火力发电厂热力管道的改造.pdf

火力发电厂热力管道的改造 周渝 ， 李余德 ， 应学军 ， 郭同林 ， 张春晖 1 ． 上海交通大学 ， 上海2 0 0 2 4 0； 2 ． 大唐国际发 电股份有限公司 ， 北京1 0 0 1 4 0 ； 3 ． 中铝山西分公 司， 山西 河津0 4 3 3 0 4 ； 4 ． 国电集团公司 滦河发电厂 ， 河北 承德0 6 7 0 0 2 摘要 通过应用管道应力计算方法、 欧拉公式以及管 内强制对流换热等传热学理论 ， 解决 了某 电厂 热力管道运行中出现的变形过大、 应力分布不均的问题。文中， A S ME判断式被用于初步考察管系 自补偿能力。为验证改造的有效性 ， 应用 A N S Y S软件对改造前后整个管系进行数值模拟 ， 通过瞬 态热分析和热应力、 应变分析， 对比相关数据后证 明改造措施合理有效。 关键词 热力管道； 应力 ； 变形； 自补偿 ； A N S Y S 中图分类号 T K 1 7 2 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 o 4 0 0 2 0 0 7 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 0 9 ． 0 4 ． 0 0 5 Re t r o fit o f a S t e a m Pi pe l i ne i n a Th e r m a l Po we r Pl a n t Z HOU Y u ， L I Y ud e ， Y I N G X u e j u n ， GU O T o n gl i n ， Z HA NG C h u n h u i 1 ． S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a ； 2 ． D a t a n g I n t e r n a t i o n a l P o w e r G e n e r a t i o n C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 1 4 0 ， C h i n a ； 3 ． C h i n a A l u m i n u m C o r p o r a t i o n ， H e j i n 0 4 3 3 04 ， C h i n a ； 4 ． C h i n a G u o d i a n G r o u p C o ． ， L u a n h e P o w e r P l a n t ， C h e n g d e 0 6 7 0 0 2 ， C h i n a Abs t r ac t Pi pe l i n e s t r e s s c a l c u l a t i o n a n d Eul e r f o r mul a．a s we l l a s t h e t h e o r y o f f o r c e d c o n v e c t i o n he a t t r a n s f e r i n t ub e，a r e us e d t o s o l v e t h e p r o b l e m o f l a r g e d e f o rm a t i o n a n d un e v e n d i s t r i b ut i o n o f s t r e s s wh i c h o c c u e d i n t h e r ma l p i p e l i n e o f a po we r p l a n t ．AS ME f o r mu l a i s a l s o p e r f o rm e d t o d e t e rm i ne pi p i n gc a p a c i t y o f s e l fc o mp e ns a t i o n．