附加鳍片对CFB锅炉膜式水冷壁管屏热变形影响的数值分析

杨 睿， 陈 晔， 卢啸风， 阳明君， 史君林， 李 涛

(1. 四川轻化工大学 过程装备与控制工程四川省高校重点实验室， 四川自贡 643000；2. 重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室， 重庆 400044)

超临界循环流化床(CFB)锅炉机组发展面临的关键问题之一是炉膛水冷壁在运行过程中的安全性是否可靠。在超临界CFB锅炉运行时炉内会有大量物料冲刷炉膛水冷壁受热面，为了防止水冷壁管磨损，同时确保水冷壁管的充分冷却，水冷壁管内工质只能采用具备正流量响应特性的低质量流率技术(本生技术)。但水冷壁管内工质采用低质量流率技术后，管内工质传热系数降低，为了将水加热至过热蒸汽温度，只能提高管子周长与截面面积之比，即采用小管径的水冷壁管，但其机械强度明显下降。此外，由于超临界工质的传热特性，超临界CFB锅炉膜式水冷壁管屏间的周向温差和热应力会远高于亚临界自然水循环锅炉，从而导致管屏热变形增加，致使管屏附加磨损与撕裂的可能性增大。因此，为保障超临界CFB锅炉的经济安全运行，开展对超临界CFB锅炉热工状况及热变形状况的研究十分必要。

国内外关于膜式水冷壁管屏应力应变的研究多集中在单膜式水冷壁管传热条件研究，通常是建立膜式水冷壁管的传热数学模型，分析管内传热系数与受热面热流密度对管壁温度分布的影响规律[1-4]。DI Pasquantonio等[5-11]建立了膜式水冷壁管热变形数值计算模型，提出了一些适用于工程计算的膜式水冷壁管温度场和应力应变计算方法。但现有文献中的研究主要适用于煤粉锅炉，对于CFB锅炉水冷壁管热变形的研究却较为罕见。

研究表明，在膜式水冷壁管背火侧焊接一块附加鳍片能减小膜式水冷壁管热变形[12]，但这只是定性的结果，关于附加鳍片对减小热变形是否真实有效，以及附加鳍片具体尺寸的影响和作用机理未见报道。因此，笔者在世界首台600 MW超临界CFB锅炉实炉运行数据的基础上，针对距离布风板20～35 m水冷壁管屏出现严重变形磨损的边角区域，开展了膜式水冷壁管屏热变形量计算工作，同时定量分析了背火侧附加鳍片对减小膜式水冷壁管屏热变形的作用。

1 有限元模型建立

1.1 膜式水冷壁管屏模型

所研究的世界首台600 MW超临界CFB锅炉的膜式水冷壁管最大连续蒸发量(BMCR)为1 900 t/h，过热、再热蒸汽压力分别为25.4 MPa、4.51 MPa，过热、再热蒸汽温度分别为571 ℃、569 ℃，水冷壁的热变形取决于热边界条件以及约束条件。根据该锅炉运行过程中曾出现过的水冷壁磨损情况，选择锅炉9～55 m高度范围内，位于前墙与右墙交接处的5块4.6 m(高度)×2 m(宽度)大小的膜式水冷壁管屏，利用ANSYS软件进行管屏热变形数值计算。水冷壁由直径为28.2 mm、壁厚为5.6 mm，鳍片厚度为7 mm、截距为38.2 mm，材料为15GrMoG的膜式水冷壁管围绕而成。计算区域及计算模型分别见图1和图2(其中Ux、Uy、Uz分别为x、y、z方向的位移)。水冷壁管受到水平刚性梁、相邻水冷壁管、管屏自身重力及管内流体压力的作用，因此计算模型施加的约束如图2(a)中A～G面施加约束所示。采用六面体结构化网格，为确保计算精度及计算速度，水冷壁管屏计算模型的网格数为48.3万。

图1 水冷壁管屏热变形计算区域Fig.1 Calculation section of thermal deformation of water wall tubes

(a) 计算模型

(b) 网格图2 膜式水冷壁管屏计算模型边界条件及网格Fig.2 Boundary conditions and meshing of calculation model of water wall tubes

