600 MW机组启动分离器安全性计算与分析

徐海川， 孙海华， 殷士杰

(1.河南省电力勘测设计院, 郑州 450007； 2.陕西大唐新能电力设计有限公司, 西安 710032)



600 MW机组启动分离器安全性计算与分析

徐海川1， 孙海华2， 殷士杰1

(1.河南省电力勘测设计院, 郑州 450007； 2.陕西大唐新能电力设计有限公司, 西安 710032)

摘要：以HG1970/25.4-YM7型超临界直流锅炉的启动分离器作为研究对象，采用理论分析的方法，对以启动分离器为厚壁承压构件的压力容器进行了应力和安全性的研究，并探讨了其启动状态和正常运行的工作过程及特点，在分析时考虑内压荷载及热应力荷载。研究表明，启动分离器的应力及安全性满足要求。

关键词：启动分离器；安全性分析；理论分析；机械应力；热应力

对于超临界直流锅炉，启动分离器是连接水冷壁及过热器的枢纽。启动分离器的正常工作是过热器安全运行的重要保障，启动分离器的启动特性决定了蒸汽的参数(压力、温度)及蒸汽流量。它的稳定性和灵活性决定了直流锅炉在低负荷下的调节特性[1-2]。本文主要采用理论分析的方法对600 MW超临界机组启动分离器安全性进行分析，将其简化为厚壁圆筒模型，对各工况下启动分离器的壁温及其应力进行计算分析，从而对其各工况下安全性进行强度校核。

1启动分离器的结构及参数

本文研究对象是超临界直流锅炉的启动分离器(HG1970/25.4-YM7型)。启动分离器结构如图1所示。从水平烟道侧包墙和管束集箱出来24根汽水导管，每个启动分离器各有6根下倾15°的切向引入管在启动分离器的顶管引入，汽水混合物在分离器内高速旋转，并靠离心作用和重力作用进行汽水分离[3-4]。在启动分离器内的中部偏上位置设有脱水装置，其作用是消除介质旋转和向下的动能，使启动分离器及与之相连的储水箱中的水位稳定。在启动分离器的底端设有水消旋器并连接1根Ø324×50出口导管，将分离出来的水引至储水箱；在启动分离器的上端设有蒸汽消旋装置，并连接1根Ø324×50出口导管，每根出口导管通过6根Ø219×35的顶棚入口集箱连接管将蒸汽引至顶棚过热器入口集箱。

图1　启动分离器结构示意图

启动分离器为立体筒体，共4只，在锅炉前部的上方，距前水冷壁的中心线距离为3.575 m，启动分离器间的距离为5.25 m。启动分离器外径为610 mm，壁厚为65 mm，筒身高度为8.363 m，材料为低合金钢WB36(Ni-Cu-Mo钢)，每只启动分离器通过2根吊杆悬吊在锅炉顶板上。

2启动分离器的应力计算

2.1机械应力计算

由冷态启动曲线(如图2所示)，取6个点进行分析,其各自时间及其对应压力和温度列于表1。

图2　启动分离器冷态启动曲线简图

时间/min主汽压强/MPa分离器内壁温度/℃701.667203.0561105.278267.3831508.920302.7443508.920342.74441422.064413.9942324.167413.99

经过分析可知，机械应力最大的区域为内壁或外壁，则将内壁r=Rn、外壁r=Rw分别代入公式:

(1)

(2)

可以得出内外壁应力表达如下：

内壁：

(3)

外壁：

(4)

其中：k=Rw/Rn,Rw=0.305 m，Rn=0.240 m。

把表1中的参数代入公式(3)、(4)，可以计算出启动分离器各状态点的机械应力,如表2所示。

表2　启动分离器各状态点的机械应力　　　　MPa

2.2热应力计算

经过分析可知，热应力的最大点在内壁或外壁处，内外壁的热应力表示如下[5]：

内壁，即r=Rn处：

(5)

外壁，即r=Rw处：

(6)

把温度场的状态方程

(7)

以及结构尺寸，分别代入式(5)、式(6)，最后得：

内壁：

(8)

外壁：

(9)

