劉明，朱偉雄，丁勇能，白佳

(1.華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030；2.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310011)

0 引言

燃機電廠一般以天然氣為燃料，利用高溫火焰直接驅(qū)動燃氣輪機葉輪帶動發(fā)電機發(fā)電，并將燃氣輪機排出的高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收轉(zhuǎn)換為蒸汽，再將蒸汽注入汽輪機進行發(fā)電。相比于傳統(tǒng)的燃煤電廠，燃機電廠具有整體循環(huán)效率高、污染極小、啟?？旖莸膬?yōu)點，是城市備用或調(diào)峰機組的最佳選擇。

因燃機電廠啟機階段的溫升較快，導致高溫蒸汽管道產(chǎn)生一定的熱應力，隨著溫度的穩(wěn)定熱應力消失，頻繁啟停機會使高溫蒸汽管道承受明顯的交變熱應力載荷，對其疲勞壽命影響較大。因此，對啟機階段高溫蒸汽管道的溫度場及熱應力進行分析研究具有一定的意義。

1 溫度場分析數(shù)學模型

根據(jù)蒸汽管道的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特點，可以把蒸汽管道當作無內(nèi)熱源、各向同性的傳熱模型。根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律，無內(nèi)熱源的各向同性三維瞬態(tài)溫度場方程表達式為

(1)

式中：T為瞬時溫度，K；t為時間，s；ρ為材料密度，kg/m3；c為材料的比熱容，J/(kg·K)；λ為材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)。

求解該微分方程需要給定邊界條件，邊界條件描述研究區(qū)域邊界上系統(tǒng)與周圍環(huán)境的相互作用，溫度場分析中的傳熱邊界條件主要分為3類[1]，見表1。對于電廠蒸汽管道，管壁金屬與蒸汽介質(zhì)主要通過對流方式進行熱量傳遞，因而一般采用第3類邊界條件進行計算，在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，也可以采用第1類邊界條件直接給定管壁溫度進行管道溫度場及熱應力分析。

表1 溫度場熱學邊界條件Tab.1 Temperature field thermal boundary conditions

圖1 72 h典型啟停負荷、主蒸汽溫度曲線Fig.1 Typical load and main steam temperature curves in 72 h after start-up and shutdown

2 熱應力分析數(shù)學模型

傳熱分析一般包括溫度場和應力場分析，溫度場和應力場相互影響、互相耦合，傳熱問題所確定的溫度將直接影響物體的熱應力。但對于火電廠蒸汽管道而言，熱應力對溫度的影響不大[2]，因而可以將彎頭升溫階段的熱應力問題看成是單向的耦合過程，只考慮溫度場對應力場的影響，分為2個階段進行計算：首先進行溫度場的計算，得到溫度分布后，再考慮溫差分布引起的熱膨脹，從而得到熱應力問題的物理方程(見式(2))；然后結(jié)合彈性力學中的平衡方程、幾何方程[3]即可進行結(jié)構(gòu)應力應變狀態(tài)的求解。

(2)

式中：σxx，σyy，σzz為各方向主應力分量；εxx，εyy，εzz為各方向主應變分量；τxy，τyz，τzx為各方向剪應力分量；γxy，γyz，γzx為各方向剪應變分量；E為材料彈性模量；μ為泊松比；G材料剪切模量；αT為材料的熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫差。

3 機組信息

某燃機電廠為STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機組，額定功率為390 MW，由PG9351FA型燃氣輪機、D10型三壓再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發(fā)電機和三壓再熱自然循環(huán)余熱鍋爐組成。高壓主蒸汽管道材質(zhì)為A335P91，規(guī)格為ID 305 mm×24 mm，設計溫度為574.9 ℃，設計壓力為10.4 MPa。

該機組主要作為調(diào)峰機組使用，一般為晝啟夜停，從電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)中讀取72 h的啟停曲線及其對應的高壓主蒸汽溫度曲線，如圖1所示。機組常溫狀態(tài)下的啟動為冷態(tài)啟動，啟動開始后1 h左右機組負荷達到目標值，主蒸汽溫度同時達到最大值。此后保持穩(wěn)定負荷運行至夜間停機，停機階段機組負荷在15 min左右迅速降為0，但主蒸汽管道溫度則緩慢下降，至第2天機組重啟時，主蒸汽管道及汽輪機系統(tǒng)溫度均還處于較高狀態(tài)，此時機組的重啟即為熱態(tài)啟動。