Ba s e d o n t h e r e s u l t s o f ANS YS fin i t e e l e me n t a n a l y s i s ，t h e i mp r o v e d s t r u c t u r e i S v e r i fie d t o b e e f f e c t i v e ． Ke y wor ds h e a t p i p e l i n e； s t r e s s ； d e f o rm a t i o n； s e l fc o mp e ns a t i o n； ANS YS 1 引言 高温高压管道运行工况复杂， 热变形明显， 约束 不当会造成较大热应力。设计和安装不合理极易影 响整个火力发电厂的安全运行。近年来 ， 国内外许 多学者都在研究如何布置热力管道。如文献[ 1 ] 论 述了管道设计 中的热补偿 问题 ； 文献 [ 2 ] 研究 了两 种不同程序计算管系热应力的优劣等。除传统的热 变形补偿和热应力研究外 ， 一些学者还从新的视角 去研究管道设计和改造， 例如文献[ 3 ] 研究了有限 空间内管道的最优化路径 问题 ； 文献 [ 4 ] 研究了在 地震威胁下的管道设计； 文献 [ 5 ] 从热力学第二定 律为基础的火 用 经济学原理出发， 从受益角度对热力 管道及其保温层进行 了同步设计。 文中应用管道应力计算方法、 欧拉公式以及管 内强制对流换热等传热学理论， 分析了某电厂热力 管道出现变形 明显 、 应力过大的原因， 并提出改造方 第 2 6卷第4期 压 力 容 器 总第 1 9 7期 案。为证 明改造方案的有效性 ， 应用 A S ME判断式 来考察改造前后管系的 自补偿能力 ， 并利用 A N S Y S 软件对管系进行数值模拟。 2工程概况 分析对象为中国北方某公司热电分厂的减温减 压器管道。该减温减压器管道采用母管系统布置， 各分管道与母管相连 ， 一直不能正常运行 ， 主要表现 为管道弯 曲上翘 ， 变形严重 ， 最大处竖直方向变形约 为9 5 m m， 出现在上层 水平管道距管 系最 左端 1 1 0 0 0 m m附近 ； 管道 载荷和热应力分 布不均 ， 给减 温减压器安全运行造成极大隐患。管道体系如图 1 所示 。 图 1 减 温减 压管道不 意 图 1中， 实心三角形为固定支座 ， 空心三角形为 况下管道热应力和变形时， 安全阀门可以忽略； 流量 仅起支撑作用 的简单支座 ， 管道分别布置在上下两 计、 减温水管道等截面尺寸相 比管道要小得多 ， 可以 层空间内， 设备停运时均放置于楼面的支座上 ， 其中 不计。简化后 ， 管道 可等效为变截面积 的空心 圆柱 上层管道 中轴线与上层楼面 的距离 约为 6 0 0 mm。 形梁。 管道外壁为 1 8 0 m m厚的硅酸铝纤维棉保温层 ， 保 又因为整个管系分布于上下两层 ， 管道在 A处 温绝热性 能 良好 ； 管道规格 分别 为 2 0 m m 1 6 穿过楼面进入 下层 见 图 1 。由于楼 面作用 ， A处 m m、 0 3 2 5 mm1 3 mm， 材料为 1 2 C r l Mo V G； 管 内流 管道无法在 ， z方 向变形 ， 仅在 y方 向存在 自由 体为 3 1 2 高温高压 水蒸气 ， 工 作环境温度 为 5 0 度 ， 而出现问题 的管道均布置于上层 ， 因此， 如 图 2 a I 。管道上还分布了流量计、 减压阀、 安全阀等附属 所示 ， 文中仅以上层管道为研究对象， 而将下层管道 设备。 和上层楼 面的影响等效于在 A点施 加一个 ， z方 3结构模化 3 ． 1 模 型 简化 首先 ， 根据现场情况 ， 除管系两端支座为固定支 架外 ， 沿水平管道布置的其他支架仅起竖直 向上支 撑的作用。设备运行中， 由于水平管道弯曲上翘， 脱 离支架， 沿上层管道布置的4个简单支架未提供支 反力 ， 分析过程中可忽略不计。 其次， 对附属设备进行了简化， 其中减压阀处于 整个管系前部， 热位移贡献小， 可视为一个内压跳变 点 ； 安全阀门仅在事故工况下开启 ， 只考虑非事故工 向固定约束 、 y方向有一定位移载荷 V的边界条件。 易知 V≤ Z ， Z 3 1 6 0 m m， 在本节中， 均取 1 3 ． 5 5 1 0 ～／ C， t 2 6 2 o C， 可得 V1 1 ． 1 mm。 图 2 简化后管系示意 3 ． 