式中：α为线膨胀系数；μ为泊松比，取值0.3；E为弹性模量；V为温变速率；a为导温系数，a=λ/ρc。

除径向热应力为0外，将各状态内外壁环向应力和轴向应力(且两者相等)列于表3，计算所需的热应力值。

表3　启动分离器各状态点的热应力　　　MPa

注：考虑开孔应力集中后的机械应力和热应力。

本文中，HG1970/25.4-YM7型超临界直流锅炉的启动分离器的最大应力集中在6根引出管连接处，且斜切52°,下垂15°，可以得出公式：

k=kt[1+(tanφ)4/3]=1.53k

(10)

从而得出机械应力的应力集中系数，如表4所示。

表4　应力集中系数　MPa

注：另径向温差产生的热应力集中系数可取为2。

2.3应力安全性分析

由于厚壁容器的机械应力和热应力均属于二次应力，两者可直接相加，得出综合应力值；为了方便安全性分析，计算出应力强度S3和S4,如表5所示。

表5　应力强度及应力汇总 　　　　　　　　　　　　　　　　　　MPa

由表5以及材料屈服极限的变化规律可知，最危险的点位于状态6纵截面的内壁。对此处进行校核：根据ASME规范，WB36的屈服强度σs为441 MPa,则根据许用应力[σ]=σs/ns，取ns=1.5，得到：[σ]=294MPa。在σmax处，S3=487.375MPa,S4=475.879MPa,均大于许用应力，表示不满足第三强度理论和第四强度理论。但是，作为二次应力，合成应力只需要满足安定性即可，而安定性指机构在载荷、温度等反复变化过程中，不发生塑性变形的持续循环[5]。根据安定性检验：

S3≤3[σ]

可知：此时的压力容器是安全的。

3结语

对HG1970/25.4-YM7型超临界直流锅炉的启动分离器的分析表明，启动分离器是安全的，虽然受到应力强度理论的限制，但亦是对应力分类理论的合理应用，并且充分利用了材料的潜力。从数据分析可知，启动分离器的主要影响应力是机械应力，尤其是在应力最大值(状态6)附近。但是，当压强很小时，热应力也会成为主要影响应力(状态1)，即当启动发生器状态异常或出现热冲击等使温变率很高时，热应力的值绝不可低估。这些计算与分析工作为启动分离器故障诊断与寿命分析系统提供了有效的理论计算支持，对于启动分离器的优化设计与选型也具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]施惠基,马显锋,于涛. 高温结构材料的蠕变和疲劳研究的一些新进展[J].固体力学学报,2010,31(6):696-715.

[2]谭蔚. 压力容器安全管理技术[M].北京：化学工业出版社，2006:14-30.

[3]李斌,贺林博,李建伟. 超临界锅炉冷态启动汽水分离器温度场和应力场的数值分析[J].电站系统工程,2011,26(2):16-18.

[4]杨震,史英铨. 1913tPAh超临界锅炉启动分离器的结构强度与寿命研究[J].动力工程.2006(4)：462-466.

[5]吴家龙.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，2010:18-21,152-153.

(责任编辑：陆俊杰)

The Security Calculation and Analysis of 600MW Supercritical Starting Vessel

XU Hai-chuan1， SUN Hai-hua2， YIN Shi-jie1

(1.Henan Electric Power Survey & Design Institute， Zhengzhou 450007;2. Shaanxi Datang Nnergy-saving Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Abstract:The article has taken the supercritical starting vessel of HG1970/25.4-YM7 as the concrete object. By theoretical analysis’s method, the stress and secure research has been carried out in the starting vessel as the thick-walled pressure vessel. For its start-up and normal operation of the working process and features and considering the internal pressure load and thermal stress loading conditions, the initiation of separation stress and security analysis have been carried out about the starting vessel. And the result meets the requirement.

Key words:starting vessel; security analysis; theoretical analysis; mechanical stress; thermal stress

中图分类号：TK229.2

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.008

文章编号：1671-6906(2016)01-0033-04

作者简介：徐海川(1985—)，男，河南潢川人，硕士，主要研究方向为火力发电机组技术研究与设计。

收稿日期：2015-09-20