1.2 基本方程及边界条件

针对膜式水冷壁管屏的结构特征参数，利用ANSYS软件建立三维有限元弹性力学模型，计算单元为PLAN55、SOLID70和SOLID185。在外力作用下，水冷壁的热弹性应力-应变方程如下：

(1)

式中：σ为应力，Pa；ε为应变；u、v、w分别为x、y、z方向的速度, m/s；α为热膨胀系数，℃-1；E为拉压弹性模量，Pa；μ为泊松比；t为温度，℃。

力学边界条件可以确定为：在水冷壁管顶部的面位移为0，炉膛背火侧刚性梁支撑部分位移为0 mm，管内壁表面受到26.9 MPa的内压(表压)作用，向火侧外壁面受到约50 kPa的压力(表压)作用。热边界条件参考文献[13]。

1.3 材料特性及锅炉运行参数的确定

本文中膜式水冷壁的材料为15GrMoG，在计算中视为各向同性材料，其热物理特性如表1所示。数值模拟时材料的物性参数采用线性插值进行计算。

表1 15GrMoG的物性参数Tab.1 Physical performance parameters of 15GrMoG

2 计算结果与分析

2.1 水冷壁管屏热变形量计算结果

图3为距离布风板21 m高度处水冷壁管屏热变形量分布。从图3(a)和图3(d)可以看出，由于管屏顶端受到水冷壁管屏悬吊装置的约束(Uz=0 mm)，而底端没有施加约束，因此水冷壁管屏主要以向炉膛底部方向的自由膨胀为主。计算区域水冷壁管屏整体向下膨胀(z方向)，热变形至管屏底端时总热变形量达到26.12 mm。而在管屏宽度方向(x方向)上的热变形量仅约为0.05 mm，且与物料流动方向相同，水冷壁管屏磨损较小(见图3(b))。

从图3(b)还可以看出，水冷壁管屏在向火侧的热变形量分布非常不均匀，在水平刚性梁作用的部分，y方向的热变形量相对较小；而在2块水平刚性梁中间的水冷壁区域，y方向的热变形量相对较大，主要表现为向炉膛内部变形，最大热变形量约为1.10 mm。在水冷壁管屏向下变形过程中，由于相邻管子温度不同，存在膨胀偏差，温度高的水冷壁管无法向下额外膨胀，只能向炉膛外侧或向炉膛内侧膨胀。刚性梁与水冷壁管屏接触部分不发生位移(Uy=0 mm)，故而接触部分的水冷壁管不会变形，而固定梁中间的区域没有约束，可以自由膨胀，由于向火侧管壁温度更高，相对管壁温度更低的背火侧膨胀量更大，水冷壁管屏向炉内向火侧凸起，从而引起磨损。

(a) 总热变形量

(b) x方向热变形量

(c) y方向热变形量

(d) z方向热变形量图3 21 m高度处水冷壁管屛向火侧热变形量计算结果Fig.3 Calculation results of fire-side thermal deformation of water wall tubes at the furnace height of 21 m

图4为水冷壁管屏向火侧最大热变形量沿计算模型高度和炉膛高度方向的分布。从图4(a)可以看出，在沿计算模型高度方向(z方向)上，水冷壁管屏向火侧热变形量分布是不均匀的，在炉内额外造成凸起或凹陷，因而会加剧水冷壁管的磨损。由于传热条件不同，不同炉膛高度的水冷壁管屏向火侧热变形量各不相同，最大值为1.43 mm，位于炉膛高度39.5 m处。

(a) 计算模型高度方向

(b) 炉膛高度方向图4 向火侧最大热变形量沿计算模型高度及炉膛高度方向的分布Fig.4 The maximum fire-side thermal deformation along the calculation model height and furnace height

2.2 附加鳍片对水冷壁管屏热变形的影响

膜式水冷壁管屏在锅炉运行中会存在热偏差引起的热变形，减小向火侧热变形将有效提升锅炉运行的安全性及经济性。卢啸风等[12]定性地给出了一种减小超临界CFB锅炉膜式水冷壁管热变形的方法，如图5所示，但并未定量给出附加鳍片对膜式水冷壁管屏热变形的减小量。依据图5建立了三维热变形计算模型，边界条件的施加与未焊接附加鳍片时相同。

