目标驱动优化在余热锅炉蒸汽管道三通热应力分析中的应用

何家胜 江 轲 王庆韧

（武汉工程大学机电工程学院）（广东惠州天然气发电有限公司）

目标驱动优化在余热锅炉蒸汽管道三通热应力分析中的应用

何家胜*江 轲 王庆韧

（武汉工程大学机电工程学院）（广东惠州天然气发电有限公司）

运用有限元方法分析了余热锅炉在25%负荷波动时温度应力对整体应力的影响。在余热锅炉25%负荷波动的条件下，考虑温度应力的影响，找出了最大等效应力随主管、支管的内径及壁厚的变化规律。以主管、支管的内径及壁厚为变量，运用目标驱动优化的方法，在给定范围内找到了使三通最大等效应力为最小的内径和壁厚。

管道 三通 热应力 有限元 目标驱动优化 余热锅炉

0 引言

余热锅炉是液化天然气（LNG）电厂的重要组成部分，余热锅炉通过余热回收可以生产热水或蒸汽供给其它工段使用。三通是余热锅炉蒸汽管道的重要组成元件。由于三通主管与支管连接处的结构以及应力的不连续性，使三通的主管与支管相贯处附近成为蒸汽管道中应力集中较大的部位[1]；当三通元件在高温高压并伴有周期性变化载荷的环境中长期运行时，在锅炉启、停及调峰过程中，其热应力会发生变化，甚至会对蒸汽管道的寿命造成至关重要的影响。

余热锅炉在启动、停机或负荷变化过程中，由于温度变化而产生的膨胀或收缩变形为热变形。当零部件的热变形受到某种约束时，则会在其内部产生应力，即为热应力。在三通管道中，由于蒸汽的温度变化使得管道承受很大的热应力，而管道连接处应力往往不连续，即出现局部应力最大值，甚至可能会在焊缝处形成裂纹，导致管道内的蒸汽泄漏。余热锅炉管道蒸汽一旦泄漏，会导致灾难性和破坏性后果，轻则汽机停机，重则管道爆炸，给企业带来不可估量的损失。但是，传统的设计方法不能准确计算在温度和压力共同作用下三通结构不连续处的应力。本研究采用有限元方法对LNG余热锅炉的三通管道进行温度场和热应力分析，找出温度场和热应力的分布规律，从而求得在给定范围内使三通最大等效应力为最小时主管、支管的管径和壁厚。

1 有限元分析及优化

以某LNG电厂余热锅炉三通蒸汽管道作为研究对象，由于三通管道结构几何形状不连续，往往在相贯线的拐角处会形成很大的应力集中，导致即使管道在正常工作条件下运行，该处的应力也可能达到屈服状态。余热锅炉的循环方式主要有冷态启动、温态启动、热态启动、50%负荷波动、25%负荷波动5种，本文选取了最常见的25%负荷波动时的运行方式进行分析。

由于实际情况为上千根鳍片管并排传热，本文仅从余热锅炉的主管、支管结构中选取其中的一个三通管道作为分析对象，对其施加边界条件进行分析。三通管道的基本参数如表1所示。

表1 三通管道基本参数

本文采用ANSYS Workbench软件中的Design-Modeler模块进行参数化建模，以便后续对模型进行优化时做相应的调整。用Mechanical对建好的模型进行网格划分。焊缝处是主要的研究区域，因此在焊缝位置网格划分相对较密。模型及网格划分如图1所示。

1.1 温度波动产生的热应力

在整个装置运行时，温度和压力不是一成不变的，在余热锅炉负荷发生变化时，三通的应力也会随之改变。

图1 模型及网格划分

25%负荷波动时，即燃机负荷波动，锅炉操作压力从100%（0.67 MPa） 降低到75%（0.51 MPa）左右，然后再回到100%（0.67 MPa）。在压力为0.51 MPa，环境温度为163.8℃，三通管内温度为151℃时，三通管道的最大等效应力为53.3 MPa，如图2所示。当压力从0.67 MPa降到0.51 MPa时，由压力变化产生的最大等效应力下降了31.67 MPa；当环境温度为163.8℃，三通管内温度从163.8℃降到151℃时，由温度变化产生的三通管道最大等效应力达到了33.86 MPa。在该工况下，三通管道内由温度变化产生的最大等效应力为由压力变化产生的最大等效应力的1.069倍。所以，三通管道内由温度变化产生的热应力在余热锅炉负荷波动时所占比例较大，不能忽视其存在。