2 问题分析及改造方案 如图3所示， 将管系变形分解为以下两项 1 变形 I， 仅考虑 水平管道 12热膨胀 ， 即 21 C P Ⅵ’ 火力发电厂热力管道的改造 V o 1 2 6 ． N o 4 2 0 0 9 由于管系在 3处受到楼面约束 ， 水平管道 1 2产生 明显弯曲变形 ， 进而使管道 2 3在 3处出现较大热 应力 ； 2 变形 Ⅱ， 仅考虑竖直管道 23热膨胀 ， 即 竖直管道 2 3受热膨胀并对水平管道 1 2在 2处 施加竖直向上位移载荷 。 y ▲ L 实 际 变 形 变 形I 变 形II ． 对于变形 I ， 假设管系正常工作条件下管道 1 由传热学 可知， 管壁内温度 嚣 为 c ln ro - ln r2 3 Y in it“0 ctl“0 ㈩ 示 ，管 道一 在 方 向 的 长 度 是 一 定 的 。 令 F 为 - l“ 管道 2 3对管道 1 2在 X方向的内力分量 ， 查表 式 中△ 内外壁温差 可知管道 2 3许用应力 [ ]1 5 0 ． 9 2 MP a [ 6 ] ， 抗拉t o 内壁温度 强度为 4 7 0 6 4 0 MP a ， 惯性矩为 ， ， 抗弯截面系数为 将式‘ 代入式 3 得 ／ 2 3 3 ⋯ m m 。 、 一 一 m m， 杨氏模量 E1 ． 9 51 0 MP a 。由材料力学知 ～ ． 识 可知 ， 管道 2- 3因管道 1 2受热膨胀而形成 r 5 的热应力最大值出现在 3处 ， 即 其中 ， ≤[ ] A n r 0 f 0 6 ≤ 1 一 r o F 2 r r r d rF r o 又因为 I ，所 以 d F { 一 l n r o -t o ] 图 4 管道保持水平 的管系结构 代人数据后 ≤O ． 4 5 m m， 即使采用抗拉强度作 为许用应力 ， 6亦小于 1 ． 9 m m， 正常情况下， 管道 2 3在 2处允许的横向位移相 比整个管系变形都属 小量 ， 因此本文将管道 1 2的 2端保守地近似为固 定端。又因为管系运行时 ， 管道 12向上弯 曲， 与 简单支架脱离。所以， 管道 1 2 简化为仅在 1 点和 2点受固支约束的力学模型。 对于这个两端固定的空心管道模型， 其固定端 轴 向热应力为 [ r o d 3 式 中r 0 管道内壁半径 d 壁厚 2 r 0 dd 1 T △ 2 r 0 dd 1 I n r n d 一 ] } 6 管道启动阶段 ， 由于减温减压器喷口老化 ， 减温 水和高温蒸汽无法有效换热 ， 管道 1 2有明显上热 下冷的现象 ， 热膨胀不均匀 ， 造成管道向上弯曲。由 欧拉公式 们 可知， 两端固定的细长管道保持弯曲状 态需用的最小临界力 F ， r 2 E ／ 7 其中 ， 为空心管道惯性矩 。因此 ， 要使稳定后 弯曲现象消失， 管道仍然保持水平， 其两端所受的约 束反力 F须小于 ， ， 即 I FI 2 ． 0 8 ， 不满足 电力 工业标准对 管道柔性 的要求 ， 而改造 后管系 D △ ／ 三一U 0 ． 7 22 ． 0 8 ， 符合该规定。需要说 明的 是 ， 改造 前 管系 存在 两 种不 同管径 的管道 ， 应用 A S ME公式时 ， 文中代人的是较小管径 ， 即 3 2 5 mm。 观察 A S ME公式可知， 管径越大 ， 计算值越大 ， 所 以 改造前管道实际的 A S ME结果应大于 5 44． 2 2 。 4 数值模拟 为验证改造方案的正确性 ， 利用 A N S Y S软件对 管系进行数值分析 ， 计算了管道温度场和热应力 、 热 变形分布。管壁及保温层材料的各项物性参数如表 1 ， 2所示。 表 1 硅酸铝纤维棉保温层材料参数 温度 t o C 2 0 1 4 0 2 4 5 3 5 0 4 0 0 4 4 5 8 0 o 导热系数 A [ W／ m ℃ ] 0 ． 0 3 4 5 0 ． 0 9 3 0 ． 1 5 4 比热容 C [ J ／ k g ℃ ] 8 4 9 ． 9 9 8 8 ． 1 1 0 5 0 ． 9 __ l 0 8 8 ． 6 ● 密度 P k g ／ m 1 2 9 改造前后 管系共 出现三 种不 同尺 寸管道 ， 即 0 3 2 5 mm1 3 m m， 0 3 2 5 m m2 5 mm和 7 2 0 m m 1 6 m m管道。