火電蒸汽閘閥熱沖擊問題特性研究.pdf

1、火電汽輪機組中的管道與閥門等承壓設備長期處于高溫環(huán)境中，操作條件的變化使設備與蒸汽之間會產(chǎn)生較大溫差，在這種情況下蒸汽流動對閥門內(nèi)壁將產(chǎn)生熱沖擊效應，溫度的迅速變化使壁面產(chǎn)生局部瞬時熱應力。長期的熱沖擊作用導致沖擊位置熱應力反復出現(xiàn)最終產(chǎn)生熱疲勞，并在閥門相對的固定位置形成疲勞裂紋，造成閥門等設備的破壞失效。
　　閘閥是火電站機組系統(tǒng)中最常用的一種閥門，也是熱沖擊效應明顯的設備之一。本文結(jié)合火電站的運行特點，分析了火電機組調(diào)峰運行

2、以及啟動過程中的溫度波動，以及溫度波動對主蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)以及設備壽命的影響，得出溫度波動的范圍和分布特點，對主蒸汽管路和蒸汽旁路中應用的火電閘閥的安裝位置、工作參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特點進行了研究分析，并以某1000MW汽輪機組中主汽閘閥為例，得到工藝規(guī)定的閘閥內(nèi)外壁最大允許溫差值，為后續(xù)的研究分析提供了一定的工程依據(jù)和基礎。結(jié)合閘閥結(jié)構(gòu)特點和啟閉過程中的內(nèi)部流動特性，建立了節(jié)流、突擴和突擴節(jié)流三種閘閥通用簡化軸對稱模型，以描述閘閥在開啟過程

3、以及全開狀態(tài)下的流動特性，并對閘閥全開狀態(tài)下閘板對流動狀態(tài)的影響，進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的對比和研究，結(jié)論表明：在軸對稱模型中，閘閥全開后閘板對流道以及閥腔迎流面分布的流場影響可以忽略不計。以主蒸汽閘閥的為實例，分析了閘閥不同開度下的流場以及溫度場分布，并針對流速隨時間變化時全開狀態(tài)下閘閥的內(nèi)部流場分布進行了研究分析。結(jié)論表明：全開下的閘閥上端閥腔流速分布趨勢不受流速大小影響，全開閘閥迎流面附近的流場分布相對固定，閘板以及流速對該位置的流場

4、分布影響不明顯。
　　從場協(xié)同理論的角度研究分析了穩(wěn)態(tài)對流換熱的強化特性，通過流速矢量方向和傳熱矢量方向的場協(xié)同夾角，描述熱沖擊位置對流換熱的強弱程度。通過對軸對稱模型，在層流和湍流兩種流動形式下的協(xié)同場研究表明，迎流面上的協(xié)同場分布有具一定規(guī)律性。結(jié)合閘閥的實際結(jié)構(gòu)和工作特點，將閘閥內(nèi)部空腔簡化為矩形腔，建立了具有通用性的突擴、節(jié)流和全啟閘閥結(jié)構(gòu)模型，用以描述忽略閘板、閘閥未全開以及全開情況下的閘閥特征結(jié)構(gòu)，作為熱沖擊問題的研究

5、目標。通過對三種閘閥模型在Re=1?103、3?103、5?103、1?104、1?105和1?106共6種流動狀態(tài)下的協(xié)同場研究分析，得到關(guān)鍵位置的協(xié)同場分布情況，結(jié)論表明：沖擊迎流面上的協(xié)同場分布基本以層流和湍流狀態(tài)為區(qū)別分成兩種，湍流狀態(tài)下Re數(shù)的變化對協(xié)同場分布影響不明顯，即湍流狀態(tài)下熱沖擊產(chǎn)生的強化換熱分布位置相對穩(wěn)定。通過比對閘閥全啟狀態(tài)下的矩形腔和柱形腔結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明閘閥迎流面的結(jié)構(gòu)對協(xié)同場的分布影響不大。用迎流面上協(xié)同角

6、平均值表述熱沖擊的強弱程度，研究了閥腔容徑比ξ變化時迎流面上平均協(xié)同角的變化規(guī)律，結(jié)果表明：容徑比ξ增大時平均協(xié)同角隨之單調(diào)遞增，即隨著容徑比ξ的增大，迎流面上的場協(xié)同性減弱。通過閘閥穩(wěn)態(tài)流動協(xié)同場分布，描述了瞬態(tài)熱沖擊下的閘閥內(nèi)部對流換熱強化特性，對火電閘閥熱沖擊問題進行了簡化。
　　使用熱力學第一定律和熱力學第二定律描述熱彈性本構(gòu)方程，從能量的形式對熱彈性本構(gòu)方程進行了闡述。通過集總參數(shù)法確定了一維導熱過程達到熱平衡的時間，間

7、接表述了熱沖擊條件恒定情況下的一維平壁熱影響持續(xù)時間，為研究分析中時間域的確定提供了依據(jù)。對熱沖擊下對流換熱系數(shù)的變化趨勢進行了探討，并闡述了雙向熱沖擊下溫度場與應力場疊加法的應用。針對一維大平壁的雙向熱沖擊瞬態(tài)物理場的疊加問題進行了研究和分析，將熱沖擊溫度隨時間的變化方式分為恒定、線性變化、非線性變化、周期變化以及周期變幅5種，分別對在這5種方式下沿壁厚方向溫度分布和變化的瞬態(tài)特性，并得到相應的熱應力分布和變化的瞬態(tài)特性。結(jié)合火電主蒸

8、汽閘閥結(jié)構(gòu)和工作特點，在壓力與溫度均隨時間發(fā)生變化的條件下，研究和探討了熱-固-流多場耦合瞬態(tài)問題，比對后得出結(jié)論：閘閥空腔迎流面上的溫度和應力分布與強協(xié)同場的分布趨勢相同。
　　在熱沖擊下閘閥多場耦合研究的基礎上，進一步對熱沖擊位置上分布的最大溫差、平均協(xié)同角和最大等效應力等目標函數(shù)，與設計變量之間的響應關(guān)系進行了研究和探討，并得出了熱沖擊問題的優(yōu)化方向。建立了普適性較廣的熱沖擊簡化模型研究熱沖擊的優(yōu)化問題，對優(yōu)化過程中樣本空間

9、構(gòu)成的抽樣方法進行了研究和探討，并對響應面設計方法和蒙特卡洛設計方法的樣本空間構(gòu)成進行了對比，生成了熱沖擊簡化模型中目標函數(shù)與設計變量間的響應關(guān)系曲面圖，得到了各設計變量對目標函數(shù)擾動的敏感程度。通過多目標優(yōu)化得到了熱沖擊問題的優(yōu)化方向，并使用主蒸汽閘閥為分析目標，進行了優(yōu)化研究和分析。在閥門熱態(tài)實驗臺上，對蒸汽旁路閘閥進行了熱沖擊實驗，測得關(guān)鍵點的應力-時間分布關(guān)系，并與數(shù)值計算結(jié)果進行了對比，驗證了熱沖擊下閘閥閥體上的瞬態(tài)應力分布規(guī)