1000MW锅炉汽水分离器的瞬态应力有限元分析.pdf

学你负
第44卷第1期
锅炉技术
Vol, 44, No.
2013年1月
BOILER TECHNOLOGY
1000MW锅炉汽水分离器的瞬恋应力有限元分析
李娜,冏维平
(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003)
摘:选取1000MW锅炉汽水分离器为研究对象,根据机组运行曲绂确定边界条件,建立其三维有限元
模型。计算了冷态启动工况下的瞬态热应力、机械应力和总应力,讨论了热应力、机械应力和总应力的分布規
律,分析了影响应力的各种因素,找出了汽水分离器最大应力点位置及时间的变化规律
关词:锅炉;汽水分离器;瞬态应力;有限元
中图分类号:TK229.2文标识码:A文章编号:1672-4763(2013)01-0006-04
0前言
位于垂直水冷壁混合集箱出口。经水冷壁加热
以后的工质分别由6根连接管沿切向进人分离
随着我国电网规模的日益增大以及用电结器,分离出来的水通过分离器下方的连接管进入
构的变化,电网中“峰谷差”的现象日益严重。高储水罐,蒸汽则由分离器上方的连接管引人顶棚
参数、大容量的超(超)临界机组采用直流运行方入口集箱。汽水分离器结构如图1所示,几何尺
式,能够实现快速启停,所以参与调峰运行成为寸见表1。
必然。频繁的启停和负荷变化必然导致锅炉部
件的应力波动频繁,使金属材料产生疲劳损伤
消旋器
加速其寿命损耗,进而影响机组的安全和寿命。
汽水分离器是超(超〉临界直流锅炉最大的
厚壁承压件,当锅炉负荷低于直流负荷时,起汽
水分离的作用;负荷高于直流负荷时,分离器起
连接通道作用。在锅炉启停和负荷变化过程中,
汽水分离器所承受的应力主要由温度变化引起
的热应力以及内部蒸汽压力变化引起的机被应
疏水孔平阻木装量
力两部分组成-2。掌握分离器应力在锅炉启动
和运行过程中的变化规律,对提高超临界锅炉运
图1汽水分离器结构图
行的安全性与可靠性具有重要意义。本文以
表1启动分离器尺寸
1000MW锅炉汽水分离器为研究对象,利用有
项目
规范
限元方法研究其在启动和运行过程中瞬态热应
数量/个
力、机械应力及总应力的变换规律和影响因素,
外径×壁厚d/mm×mm
1076×128
为超超临界锅炉的安全运行提供理论指导。
汽水进口数量,
外径×壁厚/个/mm×mmr
2×6×298.3X79.15
有限元模型分析
疏水出口数量/
外径X壁厚/个/ mmx mm
2×1×635X105
1.1几何模型
蒸汽出口数量
2X1×469,9X72
某电厂1000M超超临界锅炉由某锅炉厂
外径X壁厚/个/ mm X mml
生产,汽水分离器为圆形筒体结构,直立式布置
总长度/m
4.7
收日期:2012-06-10
基项目:中央高校本科研业务资助项目(12MS100
作者简介:李(1973-),女,预土研究生,主要从事电厂设备的结构强度分析的研究。
第1期
李娜,等:1000MW锅炉汽水分离器的瞬态应力有限元分析
在建模过程中,为便于分析与计算,分离器
2计算结果分析
筒体上其他开孔不计,只保留6个汽水接入管;
由于结构具有对称性,取1/4进行计算,建立几
冷态启动是指停炉超过72h,汽水分离器金
何模型如图2所示。有限元分析应用 ANSYS软属温度≤120℃。依据机组启动曲线,进行温度
件,热分析计算时选用三维 Solid70单元,机械应场计算,结果见文献[8],本文在温度场计算基础
力分析选用三维 Solid45单元,总应力分析选用上进行瞬态热应力场计算。下面应力分析中的
选用三维 Solid98单元。该模型网格划分采用人应力均为当量应力,取为基于第三强度理论的屈
工尺寸控制和扫掠分网模式。
雷斯应力。
2.1瞬态热应力分析
汽水分离器的热应力主要是由其内部介质
温度波动引起,而介质温度波动是由于锅炉启停
和负荷变化引起的。计算表明,热应力最大值出
现在启动初期和启动升负荷阶段,热应力分布如
图3(a)所示。最大值为132MPa,位于筒体内壁
与汽水引入管内相贯线的椭圆孔长轴处(图3(a)
中A点),在汽水引人管开孔区域,热应力变化梯
度较大,存在着应力集中现象,在远离汽水引入
管开孔处热应力值变化较小
图2汽水分离器的几何模型
NODAL SOLUTON
1.2材料性质
SUB=10
TIME=200
SINT (AVG)
汽水分离器材料为SA336F12,属于ASME
DM= I2F+0R
SMN=.578E+07
SMX=132E.+09
标准材料[,其化学成分和性能参数见表2和
表3
表2SA336F12的化学成分(%)
Mo
P
0.570+80.297e+080.589e+080.880e+080.997++0
C
Si
C
0.4le080.7I5eHC
0.1~0.3~0.1~0.8~0.44~.
(a)热应力最大时的当量应力分布图
20.80.61.250.65
200r(xl(f+5
表3汽水分离器金属材料SA-336F12性能参数
1600
项目
数值
1000
弹性模量GPa
800
泊松比
导热系数/LW(m℃)-1
密度/(kgm
08001600240032004000
时间/h
比热容/[J(kg?℃)
502.4
热应力随时间变化规律图
线膨胀系数/[m(m
一热应力
1.3边界条件
一内外壁温差
进行热应力场模拟时的热边界条件:分离器
筒体外壁和连接管外壁按绝热处理,分离器筒体
中
内壁和连接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-。机械应力场计
7314521728936
时间/min
算时,在筒体和接入管内部施加介质压力载荷,
()热应力与分离器内外壁温差关系图
筒体和连接管横截面施加面平衡载荷。
图3热应力变化规律图