工程中， 管道变形常形成于管系启动 阶段， 为提高数值模拟的准确性， 文中采用瞬态分析 方法对管系启动过程进行动态模拟 。为得到温度边 界条件 ， 首先对管道进行 了瞬态热分析。考虑到管 道保温层绝热性能 良好 ， 绝热层外壁可设定为恒温 5 0℃， 管内高速流动着 3 1 2 oC的高压水蒸气， 应用 管内强制对流换热知识 计算三种管道 内壁和外 壁的温度随时间变化情况如图 6 8所示。 由图68可知 ， 三种管道温度场的稳定时间分 别约为 3 0 0 ， 1 2 0 0和 9 0 0 s 。而且稳定后 ， 管道 内外 壁温度均趋 于一致 ， 这也证 明在推 导式 9 过程 中 规定内外壁温差 △趋近于零的合理性。 在管道热应力 、 应变计算中， 选取壳单元划分网 格 ， 改造前后 单元 总数 分别为3 1 4 4 个和8 2 8 8 个 。 ． 23 ． 火力 发电厂热力管道 的改造 V o W 6 ． N o 4 2 0 o 9 表 2 管道材料 1 2 C r l Mo V G参数 温度 t ℃ 2 0 l 0 o 2 0 o 3 0 0 4 0 O 5 0 0 导热系数 A 4 5 ．2 4 2 ． 7 4 0 ． 5 3 7 ． 7 [ W／ m ℃ ] 线膨胀系数 1 3 ，O 3 l 3 ． o 3 l 3 ． 3 6 l 3 ． 5 5 l 3 ． 8 3 1 4 ． 1 5 1 0 “／ ℃ 杨 氏模量 E 2 ．1 4 2 ． 1 1 2 ． 0 6 1 ． 9 5 1 ． 8 7 1 ． 7 9 1 0 MP a 泊松 比 D ． 2 8 6 D ． 2 8 9 0 ． 3 0 0 0 ． 3 1 9 0 ． 2 9 8 0 ． 3 0 l 比热容 C 5 8 6 6 1 l 6 5 3 6 8 2 [ J ／ k g ℃ ] 密度 P k g ／ m 。 7 8 6 0 赠 时间 s 图6 0 3 2 5 mm1 3 m m管道温度变化 图 7 0 3 2 5 m m 2 5 mm管道温度变化 考虑到管道启动阶段温度场不断变化 ， 改造前后结 构分别以0～ 9 0 0 s 和 0～1 2 0 0 s 为分析区间， 均以 1 s 为步长。在管系左端施加 固定约束， 右端施加 ， z方向固定约束和 l ， 向位移载荷 1 1 ． 1 m m， 并代人 图6～ 8所示的温度场。热应力分析有限元模型如 图 9 ， 1 0所 示 。 图 1 1给出了改造前后管道 1 2在 方向热应 力的变化过程 ， 改造前水平管道 1 2热膨胀受到竖 直管道 2 3制约 ， 最大约束力达 1 3 1 5 ． 1 5 k N， 而改 ．24 ． 图 8 0 7 2 0 m m1 6 m m管道温度变化 图 9 改造前管道有限元模型 图 1 0 改造后管道有限兀模型 造后水平管道 1 2所受 方向最大应力仅为 4 2 ． 2 k N， 不足改造前的 3 ． 5 ％ ， 水平管道受竖直管道约束 力大大减小。改造前 ， 水平管道 1 2的边界条件近 似于两端 固支 ， 管系自补偿能力弱。而改造后 ， 如图 1 2所示 ， 水平管道 1 2的后续管系产生明显变形 ， 有效释放管道 1 2的热膨胀 ， 边界条件 由改造前的 两端刚性约束变为一端刚性约束一端柔性约束。而 且后续管系约束较少 ， 虽承受较大的变形却不产生 明显热应力 ， 亦不影响管 系正常运行 。 第 2 6卷第 4期 压 力 容 器 总第 1 9 7期 喜 綦 匠 蛰 捌 蜘 O 6o o 1 2 o o 时间 s 图 1 1 改造前后水平管道 1 2受竖直管道轴向约束力 图 1 2 水 平管道 1 2 后 续管系变形 从图 1 3 ， 1 4可知 ， 由于约束条件的改善 ， 改造后 水平管道最大热变形 随时 问变化量 和稳定后 的 方向热膨胀量都比改造前大。改造前水平管道 1 2长达 1 6 4 1 0 mm， 其热应变仅 为 2 ． 1 21 0 一， 热变 形不能 有效 释放 ， 改 造后 水 平管 道 12缩 短 至 1 2 4 1 0 m m， 热应变却达到改造前 的 1 ． 6 5倍， 管系柔 性得到加强 。 