表2 P91鋼物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of P91 steel

注：密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。

4 高壓主蒸汽管道彎頭溫度場及熱應力

計算

為研究啟機階段高溫蒸汽管道的溫度場及熱應力分布特點，以溫度水平最高的高壓主蒸汽管道為研究對象，選取其中一、二次應力最大值所在的90°彎頭進行分析。彎頭接管規(guī)格為?353 mm×24 mm，彎曲半徑為529.5，材質(zhì)為P91鋼，物理參數(shù)見表2[4]。考慮熱壓彎頭內(nèi)、外弧的壁厚偏差，按照GB 50764—2012《電廠動力管道設計規(guī)范》[5]中關于彎頭壁厚的設計要求進行三維建模，并將模型導入有限元分析軟件進行網(wǎng)格劃分，考慮90°彎頭結(jié)構(gòu)的對稱性，沿縱剖面選取彎頭的一半進行分析，沿壁厚方向網(wǎng)格加密，如圖2所示。

圖2 彎頭有限元計算網(wǎng)格模型Fig.2 Elbow finite element analysis meshing model

考慮到彎頭外壁有較厚的保溫層，在此將其作為絕熱邊界處理。彎頭內(nèi)部為高溫蒸汽，內(nèi)表面與高溫蒸汽直接接觸，金屬管壁與高溫蒸汽之間會有熱交換，可以作第3類熱邊界條件處理。其中環(huán)境溫度就是實測的管道內(nèi)蒸汽溫度，根據(jù)BS EN12952-3—2011《水管鍋爐和輔助設備 第3部分：壓力零件的設計和計算》的建議，蒸汽的對流換熱系數(shù)可以取1 000 W/(m2·K)。

4.1 溫度場計算

按照圖1所示的啟動曲線，研究機組在冷態(tài)啟動階段(啟動時間60 min)彎頭的溫度場分布及變化。計算結(jié)果表明：內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，溫度由內(nèi)壁向外壁逐步遞減；彎頭區(qū)域的升溫速度較直管段慢；彎頭中性面區(qū)域較內(nèi)、外弧的升溫速度快。

圖3 啟機階段不同時刻彎頭溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of the elbow at different times during the start-up stage

讀取彎頭45°角方向中性面區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，得到沿壁厚方向的溫度分布曲線，如圖4所示。由圖4可以看出：在啟動溫升階段(前60 min)，沿壁厚方向的溫度梯度曲線基本一致；進入穩(wěn)定運行階段，蒸汽溫度穩(wěn)定后，沿壁厚方向的溫度分布迅速趨于一致。

4.2 熱應力分析

彎頭內(nèi)蒸汽溫度不斷變化導致溫度場熱應力的產(chǎn)生，采用熱固耦合計算得到彎頭不同時刻的熱應力分布。其中冷態(tài)啟機階段彎頭最大Mises應力變化曲線如圖5所示，由計算結(jié)果可知：在啟機階段的前10 min，彎頭的最大熱應力迅速增大，然后平穩(wěn)增長，應力峰值出現(xiàn)在蒸汽溫升結(jié)束的時刻，隨著蒸汽溫度的穩(wěn)定，熱應力迅速下降。

圖6為熱應力峰值出現(xiàn)時刻(啟機60 min后，即蒸汽溫升結(jié)束時)的彎頭Mises應力分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：彎頭區(qū)域熱應力大于直管段區(qū)域熱應力；彎頭內(nèi)表面應力普遍大于外表面應力；最大熱應力出現(xiàn)在內(nèi)表面中性面區(qū)域，最大熱應力值為19.2 MPa。

圖4 中性面區(qū)域沿壁厚方向的溫度分布曲線Fig.4 Temperature distribution curve in the direction of wall thickness of neutral surface

圖5 啟機過程中彎頭最大Mises應力曲線Fig.5 Maximum Mises stress curve of the elbow during the start-up

圖6 啟機60 min后彎頭Mises應力云圖Fig.6 Mises stress cloud of the elbow at 60 min after the start-up

5 結(jié)束語

針對燃機電廠頻繁啟停的特點，本文以高壓主蒸汽管道的彎頭為研究對象，進行了冷態(tài)啟機過程中的溫度場及熱應力場分析，計算結(jié)果顯示，彎頭內(nèi)表面中性面區(qū)域的熱應力最大。對于頻繁啟停的燃機機組，熱應力對結(jié)構(gòu)的疲勞損傷有顯著的影響，因此，在對彎頭結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場金屬檢驗時，應對內(nèi)表面中性面區(qū)域加以關注。本文計算所得的彎頭溫度場、應力場數(shù)據(jù)還可以為高溫蒸汽管道結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析提供參考數(shù)據(jù)。