启机阶段高温蒸汽管道弯头温度场及热应力分析

刘明，朱伟雄，丁勇能，白佳

(1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.杭州华电半山发电有限公司，杭州 310011)

0 引言

燃机电厂一般以天然气为燃料，利用高温火焰直接驱动燃气轮机叶轮带动发电机发电，并将燃气轮机排出的高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入汽轮机进行发电。相比于传统的燃煤电厂，燃机电厂具有整体循环效率高、污染极小、启停快捷的优点，是城市备用或调峰机组的最佳选择。

因燃机电厂启机阶段的温升较快，导致高温蒸汽管道产生一定的热应力，随着温度的稳定热应力消失，频繁启停机会使高温蒸汽管道承受明显的交变热应力载荷，对其疲劳寿命影响较大。因此，对启机阶段高温蒸汽管道的温度场及热应力进行分析研究具有一定的意义。

1 温度场分析数学模型

根据蒸汽管道的结构、材质特点，可以把蒸汽管道当作无内热源、各向同性的传热模型。根据傅里叶定律和能量守恒定律，无内热源的各向同性三维瞬态温度场方程表达式为

(1)

式中：T为瞬时温度，K；t为时间，s；ρ为材料密度，kg/m3；c为材料的比热容，J/(kg·K)；λ为材料的导热系数，W/(m·K)。

求解该微分方程需要给定边界条件，边界条件描述研究区域边界上系统与周围环境的相互作用，温度场分析中的传热边界条件主要分为3类[1]，见表1。对于电厂蒸汽管道，管壁金属与蒸汽介质主要通过对流方式进行热量传递，因而一般采用第3类边界条件进行计算，在稳定运行状态下，也可以采用第1类边界条件直接给定管壁温度进行管道温度场及热应力分析。

表1 温度场热学边界条件Tab.1 Temperature field thermal boundary conditions

图1 72 h典型启停负荷、主蒸汽温度曲线Fig.1 Typical load and main steam temperature curves in 72 h after start-up and shutdown

2 热应力分析数学模型

传热分析一般包括温度场和应力场分析，温度场和应力场相互影响、互相耦合，传热问题所确定的温度将直接影响物体的热应力。但对于火电厂蒸汽管道而言，热应力对温度的影响不大[2]，因而可以将弯头升温阶段的热应力问题看成是单向的耦合过程，只考虑温度场对应力场的影响，分为2个阶段进行计算：首先进行温度场的计算，得到温度分布后，再考虑温差分布引起的热膨胀，从而得到热应力问题的物理方程(见式(2))；然后结合弹性力学中的平衡方程、几何方程[3]即可进行结构应力应变状态的求解。

(2)

式中：σxx，σyy，σzz为各方向主应力分量；εxx，εyy，εzz为各方向主应变分量；τxy，τyz，τzx为各方向剪应力分量；γxy，γyz，γzx为各方向剪应变分量；E为材料弹性模量；μ为泊松比；G材料剪切模量；αT为材料的热膨胀系数；ΔT为温差。

3 机组信息

某燃机电厂为STAG 109FA单轴联合循环机组，额定功率为390 MW，由PG9351FA型燃气轮机、D10型三压再热系统的双缸双流式汽轮机、390H型氢冷发电机和三压再热自然循环余热锅炉组成。高压主蒸汽管道材质为A335P91，规格为ID 305 mm×24 mm，设计温度为574.9 ℃，设计压力为10.4 MPa。

该机组主要作为调峰机组使用，一般为昼启夜停，从电厂厂级监控信息系统(SIS)中读取72 h的启停曲线及其对应的高压主蒸汽温度曲线，如图1所示。机组常温状态下的启动为冷态启动，启动开始后1 h左右机组负荷达到目标值，主蒸汽温度同时达到最大值。此后保持稳定负荷运行至夜间停机，停机阶段机组负荷在15 min左右迅速降为0，但主蒸汽管道温度则缓慢下降，至第2天机组重启时，主蒸汽管道及汽轮机系统温度均还处于较高状态，此时机组的重启即为热态启动。

