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1000 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組鍋爐是當(dāng)前最先進(jìn)的火力發(fā)電機(jī)組鍋爐，其設(shè)計(jì)上采用了很多先進(jìn)的理念和技術(shù)，確保鍋爐水冷壁的安全長周期運(yùn)行。國內(nèi)部分超超臨界垂直管圈鍋爐在實(shí)際投運(yùn)后的檢修中仍發(fā)現(xiàn)，水冷壁管某標(biāo)高區(qū)段內(nèi)較人面積范圍內(nèi)產(chǎn)生橫向裂紋，嚴(yán)重威脅電廠的安全生產(chǎn)針對該問題進(jìn)行有限元分析研究，找出水冷壁裂紋產(chǎn)生的原因和機(jī)理，對保證鍋爐的運(yùn)行安全具有重要意義。
相關(guān)研究顯示，水冷壁橫向裂紋的產(chǎn)生是熱應(yīng)力過人或熱疲勞引起，而熱應(yīng)力與管壁的溫度分布有密切關(guān)系。傳統(tǒng)的水冷壁管溫度的計(jì)算方法，計(jì)算的壁溫是人為按經(jīng)驗(yàn)事先選定的危險(xiǎn)點(diǎn)溫度，但是由于實(shí)際運(yùn)行的復(fù)雜性和負(fù)荷的多變性，此方法不能夠正確而連續(xù)地反映出屏中每根管子的壁溫分情況現(xiàn)階段，數(shù)值模擬方法越來越多地被采用，如文獻(xiàn)建立了流固拙合計(jì)算模型，模擬了爐內(nèi)燃燒過程以及各工況對壁溫分布的影響，得到了爐膛內(nèi)的溫度分布以及爐墻的熱應(yīng)力、應(yīng)變分布，并通過小型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
文獻(xiàn)利用有限元計(jì)算了膜式水冷壁的溫度場，認(rèn)為壁內(nèi)金屬任何一點(diǎn)與管內(nèi)工質(zhì)的溫差與水冷壁向火側(cè)的熱流量成正比。文獻(xiàn)針對某電廠超臨界壓力鍋爐，使用數(shù)值方法模擬了各工況下膜式水冷壁的溫度場，分析了背火側(cè)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)溫差與向火側(cè)危險(xiǎn)點(diǎn)溫度之間的關(guān)系，得到擬合關(guān)系式，結(jié)構(gòu)能夠用于向火側(cè)壁溫的在線監(jiān)測。
上述的研究結(jié)果表明，基于有限元方法的數(shù)值模擬技術(shù)在水冷壁管溫度場、熱應(yīng)力場的計(jì)算分析中是可靠的，能夠適用于超臨界鍋爐水冷壁的熱應(yīng)力分析。但現(xiàn)有研究人多針對二維簡化模型，而在三維模擬方面研究報(bào)道較少，僅有文獻(xiàn)的研究者針對常規(guī)傳熱條件的水冷壁管溫度場及熱應(yīng)力場開展了數(shù)值模擬研究，將水冷壁管的傳熱特性變化與水冷壁應(yīng)力變化同時(shí)考慮的研究工作仍然未見報(bào)告。但是當(dāng)前條件下，國內(nèi)超超臨界鍋爐普遍處于滑壓調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)下水冷壁內(nèi)工質(zhì)物性變化劇烈，使得水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)的傳熱特性也發(fā)生劇烈變化，容易出現(xiàn)由于局部管壁傳熱惡化等原因引發(fā)的管壁溫度飛升現(xiàn)象，對水冷壁的局部應(yīng)力產(chǎn)生很人影響，對水冷壁管的安全造成嚴(yán)重威脅。研究將水冷壁內(nèi)外的傳熱特性變化和管材的應(yīng)力變化進(jìn)行綜合考慮，并將研究得到的應(yīng)力變化結(jié)果作為分析水冷壁橫向裂紋產(chǎn)生原因的重要組成部分。
本研究針對某1000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐垂直上升水冷壁，利用大型通用有限元軟件ABAQUS，通過建立三維有限元模型，計(jì)算得到了傳熱正常和傳熱惡化水冷壁管的溫度及熱應(yīng)力場分布情況，并分析了傳熱惡化對該鍋爐水冷壁管上橫向裂紋的影響。
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