基于ANSYS的火力发电厂锅炉再热器力学仿真分析

摘 要：锅炉再热器是火力发电厂中常见的机械设备，再热器集箱经常出现裂纹，为此提出了优化再热器集箱的有效措施，并利用ANSYS有限元分析软件进行了验证，能够为相关技术人员提供一定参考。

关键词：火力发电厂;锅炉再热器;温度;裂纹;仿真分析

0 引言

目前，我国电力来源主要还是依靠火力发电厂。锅炉再热器的使用对于提高火力发电厂的能源利用效率和设备运行可靠性具有非常重要的作用。由于温度分布不均或者温度过高等因素，锅炉再热器集箱经常会出现裂纹，裂纹长度和深度不一，最大深度高达50 mm，严重影响再热器的正常使用。因此，为了保证锅炉再热器可以安全稳定工作，必须采取一定的措施以消除裂纹带来的不利影响。通过仔细观察锅炉再热器集箱可以发现，裂纹出现的位置相对比较固定，除了受温度分布不均影响之外，还与应力分布不均有关。为了解决火力发电厂再热器失效问题，必须开展相关研究工作，以保证火力发电厂锅炉的正常运行。

1 火力发电厂锅炉再热器失效分析

通过对某超临界变压运行直流锅炉的观察可以发现，锅炉基本构造为单炉膛、Π型布置模式，还配置了主煤粉燃烧器，采用反向墙式切圆燃烧方式。根据现场实际情况可知，锅炉再热器集箱裂纹最常出现的位置处于再热器集箱顶部与放热管相接触的部分，最大裂纹长度可以达到65 mm，再热器最大外部裂纹长度可以达到50 mm，裂纹主要以开裂的方式出现。除了再热器集箱外部，在内部也能发现大小不一的裂纹，可以推断热应力集中造成的热疲劳损坏是导致再热器出现裂纹的主要原因。除此之外，结构方式设计不规范，加上锅炉机组工作时的振动也在很大程度上造成了再热器裂纹的产生。

2 再热器损坏的处理措施及预防方法

根据再热器出现裂纹的形式和位置，当再热器蒸汽热管段的中间位置接焊口采用双V形坡口，放空气管的对接焊口采用单V形坡口，能够有效预防裂纹出现。在对再热器进行焊接前，需要仔细检测管道有没有出现破损和腐蚀现象，为了保证焊接的穩定性和可靠性，可以在焊接口处布置3个固定点，以保证焊接过程更加均匀、准确。锅炉再热器集箱上要尽可能只布置一个放空气管，不要出现多个放空气管并列布置的现象，要合理设计放空气管的形状结构，水平管道要能有效适应气流流动方向，尽量不要出现冷凝水回流现象，保证设备正常运行工作。在再热器容易出现裂纹的地方，可以设计加强筋，同时焊上增强板，从而避免火力发电厂再热器出现裂纹。

3 火力发电厂锅炉再热器仿真分析

3.1    再热器三维模型建立及网格划分

为了对火力发电厂锅炉再热器进行有限元仿真分析，本文采用SolidWorks三维建模软件建立了优化后的锅炉再热器三维模型。鉴于计算机性能和计算时间，忽略了对仿真结果影响不大的特征，只保留了必要部分，通过ANSYS自带的网格划分工具mesh对其进行网格划分，最终网格划分数量为236 782，网格划分图如图1所示。

3.2    火力发电厂锅炉再热器仿真分析结果

锅炉再热器被安装固定在钢结构上，采用螺栓方式固定，再热器设有入口和出口，为了简化计算，仅表现了再热器的一部分结构，假设锅炉再热器工作环境温度为30 ℃，将优化后的锅炉再热器三维模型导入ANSYS中进行求解计算，锅炉再热器的应力分布云图如图2所示，锅炉再热器的位移分布云图如图3所示，锅炉再热器的温度分布云图如图4所示。

由图2可以发现，锅炉再热器此时的最大应力为113.6 MPa，最小应力为0.389 04 MPa，最大应力出现在两个接口处，最小应力出现在锅炉底部固定位置，此时最大应力仍在安全范围内，且数值相对较小，优化后的锅炉再热器出现裂纹的可能性较低。

由图3可以发现，锅炉再热器此时的最大位移为0.8 mm左右，最小位移为0.089 mm左右，最大位移出现在锅炉再热器尾部，最小应力出现在锅炉再热器头部，此时最大位移仍在安全范围内，且数值相对较小，通过位移数据可以看出，优化后的锅炉再热器出现裂纹的可能性较低。

由图4可以发现，锅炉再热器此时最大温度为57.382 ℃，最小温度为56.816 ℃，最大温度出现在锅炉再热器两端，最小温度出现在锅炉再热器中间位置，此时最大温度与最小温度的温差较小，不会出现热力失衡现象，通过温度数据也可以看出，优化后的锅炉再热器出现裂纹的可能性较低。

4 结语

综上所述，锅炉再热器对于保证火力发电厂正常运营具有重要影响，考虑到传统再热器容易由于温度分布不均出现裂纹，采取了再热器蒸汽热管段的中间位置接焊口采用双V形坡口，放空气管的对接焊口采用单V形坡口等方法，有效避免了裂纹的出现，并采用ANSYS有限元仿真软件对其进行了验证，证明优化后的锅炉再热器可以有效避免裂纹的出现。

[参考文献]

[1] 王冬冬.关于火力发电厂锅炉再热器集箱裂纹原因分析及预防措施探讨[J].科技资讯，2019，17（21）：28.

[2] 王能淼.锅炉再热器水压试验堵阀更换过程控制[J].山东工业技术，2017（6）：91-92.

收稿日期：2019-12-23

作者简介：商江东（1984—），男，湖北武汉人，工程师，研究方向：热能动力。