超超临界锅炉受热面管失效概率与温度场数值模拟研究

摘要

超超临界机组通过提高蒸汽参数来提高燃煤机组的发电效率，有效降低供电煤耗，实现节能与低污染排放，得到快速的发展。然而装机机组逐年增大，管道运行工况一再恶化，使得管道爆管事故时有发生，给电厂正常运行带来极大的经济损失。针对大型机组，仅用原有的热偏差及壁温计算方法已不适用。鉴于此，本文采用数值模拟和实验相结合的分析方法对超超临界机组下炉膛燃烧情况及上炉膛受热面温度分布进行研究。
　　本文运用层次分析法对超超临界锅炉的失效模式及导致失效的各因素进行了分析。通过建立水冷壁、过热器、再热器的失效模型，对失效模型构造相对应的判断矩阵进而求出各失效因素的权重，得出了不同类型受热面的失效因素相对重要性，为后续有针对性的研究受热面失效原因提供依据。
　　对于炉膛燃烧模拟，通过对炉膛1:1实体建模计算与分析，详细探讨了进煤量、过量空气、煤粉细度、煤种及工况变化对燃烧的影响作用，结果表明：在二次风一定的情况下，炉膛整体温度随着煤量的增加温度呈先升高后降低的趋势，进煤量的调整仅仅使各个部分的温度改变，对切圆形态影响不大，11kg/s进煤量燃烧效果最好。进煤量一定的情况下，炉膛温度和峰值温度随着过量空气量的增加先升高而后降低，在过量空气系数为1.15时煤粉燃烧较为充分。煤粉越细进行燃烧的表面积越大，煤粉本身的热阻越小，加热煤粉至着火温度所需要的时间越短，燃烧越完全，可以在炉膛较低位置开始很剧烈的燃烧并形成较高的炉膛温度。低位发热量高与挥发分含量高的煤种形成的炉膛整体温度较高。高负荷工况下的燃尽区发热多，炉膛出口温度较高，辐射强度较大。
　　本文采用解析计算与数值模拟相结合的方法考察了不同高度下炉膛水冷壁的温度分布、应力分布，并且找出了水冷壁的危险区域。结果表明：水冷壁的截面最高温度在向火侧鳍片端部位置，其温度分布随着炉膛高度的增加呈先升高后降低的趋势，在高度为38m处达到最高值。管壁截面最高温度出现在向火侧最高点处，最大应力位置为背火侧管壁与鳍片接触面，水冷壁危险区域为上下燃烧器中间部位。
　　对于上炉膛受热面模拟，本文基于燃烧模拟得到受热面所处的管屏区进口的烟气温度和速度边界，将下炉膛烟气组分通过运输方程传递上去，在此基础上对管屏区进行流固共轭传热分析，得到各工况下管道外壁温度分布及波动情况并且与电厂实测数据进行了验证。结果表明：一级过热器与三级过热器类似，高温区出现炉膛中心处，变工况情况下管外壁温度的波动幅度由炉膛中心向炉膛两侧逐渐减小，炉膛中心处波动最大。从二级再热器以上开始，高温区由炉膛中心向炉膛两侧扩展，并且工况越低扩展越迅速，扩展的距离越长。温度波动大的区域也随着炉膛高度的增加从炉膛中心向两侧扩展，危险区域从炉膛中心附近向炉膛两侧扩展。
　　通过对锅炉已发生的过热器失效管道及水冷壁焊缝裂纹进行失效分析，找出了其相应的失效原因，验证了失效模型建立和模拟结果的正确性，提出了改进措施。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

变量注释表

1 绪论

1.1 背景介绍（Introduction）

1.2 超超临界机组发展及研究现状（Development and Research on Ultra-Supercritical Power Boiler）

1.3 超超临界锅炉水冷壁常见的失效形式(Common Failure Modes of Ultra-Supercritical Boiler Water Wall)

1.4 研究方案(Research Programs)

2 超超临界锅炉四管失效统计分析

2.1 分析方法介绍（Introduction of Analysis Method）

2.2分析过程（Analysis Process）

2.3结果分析（Results Analysis）

2.4小结（Summary）

3 超超临界锅炉数值模拟分析

3.1 锅炉简介(Boiler Introduction)

3.2 下 炉 膛 燃 烧 温 度 场 模 拟 (Simulation on Combustion Temperature Field of Under Furnace)

3.3下炉膛燃烧模拟结果（ Simulation Results of Combustion of Lower Furnace）

3.4 小结（Summary）

4 下炉膛水冷壁温度场计算模拟

4.1传热有限元模型的建立及前处理(Heat Finite Element Model Building and Pre-Treatment)

4.2 有限元模拟参数的计算(Calculation of Finite Element Simulation Parameters)

4.3 温 度 场 有 限 元 模 型 计 算 (Simulation Calculation on Temperature Field of Finite Element Model)

4.4 水冷壁模拟结果及分析(Simulation Results and Analysis of Water Wall)

4.5小结（Summary）

5 炉膛上部受热面管道温度分布模拟

5.1 传热有限元模型的建立及前处理(Heat Finite Element Model Building and Pre-Treatment)

5.2 模拟结果及分析(Simulation Results and Analysis)

5.3 受热面管道温度分布数据分析(Numerical Analysis of Temperature Distribution of Heating Surface Pipe)

5.4 小结（Summary）

6受热面失效状况及实验分析

6.1 过热器受热面失效状况及实验分析（ Failure Condition and Analysis of Heating Surface of Superheater Pipe）

6.2 水冷壁失效状况及实验分析（ Failure Condition and Analysis of Water Wall of Lower Furnace）

6.3 小结（Summary）

7结论与展望

7.1 结论（Conclusions）

7.2 展望（Future Work）

参考文献

作者简历

学位论文数据集