深度調(diào)峰運行下某CFBB水冷壁管熱應(yīng)力分析

摘 要：隨著大量新能源發(fā)電的并網(wǎng)，火電機組循環(huán)流化床鍋爐（circulating fluidized bed boiler，CFBB）參與電網(wǎng)調(diào)峰時，機組的負(fù)荷在不斷變化，機組的安全性受到了挑戰(zhàn)，研究調(diào)峰時鍋爐受熱面管的溫度與應(yīng)力是必要的。通過數(shù)值模擬的方法對深度調(diào)峰運行下的二維膜式水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力進行分析。研究結(jié)果表明：CFBB深度調(diào)峰時熱負(fù)荷由鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（boiler maximum continuous rating，BMCR）至20%BMCR，膜式水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力都在逐漸減??；BMCR工況時，水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力最大分別為431.53 ℃、0.263 mm、131 MPa，均在水冷壁管材允許的范圍內(nèi)。熱負(fù)荷由BMCR到20%BMCR和由20%BMCR到BMCR不斷的調(diào)峰過程中，CFBB膜式水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力在不斷交替變化，水冷壁管在交變的溫度、變形量和熱應(yīng)力作用下疲勞損傷不斷累積，最終因疲勞而失效。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；深度調(diào)峰；循環(huán)流化床鍋爐；膜式水冷壁管；熱應(yīng)力

中圖分類號：TK223.3

文獻標(biāo)志碼：A

在“碳達峰，碳中和”雙碳目標(biāo)的大背景下［1］，在電力生產(chǎn)綠色低碳發(fā)展的大趨勢下，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源裝機容量日益增加［2］，而新能源發(fā)電具有間歇性、隨機性、反調(diào)峰性等特點［3］，增加了系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差，對電力系統(tǒng)的接納能力提出了更高的要求［4］。為維護電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，火電機組必須要承擔(dān)起調(diào)峰的重任［2］。傳統(tǒng)電源的彈性運行將是解決未來我國消納大規(guī)模清潔能源的根本途徑［5］。循環(huán)流化床鍋爐（circulating fluidized bed boiler，CFBB）的一個顯著優(yōu)點是負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大［6］，在參與電網(wǎng)的調(diào)峰中具有明顯的優(yōu)勢。王鵬程等［7］分析某350 MW超臨界CFBB在深度調(diào)峰過程中遇到的鍋爐穩(wěn)燃、水動力安全等問題，提出了相應(yīng)的控制策略和技術(shù)措施。于浩洋等［8］分析某330 MW循環(huán)流化床機組深度調(diào)峰運行數(shù)據(jù)，建立深度調(diào)峰性能分析評價流程，并計算了深度調(diào)峰的經(jīng)濟性。蔡晉等［9］以河坡電廠超臨界350 MW機組CFBB為研究對象，分析了循環(huán)流化床機組變負(fù)荷時的床溫、蒸汽參數(shù)以及污染物排放的變化。鞏李明等［10］分析鍋爐深度調(diào)峰低負(fù)荷穩(wěn)燃、水動力、壁溫等影響因素，針對相應(yīng)問題提出了技術(shù)優(yōu)化可行措施。張榮［11］對超臨界CFBB深度調(diào)峰技術(shù)難點及控制策略進行了研究。在CFBB負(fù)荷不斷變化下，膜式水冷壁管溫度也不斷變化，必然會產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，影響鍋爐的安全穩(wěn)定運行［12］?，F(xiàn)有的研究大多集中于CFBB的調(diào)峰性能評價，對深度調(diào)峰時水冷壁管的溫度和熱應(yīng)力的研究相對較少。本文以貴州某在建CFBB為研究對象，通過數(shù)值模擬的方法得到CFBB膜式水冷壁管溫度分布、變形量分布和熱應(yīng)力分布，并分析了深度調(diào)峰下水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力的變化規(guī)律，以期為CFB機組在深度調(diào)峰工況下長期良好的運行提供一定的幫助。

1 鍋爐參數(shù)

某660 MW超超臨界CFBB為世界首臺高效超超臨界直流CFBB，采用雙布風(fēng)板、單爐膛，配6個分離器和6個外置床的整體H型布置，平衡通風(fēng)、一次中間再熱，采用外置床調(diào)節(jié)爐膛床溫和再熱蒸汽溫度，采用高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進行氣固分離。鍋爐整體呈左右對稱布置，支吊在鍋爐鋼架上。鍋爐由三個部分組成。第一部分，布置有主循環(huán)回路，包括爐膛、高溫冷卻式旋風(fēng)分離器、回料器、外置床、冷渣器和二次風(fēng)系統(tǒng)等；第二部分，布置有尾部煙道，包括低溫過熱器、低溫再熱器和省煤器；第三部分，單獨布置2臺四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。鍋爐水冷壁管材料15CrMoG的熱物理參數(shù)見表1［13］，鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表2。

