锅炉膜式壁管屏的结构参数对温度分布的影响

刘友利，李映辉，袁继禹

(1.西南交通大学 力学与工程学院，成都　610031；

2.东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，成都　611731)



锅炉膜式壁管屏的结构参数对温度分布的影响

刘友利1,2，李映辉1，袁继禹1,2

(1.西南交通大学 力学与工程学院，成都610031；

2.东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，成都611731)

采用大型通用有限元软件ANSYS 对膜式壁结构进行了稳态温度场研究，分析了管子节距、管子厚度、扁钢厚度、销钉长度、耐火耐磨层厚度等参数对结构温度的影响。结果表明：在温度边界不变的情况下，结构尺寸变化对管子壁温的影响较小；扁钢中心温度受节距影响很大；销钉端部温度对销钉长度和耐火耐磨层厚度较为敏感。

膜式壁；温度场；有限元分析

锅炉膜式壁管屏从内向外分别由耐火耐磨层、鳍片管屏和保温层组成[1](如图1所示)，分离器内部烟气温度通过耐火耐磨层与管屏进行热交换，管屏再进一步将热量传递给管内蒸汽，实现热量的高效利用。在实际工程中，鳍片管的结构尺寸因结构布置和性能设计的需要而不同，鳍片管屏的温度作为材料和结构尺寸选取的依据之一，对结构设计有重要影响。

图1　管屏结构示意

国内学者对膜式壁管屏结构的温度进行了研究，但大多是不带销钉的膜式壁结构。戚光泽等[2]对锅炉螺旋管水冷壁在管内强迫换热和壁面非均匀热流密度情况的壁温进行了研究；范谨等[3]用解析方法对膜式水冷壁温度场进行了分析；付成双等[4]采用数值模拟和理论分析的方法研究了壁面降温对旋风分离器温度场及液滴分离规律的影响。

数值计算方法的发展和计算机软、硬件技术的进步，特别是现代大型有限元程序的商业化推广，为解决锅炉设计中复杂的力学和传热问题提供了便利。通过有限元软件，可以方便、准确地实现分离器管屏温度场计算。本文采用ANSYS[5]软件对鳍片管屏结构进行了稳态传热[6]分析，并通过参数化系列计算对管屏温度与结构参数之间的关系进行了分析。

1　膜式壁管屏温度场分布

1.1计算模型

由于主要关心炉内向火面的情况，为简化分析，将膜式壁管屏炉外侧保温层简化为绝热边界层。考虑管子轴向方向温度梯度较小，进一步将模型简化为二维热传导模型。采用8节点4变形网格划分模型，几何模型及网格划分情况如图2所示。

图2　几何模型和网格划分情况

烟气与耐火耐磨层、管子与管内蒸汽均采用对流换热边界，对称边界和分离器外侧管子表面采用绝热边界。

管子材料为20G，扁钢材料为20，材料热导率见表1[7]。耐火耐磨层为耐磨可塑料，材料热传导率取1.5 W/(m·K)。

表1　材料热传导率　(W·(m·K)-1)

1.2鳍片管结构温度场分布

经有限元分析计算，鳍片管屏及耐火耐磨层温度分布如图3所示。

从图3中可以看出:高温度区域集中在耐火耐磨层烟气侧表面，在该表面靠近销钉位置的温度比其他位置偏低，且在销钉角度较小的位置比销钉角度较大的位置温度低。这是由于耐火耐磨材料的热传导率远远低于钢的热传导率(约为1∶30)，销钉越接近耐火耐磨层表面，其温度梯度[8]越大，传递的热量越多，导致该区域温度相对较低。由于材料热传导率差异大，在管内介质对管屏结构的冷却和钢材的快速热传导共同作用下，使得管子和扁钢上的温度梯度较小。

图3　鳍片管屏及耐火耐磨层温度分布

管子内壁温度沿管子周向从背火面到向火面的分布曲线如图4所示(角度的起始点为背火面象限1号点)。由于靠近耐火耐磨层表面近的销钉温度梯度稍大，热量传递快，在管子靠近分离器内侧，焊有销钉A的管子温度比焊有销钉B的管子温度低。

图4　管子内壁温度分布

从扁钢中性层起，管子及扁钢靠近分离器内侧表面温度分布如图5所示。

2　不同结构参数对结构温度的影响

2.1扁钢厚度对结构温度的影响

在直接受热的鳍片管中，扁钢厚度对扁钢中心温度的影响明显。由于膜式壁内侧敷设了耐火耐磨材料，因此管屏不直接受烟气热流作用。以下分析了分离器鳍片管屏在耐火耐磨层隔离下间接受热时扁钢厚度对温度分布的影响。

将扁钢厚度范围设置为4～8 mm，其余结构参数和温度边界保持一致，得到管屏上不同位置温度随扁钢厚度的变化，如图6所示。

图5　管子及扁钢靠分离器内侧表面温度分布

图6　不同位置温度随扁钢厚度的变化

从分析结果得知：扁钢厚度变化对管子温度、销钉端部温度的影响很小(小于1 ℃)，扁钢中心温度受扁钢厚度变化的影响稍大，但影响幅度也较小(约5 ℃)。

2.2管子厚度对结构温度的影响

以下计算了管子厚度为4～8 mm情况下管屏上各位置温度随管子厚度的变化。计算过程中，管子外径和其他尺寸均不变，计算结果如图7所示。

随着管子厚度增加，结构上各位置的温度随之增加。这是由于计算过程中管子外径保持不变，厚度增加后管子内径减小，管壁与管内介质之间的换热面积减少。

图7　不同位置温度随管子厚度的变化

2.3管子节距对结构温度的影响

在鳍片管温度场分析中，节距对温度场分布存在影响。为了考察管子节距变化对结构温度场[8]的影响趋势，计算了节距为110～190 mm的温度分布情况。

图8显示了节距为11，150，190 mm时结构的温度场分布。随着节距增大，扁钢温度不断升高，结构上最大温度位置也发生变化，小节距时温度最大位置在销钉端部，而节距增大后温度最大位置移到扁钢中心。