1-管子； 2-鳍片； 3-背火侧鳍片。图5 附加鳍片布置方法(背火侧)Fig.5 Layout of extra fin on the backfire side

图6为21 m高度处背火侧焊接了附加鳍片的膜式水冷壁管屏热变形量计算结果。从图6(a)和图6(c)可以看出，在膜式水冷壁管鳍片背火侧焊接附加鳍片后，水冷壁管屏在相同受热条件下的y方向热变形量明显减小，最大热变形量从未加附加鳍

(a) 总热变形量

(b) x方向热变形量

(c) y方向热变形量

(d) z方向热变形量图6 21 m高度处附加鳍片对水冷壁管屏向火侧热变形量的影响Fig.6 Influence of extra fin on fire-side thermal deformation of water wall tubes at the furnace height of 21 m

片的1.10 mm减至添加附加鳍片后的0.80 mm左右(附加鳍片尺寸宽度l×高度h为5 mm×3 mm)，向火侧的热变形量减小了近26%。同时沿着计算模型高度方向的热变形量更为均匀(见图7)，也减小了水冷壁管屏被磨损的危险。从计算结果可以看出，添加附加鳍片将有效减小水冷壁管屏的热变形，其主要原因是附加鳍片的加入降低了鳍片与管壁之间的热偏差，使管屏之间总的热偏差降低，从而减小水冷壁管屏热变形，达到保护管屏的作用。

图7 21 m高度处水冷壁管屏焊接附加鳍片后沿计算模型高度方向向火侧的y方向热变形量Fig.7 Fire-side thermal deformation in y direction of water wall tubes along the calculation model height at the furnace height of 21 m after welding extra fin

通过计算发现，附加鳍片的尺寸对水冷壁管屏热变形的影响明显。图8为附加鳍片对水冷壁管屏最大热变形量的影响。由图8可知，随着附加鳍片宽度的增加，水冷壁管屏的最大热变形量先减小后增大。针对本锅炉的水冷壁管结构参数，当附加鳍片尺寸l×h为6 mm×4 mm时，水冷壁管屏y方向热变形量达到最小值，为0.57 mm。当附加鳍片尺寸过小时，附加鳍片对膜式水冷壁管的强化作用不明显，y方向热变形量仍然较大；随着附加鳍片尺寸增加，附加鳍片能有效增大膜式水冷壁管的强度，减小鳍片与水冷壁管之间的应力，从而达到减小水冷壁管屏热变形的目的。而随着附加鳍片尺寸进一步增加，附加鳍片底部的温度与鳍片向火侧的热偏差会增大，附加鳍片、鳍片以及水冷壁管之间会产生较大的应力，从而导致水冷壁管屏热变形量增大。

图8 附加鳍片尺寸对水冷壁管最大热变形量的影响Fig.8 Influence of extra fin size on the maximum thermal deformation of water wall tubes

3 结 论

(1) 世界首台600 MW超临界CFB锅炉水冷壁管屏热应力计算结果显示，由于水平刚性梁的约束，水冷壁管屏最大应力出现在水平刚性梁与水冷壁管接触部位，此外鳍片与管壁之间较大的温差也导致热应力较大，但上述2处位置的热应力均远低于水冷壁管钢材的许用应力和弯曲应力。

(2) 水冷壁管屏主要以向炉膛下部的自由膨胀为主，而引起水冷壁磨损的向火侧最大热变形量主要出现在2根刚性梁之间水冷壁管屏的中间位置，同时水冷壁向火侧热变形量随着炉膛高度的增加而先增大后减小，最大热变形量位于距离布风板39.5 m高度处，最大热变形量为1.43 mm。

(3) 在膜式水冷壁管背火侧鳍片中间位置焊接一块附加鳍片，能明显减小水冷壁管屏热变形。当附加鳍片尺寸l×h为6 mm×4 mm时，水冷壁管屏向火侧热变形量减至最小值(0.57 mm)。添加附加鳍片对减小水冷壁磨损、确保水冷壁安全有显著的作用。