experimental study on heattransfer process in boilers to predict thermal strain/stressdistribution and deformation risk of membrane walls J.Process Safety and Environmental Protection，2020，138：186-198.4 LI L，ZHOU Q L，WEN D，et al.The working status anddeformation risk of membrane walls affected by the arrangement of burners in the arch-fired boiler J.AppliedThermal Engineering，2020，181：115 995.5孟召军，姜昊言，张淏，等.汽轮机新型轴端汽封的温度场和应力场分析 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2022，18（3）：20-22.6冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算 M.3版.北京：科学出版社，2003.7 刘旭东，盛伟，关多娇，等.600 MW超临界锅炉膜式水冷壁的热应力分析 J.锅炉技术，2010，41（6）：11-14.8于涛，钱进，王一桂，等.循环流化床锅炉膜式水冷壁的热应力分析 J.电站系统工程，2021，38（1）：21-24.（下转第33页）28Optimum Analysis of Load Variation Rateof 660 MW Reaction Steam TurbineMeng Zhaojuna，AI Cena，Meng Shuyub，Liang Cea，Yang Zijiana，Zhang Haoa（a.College of Energy and Power;b.College of Automation,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province）Abstract：In order to increase the load change rate of the unit from 3.3 MW/min and 6.6 MW/min specifiedin the operating regulations to 4.4 MW/min and 9.9 MW/min respectively to optimize the load changecapacity of the reaction steam turbine,a two-dimensional model of the high-pressure rotor of a 660 MWreaction steam turbine is established and the stress level of rotor before and after load change rate optimizationis simulated by finite element method.The analysis results show that the time required for peak regulation ofthe unit is significantly shortened after the load variation ratio.While the load of the unit changes,the stressvalue at the rounded corner of the fifth-stage blade root groove of the high-pressure rotor of the unit isrelatively large.After the optimization of the variation rate,the maximum stress at this position increases from243.13 MPa to 340.27 MPa.Although the stress level increases,but it is still lower than the yield limit of thematerial,and does not affect the safety of operation,which verifies the feasibility of optimizing the loadvariation rate.Keywords：Reaction steam turbine;Load change rate;Variable operating conditions;Synthetic stress;Finiteelement第 3 期孟召军，等：660 MW反动式汽轮机负荷变化率优化分析Numerical Simulation Study on Thermal Stress of Membrane WallBased on Thermal-Fluid-Structural Coupling AnalysisZHANG Jin1,ZHAO Xu1,WANG Xuwen2（1.Huaneng Group Dandong Power Plant,Liaoning Branch,China Huaneng Group Co.,Ltd.,Donggang 118300,Liaoning Province;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,Guangxi Zhuang Autonomous Region）Abstract：Significant thermal stresses are led between the water wall tubes,between the water wall tubes andthe fins,and between the fire side and the back fire side of the water wall because of the heat transfer betweenthe flue gas and the saturated water in the water wall of the boiler.In this article,numerical simulation is used toobtain the temperature and stress distribution of the tube screen of the vertical membrane water-cooled wallunder high furnace temperature,and it is concluded that the magnitude and distribution of the thermal stress onthe water-cooled wall are determined by the pressure inside the water-cooled wall pipe and the water-cooledwall temperature.Meanwhile,the reason for the tearing between the water-cooled wall pipe and the fin is due tothe alternating changes in the boilers short-term thermal load.The calculation results provide guidance forimproving the design and reasonable modification of tearing accidents under the condition of thermal stress-induced failure of the water-cooled wall.Keywords：Membrane wall,Thermal stress,Numerical simulation,Thermal fluid coupling analysis,Horizontal tunnel（上接第28页）33