言 邑 逗 蛰 言 暹 蛰 距 管系左端距 离 mm】 图 l 3 稳定后水平管道 方向变形 时问 s 图 l 4 水平管道 X方 向最大变形 的变化 在上述措施综合作用下 ， 如 图 1 5所示 ， 相 比改 造前结构， 改造后水平管道 1 2竖直方向变形微 弱 ， 与下层管系相连的竖直管道亦无 明显变形 。在 受约束管段 ， 管道变形小 ， 热应力低 。管系通过未约 束管道变形 ， 吸收 了整个管系的热膨胀能量 ， 使管系 正常发挥作用 。 图 l 5 改造前后水平管道 Y方向变形云图 图 1 6 ， 1 7则显示 了水平管道 1 2变形的具体 m m处 ， 达到 9 4 ． 9 mm， 与现场 观察 的情况基 本相 数据， 由此可知， 在稳定后管道变形情况和最大变形 符， 这也证明本文在结构模化和数值模拟方面思路 随时间变化两方面， 改造后结构均具有优越性。改 的正确性。改造后的水平管道 y方向最大变形出 造前水平管道最大变形 出现在距管系最左端 1 0 8 0 0 现在距最左端 1 2 2 0 0 m m附近 ， 约为 1 1 ． 8 m m， 相 比 25 C P V T 火力发电厂热力管道的改造 V o 1 2 6 ． N o 4 2 0 o 9 改造前降低 了 8 7 ． 5 7 ％ ， 极大改善 了水平管道 l ， 方 向变形巨大的情况。 言 邑 制 匠 蛰 5结 论 距管系左端距离 ra m 图 l 6 稳定后水平管道 y 方向变形 时间 s 图 l 7 水平管道 y方向最大变形的变化 文中对减温减压管道 出现的变形过大、 应力分 布不均的问题 ， 在利用欧拉公式 、 管道应力计算方法 和管 内强制对流换热理论 的基础上 ， 通过改变竖直 管道走 向、 减小水平管道跨度以及改善约束条件对 管系进行改造 ， 并用 A S ME判断式对管系 自补偿能 力进行初步判断， 最后应用 A N S Y S软件对改造管系 进行数值模拟。从模拟结果可知， 经过改造， 水平管 道 y 方向最大变形 由改造前的 9 4 ． 9 m lT l 降低为 1 1 ． 8 mm， 降幅达 8 7 ． 5 7 ％ ； 连接上下楼层 的竖直管 道在 方 向的变形基本消除， 水平管道的热膨胀可 以有效释放。 该厂的减温减压管系按照本文给出的方案改造 后， 已安全、 可靠运行一年有余， 实践表明本次改造 是成功的。 2 6 经过本次改造 ， 得出下列结论 1 管系不宜采用平面大跨度布置， 两端 固支 管道的最大长度与管径和壁厚成正 比， 与热膨胀系 数和温差成反 比； 2 管系仅有简单支撑约束时 ， 连接不 同高度 水平管道的竖直管道应合理布置 ， 避免 由于竖直管 道变形而对上层水平管道施加位移载荷 ； 3 高温高压 管道产生 的热位移不可忽略， 设 计安装时应尽量安排 管道柔性约束 ， 使其热位移能 有效释放 ， 以免产生过大应力。 参考文献 [ 1 ] 董同武． 热力管道的补偿设计及典型问题分析[ J ] ． 石 油化工设备， 2 0 0 5 ， 3 4 1 3 8 4 0 ． [ 2 ] 赵经涟． 热力管道应力分析计算及其计算机程序[ J ] ． 化肥设计 ， 2 0 0 0 ， 3 8 2 22 4 ． [ 3 ] Y A MA D A Y， T E R A O K A Y ． A n O p t i ma l D e s i g n o f P i p i n g R o u t e i n a C A D S y s t e m f o r P o w e r P l a n t [ J] ． C o m p u t e r s Ma t h e m a t i c s w i t h A p p l i c a t i o n s ， 1 9 9 8 ， 3 5 6 1 371 3 9． [ 4 ] He e C h e o l C h o ， I nY e u n g K i m， S o o nC h u l Y u n ， e t a1． T h e O B E E l i mi n a t i o n i n P i p i n g D e s i gn[ J ] ． N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d 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