2 模型及邊界條件

膜式水冷壁管溫度沿高度方向逐漸升高，頂棚拐點附近水冷壁管受到剛性梁和集箱的約束應(yīng)力會增大，相反，焊接和溫度相對較高導(dǎo)致頂棚拐點附近水冷壁管的屈服應(yīng)力會降低。因此，本文選取膜式水冷壁的1根管和鰭片在水冷壁管頂棚拐點附近的二維截面作為研究對象，其二維幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

爐膛內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的能量傳遞給膜式水冷壁管向火側(cè)，熱量通過膜式水冷壁管向火側(cè)壁面以導(dǎo)熱的方式向管內(nèi)壁和背火側(cè)進行傳遞，膜式水冷壁管內(nèi)壁面和管內(nèi)的微過熱蒸汽以強制對流的方式進行換熱［14］。背火側(cè)被隔熱保溫材料包覆，從而減少能量的損失，其邊界條件可設(shè)為熱絕緣。

鍋爐負(fù)荷為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（boiler maximum continuous rating，BMCR）。在BMCR、75%BMCR、60%BMCR、50%BMCR、40%BMCR、20%BMCR時，水冷壁管內(nèi)的質(zhì)量流速分別為1 015.39、761.54、609.24、507.7、406.16、304.62 kg/（m2·s），給水溫度分別為303.2、284.3、265.7、261.7、249.9、226.3 ℃，管外的熱流密度分別為80、67、51、45、37、21 kW/m2。

3 模擬結(jié)果及分析

基于理論模型和邊界條件，通過數(shù)值模擬的方法對CFBB負(fù)荷為BMCR、75%BMCR、60%BMCR、50%BMCR、40%BMCR、20%BMCR時的膜式水冷壁管進行計算，得到水冷壁管溫度分布、變形量分布、熱應(yīng)力分布，分別如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出：在BMCR、75%BMCR、60%BMCR、50%BMCR、40%BMCR、20%BMCR負(fù)荷下，CFBB膜式水冷壁管的溫度分布規(guī)律是一致的，水冷壁管的溫度分層分布，向火側(cè)的溫度明顯高于背火側(cè)的溫度。在CFBB深度調(diào)峰時，即由BMCR工況至20%BMCR工況時，水冷壁管的溫度變化由高到低；由20%BMCR工況至BMCR工況時，水冷壁管溫度變化由低到高。CFBB調(diào)峰時負(fù)荷不斷改變，必然會導(dǎo)致水冷壁管的溫度也不斷變化，交變的溫度變化會引起變形量的大小和熱應(yīng)力的交替變化，水冷壁管的屈服強度會降低。正常深度調(diào)峰時不會出現(xiàn)超溫的情況，但若出現(xiàn)燃煤比，一、二次風(fēng)比和給水不能及時匹配所在的負(fù)荷，水冷壁管有超溫的風(fēng)險。循環(huán)流化床長期運行，向火側(cè)水冷壁管會結(jié)垢和被煤粉等顆粒磨損。在深度調(diào)峰時，結(jié)垢的水冷壁管的溫度會更高，會對水冷壁管造成損傷，不利于鍋爐安全穩(wěn)定運行。

從圖3可以看出：由20%BMCR工況至BMCR工況時，膜式水冷壁管的最大變形量在逐漸增加。熱負(fù)荷由BMCR至20%BMCR和由20%BMCR至BMCR不斷變化時，水冷壁管變形量也在由大到小和由小到大不斷變化，每次的變形量雖未引起塑性變形，但長期積累會使水冷壁管屈服強度降低。水冷壁管向火側(cè)的變形量大，背火側(cè)的變形量較小，這是由于水冷壁管背火側(cè)有保溫材料限制水冷壁變形，水冷壁會向爐膛內(nèi)膨脹變形。一根水冷壁管的變形量很小，可整個CFBB爐膛有2 000多根管子，每根管的變形量疊加在一起是不容忽視的［15］。

由圖4可以看出：水冷壁管管壁的熱應(yīng)力分布是不均勻的，背火側(cè)水冷壁管與鰭片接觸的區(qū)域熱應(yīng)力比較集中，向火側(cè)水冷壁管的熱應(yīng)力相對較小。

膜式水冷壁管最大溫度和最大溫差隨熱負(fù)荷的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出：隨著熱負(fù)荷的增大，膜式水冷壁管的最大溫度和最大溫差也在逐漸增大，水冷壁的最大溫度和最大溫差與熱負(fù)荷的變化趨勢一致，水冷壁管的最大溫度與鍋爐熱負(fù)荷基本呈線性增加。在BMCR、75%BMCR、60%BMCR、50%BMCR、40%BMCR、20%BMCR負(fù)荷下，水冷壁管的最大溫度分別為431.53、414.43、391.06、375.67、360.42、328.85 ℃。由20%BMCR工況到BMCR工況，水冷壁管的最大溫度由328.85 ℃升至431.53 ℃，溫度上升102.68 ℃，水冷壁管的最大溫差由8.81 ℃升至29.37 ℃。深度調(diào)峰時，膜式水冷壁管的最大溫度和最大溫差均在BMCR工況，分別為431.53 ℃和29.37 ℃，水冷壁管的最高溫度和最大溫差均在管材所允許的范圍。