图8　3种不同节距下结构温度场分布

图9显示了结构上不同位置温度随节距的变化曲线。随着节距增大，每个节距之间耐火耐磨层受热表面积增大，每根管子所需要吸收的总热量增加，结构上各位置的温度也都随之升高。从图9可以看出：随着节距增加，管子和销钉温度升高的幅度不大(10 ℃以内)，但扁钢中心温度升高幅度非常明显(约60 ℃)。节距增加后，管子和销钉与耐火耐磨层的接触面积不变，扁钢与耐火耐磨层的接触面积大幅增加，扁钢吸热量明显增大，而扁钢与管子之间的传热面积保持不变，因此，扁钢中心温度大幅升高。

图9　不同位置温度随节距的变化

2.4销钉长度对结构温度的影响

以上计算表明，销钉端部离耐火耐磨层表面越近，其温度越高。为了进一步研究销钉布置对结构温度的影响，本文计算了销钉长度在15～23 mm 变化时，结构上温度随销钉长度的变化情况，结果如图10所示。

图10　不同位置温度随销钉长度的变化

从图10可以看出：销钉长度对管子温度影响很小，而对销钉自身温度影响较大。销钉越长，其端部温度越高，销钉上温度梯度也越大。由于销钉倾斜布置，其长度变化会干扰扁钢吸热量，扁钢中心温度随销钉长度增加而降低。

2.5耐火耐磨层厚度对结构温度的影响

在其他因素不变的情况下，耐火耐磨层厚度由45～55 mm变化时，结构上各位置的温度变化如图11所示。

随着耐火耐磨层厚度增加，其表面与销钉端部的距离增大，因此，销钉温度受其变化的影响较为明显。结构上其他部位的温度也随耐火耐磨层厚度增加而降低，但其变化幅度不大(约2 ℃)。

图11　不同位置温度随耐火耐磨层厚度的变化

3　结论

1) 由于膜式壁内部敷设有耐火耐磨层，其受热情况与直接受热的管屏不同，该鳍片管结构上管子与扁钢之间的温度梯度很小；

2) 节距对管屏上扁钢中心的温度影响很大，在膜式壁管设计时应加以重视。节距对管壁和销钉温度影响较小；

3) 扁钢和管子厚度变化对分离器管屏上各位置的温度影响较小；

4) 销钉长度和耐火耐磨层厚度对销钉端部温度影响较大，对管壁和扁钢温度影响较小。

[1]车得福,庄正宁,李军，等.锅炉 [M].2版.西安：西安交通大学出版社,2008：243-249.

[2]戚光泽,朱国桢,周一工.600MW超临界压力锅炉螺旋管圈水冷壁壁温计算程序的研制 [J].锅炉技术，1997(11)：1-4.

[3]范谨,贾鸿祥,陈听宽.膜式水冷壁温度场解析 [J].热力发电，1996(3)：10-17.

[4]付双成,袁惠新,邹鑫，等.冷壁旋风分离器温度场的数值模拟研究 [J].矿山机械，2012(10)：84-86.

[5]黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[6]黄厚诚,王秋良.热传导问题的有限元分析[M].北京：科学出版社,2011.

[7]GB/T16507—2013，水管锅炉 [S].北京：中国标准出版社，2014：44-45.

[8]沈维道,童钧耕.工程热力学[M].4版.北京：高等教育出版社,2007.

(责任编辑刘舸)

Influence of Structural Parameters on Temperature Distribution at Boiler Membrane Wall

LIU You-li1,2，LI Ying-hui1，YUAN Ji-yu1,2

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Dongfang Electric Corporation, Chengdu 611731, China)

The steady temperature field of boiler membrane wall has been calculated and analyzed by using the general finite element calculation program ANSYS, including influence of structural parameters such as tube pitch, tube thickness, fin thickness, pin length, and thickness of fire/wear resistant material, and the results of which indicate that under the condition of constant boundary temperature, the structural parameters have relatively small influence on tube temperature, and the temperature at a fin center is much affected by tube pitch, and the temperature at the end of a pin is relatively sensitive to pin length and thickness of fire/wear resistant material.

boiler membrane wall; temperature field; finite element analysis

2016-05-22

国家科技支撑计划(2011BAC05B01)

刘友利(1980—)，男，陕西咸阳人，高级工程师，主要从事工程力学研究；通讯作者 李映辉(1964—)，男，四川南江人，教授，主要从事结构振动与控制，工程结构数值仿真，结构非线性动力学方面的研究，E-mail:yinghui.li@home.swjtu.edu.cn。

format：LIU You-li，LI Ying-hui，YUAN Ji-yu.Influence of Structural Parameters on Temperature Distribution at Boiler Membrane Wall [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):38-42.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.006

TG48

A

1674-8425(2016)09-0038-05

引用格式：刘友利，李映辉，袁继禹.锅炉膜式壁管屏的结构参数对温度分布的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(9):38-42.