增压锅炉启动及汽压波动过程锅筒疲劳特性研究

摘要

增压锅炉凭借其较高的炉膛热负荷、高可靠性、较小的体积及良好的可维护性等优点，一直作为大型船舶蒸汽动力装置的主动力锅炉。与电站锅炉相比，增压锅炉结构形式、换热方式及负荷变化情况更为复杂，且筒壁难以布置测点，准确计算锅筒温度、应力和疲劳寿命的难度更大。在增压锅炉冷态启动、停炉及大负荷扰动等典型过程中，锅炉锅筒压力和温度在短时间内会产生剧烈波动，产生水平较高且循环作用的热应力和机械应力，久而久之会使锅筒存在塑性失效和疲劳破坏的隐患，从而严重影响操作人员的安全。因此，对增压锅炉锅筒的应力状态及疲劳寿命进行监控，从而判断其能否承受循环大负荷扰动及能承受的极限值是目前亟待的问题。目前，针对电站锅炉锅筒疲劳寿命监测系统的研制已日趋成熟，但船用增压锅炉锅筒疲劳寿命监测方面的研究还是个空白。
　　本文以船用增压锅炉为研究对象，首先对求解锅筒温度场、应力场及疲劳寿命的方法进行了研究，建立了求解锅筒温度场的正反问题耦合解法数学模型。其次利用有限元计算软件ANSYS建立了增压锅炉锅筒的三维有限元模型，利用实测数据、传热学理论和相关设计标准确定了其热边界条件和机械边界条件，对冷态启动过程和充放汽过程中锅筒温度场、热应力场、机械应力场和总应力场进行了计算分析，确定了该过程锅筒管板危险点的位置。之后针对冷态启动过程结束时刻的稳态过程计算了管板上各管孔边缘的应力集中系数。在前面研究的基础上，利用 C++和Fortran混合编程编制了汽包疲劳寿命计算程序，并结合实验现场硬件设备开发了一套适用于该型增压锅炉锅筒的疲劳寿命监测系统。通过实验数据进行校验，精度在允许范围之内。最后利用该系统对增压锅炉锅筒不同过程及工况进行了疲劳性能计算与分析，实现了锅筒运行过程中寿命监测与评估的功能。
　　计算结果表明，冷态启动过程和充放汽过程中，管板对流蒸发管束管孔和下降管区域产生了水平较高的应力。冷态启动过程危险点总应力变化规律为工质饱和前热应力占主导作用，饱和后呈现热应力和机械应力作用叠加；而充放汽过程危险点总应力为机械应力占主导作用。冷态启动时间过短和充汽时锅筒压力波动幅度过大会分别导致冷态启动过程和充放汽过程的可循环次数大幅度减小、锅筒疲劳损耗大幅度增加。本文的研究结果对优化锅炉的控制策略具有一定的指导意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 增压锅炉锅筒疲劳特性计算方法研究

2.1增压锅炉结构简介

2.2 锅筒温度场计算方法研究

2.3 锅筒应力场计算方法研究

2.4 锅筒疲劳寿命计算方法研究

2.5 本章小结

第3章 锅筒冷态启动及汽压波动过程数值模拟研究

3.1 增压锅炉锅筒实体模型建立

3.2 增压锅炉锅筒有限元模型建立

3.3 锅筒瞬态过程边界条件确定方法

3.4 冷态启动过程锅筒应力计算结果及分析

3.5 储汽筒充放汽锅筒应力计算结果及分析

3.6 不同瞬态过程锅筒危险点疲劳寿命计算

3.7 锅筒应力集中系数计算

3.8 本章小结

第4章 增压锅炉锅筒疲劳寿命在线监测系统开发

4.1 监测系统主要功能及结构组成

4.2 增压锅炉锅筒疲劳寿命计算软件算法设计

4.3 增压锅炉锅筒实验研究

4.4 温度场计算结果的精度验证

4.5 本章小结

第5章 增压锅炉锅筒疲劳特性计算与分析

5.1 冷态启动过程锅筒疲劳特性分析

5.2 储汽筒充汽过程锅筒疲劳特性分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