图2 25%负荷波动时三通的最大等效应力

1.2 优化设计

对25%负荷波动条件下的余热锅炉三通管道进行优化分析，选取主管、支管的内径及壁厚作为变量[2]，分析每个变量对三通管道最大等效应力的影响，最后使用ANSYS Workbench的目标驱动优化（Goal Driven Optimization）模块，综合分析在四个变量的影响下，其最大等效应力的最小值，并找出最佳的管径和壁厚。

从图3（a）可知：随着主管内径的增大，最大等效应力先减小后增大，然后减小再增大，没有表现出明显的变化规律。主管内径为31 mm时，最大等效应力达到最小值，为52.5 MPa。但主管直径的取值需综合考虑。

从图3（b）可知：随着支管内径的增大，最大等效应力逐渐增大，从减小最大等效应力的角度考虑，支管内径越小越好，但是支管内径过小，会造成支管内流量减小或支管内流体压降增大，因此支管内径不是越小越好，需综合考虑。

图3 最大等效应力影响因素曲线

从图3（c）可知：随着主管壁厚的增大，最大等效应力先减小后增大，当主管壁厚为7 mm时，最大等效应力达到最小值，为48.39 MPa。

从图3（d）可知：随着支管壁厚的增大，最大等效应力先减小后增大，当支管壁厚为5 mm时，最大等效应力达到最小值，为50.79 MPa。

上面分析了每个变量对三通最大等效应力的影响，虽然其等效应力的变化并不是单个变量影响的简单叠加，但是能作为设计时的参考。ANSYS Workbench提供了目标驱动优化模块，该模块可计算在一定约束条件下最优的目标值。

上面已经运用参数化建模，设主管内径为P1，支管内径P2，主管壁厚P3，支管壁厚P4，设置最大等效应力为P5。进入Goal Driven Optimization模块，设定目标参数为Minimize P5，条件为 30≤P1≤35， 20≤P2≤25， 4≤P3≤8， 4≤P4≤8， P2≤P1，P4≤P3。系统选取100个设计点进行计算[3]，最后得出三个候选点，如表2所示。

经优化计算后，再结合实际情况，选取表2中第2组候选点并进行取整，得到主管内径为33 mm、支管内径为20 mm、主管壁厚为7 mm、支管壁厚为7 mm。然后，经计算得到该条件下的最大等效应力为46.04 MPa，如图4所示。该值比优化前的最大等效应力53.3 MPa降低了13.6%。这一结果对实际工程有积极的指导作用。

表2 最优化候选点

图4 优化后25%负荷波动时三通的最大等效应力

2 结论

本文运用有限元方法分析了余热锅炉在25%负荷波动时温度应力对整体应力的影响。

（1）余热锅炉在25%负荷波动时，必须考虑温度产生的热应力的影响，因为三通管道内由温度变化产生的最大等效应力为由压力变化产生的最大等效应力的1.069倍，这对三通管道整体的等效应力有较大的影响。

（2）以三通管道主管、支管内径及壁厚作为变量，通过ANSYS Workbench对三通进行优化设计，最终选取主管内径为33 mm，支管内径为20 mm，主管壁厚为7 mm，支管壁厚为7 mm。优化设计后的最大等效应力比优化前减小了13.6%。

[1]张锋，刘月明，楼俊.高温压力管道三通接头的应力应变分析及仿真 [J].中国计量学院学报，2011，22（4）：356-360.

[2]刘昌领，罗晓兰，叶道辉，等.采油树输油管道三通应力分析与结构优化 [J].机械制造，2013，51（7）：5-9.

[3]程小明，王晓红，陈建魁.基于UG和ANSYS Workbench的对辊辊形优化 [J].机械与电子，2013（5）：3-7.

Application of Goal Driven Optimization in Thermal Stress Analysis of Tee in Waste Heat Boiler Steam Pipe

He Jiasheng Jiang Ke Wang Qingren

The influence of temperature stress on the whole stress of waste heat boiler under 25%load fluctuation was analyzed by the finite element method.Under the condition of 25%load fluctuation in waste heat boiler,considering the influence of temperature stress,the change rule of the maximum equivalent stress with the inner diameter and the wall thickness of the main pipe and the branch pipe was found out.Taking the inner diameter and the wall thickness of the main pipe and the branch pipe as variables,the corresponding internal diameter and wall thickness of the tee maximum equivalent stress were found in the given range by means of the goal driven optimization method.

Piping;Tee;Thermal stress;Finite element;Goal driven optimization;Waste heat boiler

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.003

*何家胜，男，1958年生，硕士，教授。武汉市，430205。

2016-12-20）