Теплогидравлический анализ неисправности котловой трубы

Eskom управляет 23 электростанциями в ЮАР общей мощностью более 42 ГВт. Он поставляет около 95% всей электроэнергии, потребляемой в стране. На одной из угольных электростанций часто наблюдались усталостные разрушения труб котла в бункерной секции (нижней части котла) всех шести энергоблоков.

Котлы были спроектированы со сложной опорной балочной конструкцией, которая поддерживает и окружает котел. Между конструкцией опорной балки или стойками и стенкой трубы существуют поворотные механизмы крепления, позволяющие учитывать тепловое расширение, сохраняя при этом достаточную поддержку со всех четырех сторон.

Во время запуска котел может расшириться вниз на метр. Опорные стойки соединяются в угловых местах бункера, где соединяются наклонные стенки и передняя/задняя стенки. Они соединяются друг с другом с помощью шарнирных элементов, называемых соединительными звеньями опор.

Эти соединения требуют изменения маршрута окружающих трубок передней/задней стенки, что приводит к разрывам в расположении трубок. При этих манипуляциях с трубками была выявлена ​​высокая частота отказов трубок, и эти области считались возможными местами с высоким напряжением.

Предполагаемая причина повторяющихся отказов трубок (рис. 1) заключалась в том, что циклическая работа станции для обеспечения увеличения прерывистой возобновляемой энергии и снижения спроса на электроэнергию в непиковые часы вызывала циклическую усталость материала труб. Поскольку установка была спроектирована для постоянной работы при полной нагрузке, циклическая усталость приводила к повреждению компонентов и проблемам с надежностью. Сбои привели к незапланированным остановкам, аварийному ремонту и непредвиденным расходам.

1. Усталостный отказ. На этом изображении показано типичное место отказа котельной трубы на заводе, принадлежащем Eskom. С разрешения: Flownex SE

Также считалось, что отложенный эффект подачи охлаждающей воды между двумя соседними котельными трубами разных трубных рядов может быть фактором, способствующим разрушению из-за термической усталости. Аргументация предполагала, что столб воды из выхода экономайзера сначала достигнет ближайшего ряда трубок, затем второго ряда и так далее. Утверждалось, что это вызовет значительную разницу температур жидкости между самой внешней трубкой первого ряда и соседней трубкой второго ряда.

Для проверки гипотез была разработана уникальная методология одностороннего взаимодействия жидкости со структурами (FSI) для моделирования и прогнозирования вызванной усталостной нагрузки во время цикла запуска котла. Поток жидкости и теплопередача были смоделированы с использованием инструмента одномерного моделирования потока в трубах, предоставленного Flownex Simulation Environment, и проверены на экспериментальных данных. Одномерный решатель потока представлял собой пакет программного обеспечения для моделирования терможидкостей, используемый для прогнозирования, проектирования и оптимизации скорости потока, температуры и теплопередачи в жидкостных системах. Односторонний подход к моделированию FSI позволил объединить переходную тепловую нагрузку или любой выбранный пользователем переходный процесс с программным обеспечением трехмерного анализа методом конечных элементов (FEA), поставляемым ANSYS, для оценки термического напряжения.

Половина из четырех стенок бункера котла была смоделирована для получения репрезентативной выборки всей секции бункера. Приборы, в том числе термопары и тензодатчики, также были установлены в смоделированной зоне секции бункера для получения измеренных данных установки. Модель Flownex состояла из 1219 трубок и 1858 вершин/узлов.

Способность Flownex фундаментально рассчитывать поведение потока и теплопередачи как жидкости, так и материала стенок труб в установившихся и динамических условиях была признана идеально подходящей для испытаний. Используя тот же профиль температуры на выходе из экономайзера, который был получен во время последовательности измерений на установке, вместе с скорректированными свойствами теплопередачи на стороне газа, был смоделирован сценарий динамического запуска для проверки результатов модели по сравнению с измеренными данными установки. Также был успешно смоделирован ряд других сценариев.

Результаты, полученные с помощью модели, очень хорошо соответствовали измеренным данным установки (рис. 2). Сильная корреляция позволила использовать модель для различных постулируемых условий станции и рабочих последовательностей. Результаты распределения температуры из Flownex были затем импортированы в ANSYS, где был выполнен анализ структурных напряжений (рис. 3).