表2 P91钢物理参数Tab.2 Physical parameters of P91 steel

注：密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3。

4 高压主蒸汽管道弯头温度场及热应力

计算

为研究启机阶段高温蒸汽管道的温度场及热应力分布特点，以温度水平最高的高压主蒸汽管道为研究对象，选取其中一、二次应力最大值所在的90°弯头进行分析。弯头接管规格为ø353 mm×24 mm，弯曲半径为529.5，材质为P91钢，物理参数见表2[4]。考虑热压弯头内、外弧的壁厚偏差，按照GB 50764—2012《电厂动力管道设计规范》[5]中关于弯头壁厚的设计要求进行三维建模，并将模型导入有限元分析软件进行网格划分，考虑90°弯头结构的对称性，沿纵剖面选取弯头的一半进行分析，沿壁厚方向网格加密，如图2所示。

图2 弯头有限元计算网格模型Fig.2 Elbow finite element analysis meshing model

考虑到弯头外壁有较厚的保温层，在此将其作为绝热边界处理。弯头内部为高温蒸汽，内表面与高温蒸汽直接接触，金属管壁与高温蒸汽之间会有热交换，可以作第3类热边界条件处理。其中环境温度就是实测的管道内蒸汽温度，根据BS EN12952-3—2011《水管锅炉和辅助设备 第3部分：压力零件的设计和计算》的建议，蒸汽的对流换热系数可以取1 000 W/(m2·K)。

4.1 温度场计算

按照图1所示的启动曲线，研究机组在冷态启动阶段(启动时间60 min)弯头的温度场分布及变化。计算结果表明：内壁温度高于外壁温度，温度由内壁向外壁逐步递减；弯头区域的升温速度较直管段慢；弯头中性面区域较内、外弧的升温速度快。

图3 启机阶段不同时刻弯头温度场分布Fig.3 Temperature field distribution of the elbow at different times during the start-up stage

读取弯头45°角方向中性面区域的温度数据，得到沿壁厚方向的温度分布曲线，如图4所示。由图4可以看出：在启动温升阶段(前60 min)，沿壁厚方向的温度梯度曲线基本一致；进入稳定运行阶段，蒸汽温度稳定后，沿壁厚方向的温度分布迅速趋于一致。

4.2 热应力分析

弯头内蒸汽温度不断变化导致温度场热应力的产生，采用热固耦合计算得到弯头不同时刻的热应力分布。其中冷态启机阶段弯头最大Mises应力变化曲线如图5所示，由计算结果可知：在启机阶段的前10 min，弯头的最大热应力迅速增大，然后平稳增长，应力峰值出现在蒸汽温升结束的时刻，随着蒸汽温度的稳定，热应力迅速下降。

图6为热应力峰值出现时刻(启机60 min后，即蒸汽温升结束时)的弯头Mises应力分布云图，从图中可以发现：弯头区域热应力大于直管段区域热应力；弯头内表面应力普遍大于外表面应力；最大热应力出现在内表面中性面区域，最大热应力值为19.2 MPa。

图4 中性面区域沿壁厚方向的温度分布曲线Fig.4 Temperature distribution curve in the direction of wall thickness of neutral surface

图5 启机过程中弯头最大Mises应力曲线Fig.5 Maximum Mises stress curve of the elbow during the start-up

图6 启机60 min后弯头Mises应力云图Fig.6 Mises stress cloud of the elbow at 60 min after the start-up

5 结束语

针对燃机电厂频繁启停的特点，本文以高压主蒸汽管道的弯头为研究对象，进行了冷态启机过程中的温度场及热应力场分析，计算结果显示，弯头内表面中性面区域的热应力最大。对于频繁启停的燃机机组，热应力对结构的疲劳损伤有显著的影响，因此，在对弯头结构进行现场金属检验时，应对内表面中性面区域加以关注。本文计算所得的弯头温度场、应力场数据还可以为高温蒸汽管道结构疲劳损伤分析提供参考数据。