膜式水冷壁管最大熱應(yīng)力和最大變形量隨熱負(fù)荷的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出：隨著熱負(fù)荷的增大，膜式水冷壁管的最大熱應(yīng)力和最大變形量不斷增加。在BMCR、75%BMCR、60%BMCR、50%BMCR、40%BMCR、20%BMCR負(fù)荷下，水冷壁管的最大熱應(yīng)力和最大變形量分別為131、118、114、111、105、100 MPa和0.263、0.254、0.240、0.231、0.216、0.203 mm。在BMCR工況時，水冷壁管的變形量和熱應(yīng)力最大，分別為0.263 mm和131 MPa。深度調(diào)峰時，即熱負(fù)荷由BMCR到20%BMCR時，膜式水冷壁管受到的最大熱應(yīng)力和變形量逐漸降低；而熱負(fù)荷由20%BMCR到BMCR時，膜式水冷壁管受到的最大熱應(yīng)力和變形量逐漸升高。深度調(diào)峰時，水冷壁所受到的熱應(yīng)力雖然沒有超過水冷壁管材料的屈服強度和許用應(yīng)力，但隨著CFBB不斷進行深度調(diào)峰，即熱負(fù)荷長期在BMCR至20%BMCR和20%BMCR至BMCR之間變化，水冷壁管會受到交變的熱應(yīng)力，即使未超過屈服強度和許用應(yīng)力，常年累月的積累也必然會使水冷壁管產(chǎn)生疲勞損傷，嚴(yán)重時水冷壁會爆管，致使水冷壁管失效。

4 結(jié)論

1）CFBB深度調(diào)峰過程中，熱負(fù)荷由BMCR至20%BMCR時，膜式水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力都在逐漸減小。BMCR工況時，水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力最大，分別為431.53 ℃、0.263 mm、131 MPa，均在水冷壁管材允許的范圍內(nèi)。

2）熱負(fù)荷由BMCR到20%BMCR和由20%BMCR到BMCR不斷調(diào)峰的過程中，CFBB膜式水冷壁管的溫度、變形量和熱應(yīng)力在交替變化，水冷壁管在交變的溫度、變形量和熱應(yīng)力作用下疲勞損傷，不斷累積，最終會因疲勞而失效。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Thermal-stress Analysis of Water Wall Tubes of a CFBB

Under Deep Peak Shaving Operation

YU Tao1， QIAN Jin*1， WANG Yigui2， ZHU Daoxing2， LIN Zhiheng1， LUO Yun1， ZHAO Wei1

（1.College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China；2.Power China Guizhou Engineering Co.， Ltd， Guiyang 550025， China）

Abstract：

With the grid connection of a large number of new energy sources， when circulating fluidized bed boiler （CFBB） of thermal power unit is engaged in peak shaving， the load of the unit is constantly changing， and the safety of the unit is challenged. Therefore， it is necessary to study the temperature and stress of the heating surface tubes of the boiler during peak shaving. Through numerical simulation， the temperature， deformation and thermal stress of two-dimensional membrane wall tubes under deep peak-shaving operation are analyzed. The results show that the heat load under CFBB deep peak shaving increases from boiler maximum continuous rating （BMCR） to 20%BMCR， and the temperature， deformation and thermal stress of membrane wall tubes gradually decrease. Under the BMCR condition， the maximum temperature， deformation and thermal stress of the water-wall pipes are 431.53 ℃， 0.263 mm， and 131 MPa， respectively， all within the allowable range of the water-wall pipes. In the process of peak-shaving with the heat changing from BMCR to 20%BMCR and from 20%BMCR to BMCR， the temperature， deformation and thermal stress of CFBB membrane wall tubes are constantly changing alternately， and the fatigue damage of water-cooled wall tubes is constantly accumulating under the action of alternating temperature， deformation and thermal stress， and finally it fails due to fatigue.

Key words：

numerical simulation; deep peak shaving; circulating fluidized bed boiler; membrane wall tube; thermal stress

收稿日期：2021-12-17

基金項目：貴州省科技支撐計劃資助項目（黔科合支撐[2020]2Y040）

作者簡介：于 濤（1995—），男，在讀碩士，研究方向：熱能利用與節(jié)能工程，E-mail：yutao2024@126.com.

通訊作者：錢 進，E-mail：jqian@gzu.edu.cn.