摘要
近几年，在“碳达峰，碳中和”的大背景下，我国超/超临界循环流化床（CFB）锅炉技术获得快速发展，超超临界CFB锅炉示范工程已在建设。超超临界CFB锅炉炉膛膜式水冷壁管在运行中必然会面临着磨损、传热恶化、高温蠕变等问题。在新能源的大力发展下，新能源发电并网会让电网面临峰谷偏差的挑战，这就需要火电机组参加电网调峰来减小电网的峰谷偏差。而超超临界CFB锅炉有负荷调节范围大的特点，在参与电网调峰时具有天然的优势。调峰时CFB锅炉机组的热负荷在不断往复变化，膜式水冷壁管的温度会随着负荷的变化而不断变化，温度的往复变化会导致作用在膜式水冷壁管上的应力不断变化，循环往复变化的温度、应力会对膜式水冷壁管造成疲劳损伤。CFB锅炉炉膛膜式水冷壁管在传热恶化、循环往复的温度、应力等多种因素共同作用下会产生横向裂纹，磨损会使水冷壁管减薄，这些都会使膜式水冷壁管失效的概率增大。综上所述，本文首先基于有限元数值模拟的方法，以某在建超超临界CFB锅炉炉膛顶棚拐点附近区域的膜式水冷壁管为研究对象，对CFB锅炉在传热恶化、膜式水冷壁减薄、机组深度调峰等情况下的膜式水冷壁管进行数值模拟仿真并对得到的结果进行研究；然后建立了超超临界CFB锅炉炉膛膜式水冷壁管的蠕变寿命模型和疲劳寿命模型；最后将数值模拟得到的危险工况数据带入蠕变寿命预测模型和疲劳寿命预测模型，进而得到超超临界CFB锅炉膜式水冷壁管在相应条件下的蠕变寿命和疲劳寿命。通过本文的研究，可得到以下结论： （1）通过数值模拟得到不同传热恶化程度下的膜式水冷壁管的温度、变形量、热应力分布并对其进行分析。研究表明：传热恶化后膜式水冷壁的温度和变形量迅速增大，最高温度、最大变形量出现在膜式水冷壁管向火侧中点分别为673.67℃和0.38mm，最大应力为211MPa。此时膜式水冷壁的温度超过管材15CrMoG所能承受的最高温度，应力超过了管材15CrMoG的许用应力和屈服强度，膜式水冷壁管会产生塑性变形和蠕变损伤。反复多次的传热恶化，会使膜式水冷壁的温度、应力也在不断的变化，膜式水冷壁在这种交替的温度、应力作用下会发生疲劳损伤。膜式水冷壁管在疲劳损伤和蠕变损伤的不断累积下，达到水冷壁的损伤极限，水冷壁管必然会失效。 （2）对超超临界CFB锅炉机组深度调峰时不同工况下的膜式水冷壁进行仿真，并对数值模拟得到的温度、变形量、热应力进行分析研究。研究表明：超超临界CFB锅炉在变压降负荷运行时，由BMCR工况至20%BMCR工况膜式水冷壁管整体的温度、变形量和热应力都在逐渐减小。BMCR工况时,膜式水冷壁的温度、变形量和应力最大，但均在水冷壁管材15CrMoG允许的范围内。热负荷由BMCR到20%BMCR和由20%BMCR到BMCR不断地调峰过程中超超临界CFB锅炉膜式水冷壁管的温度、变形量和应力在不断交替变化，膜式水冷壁管在循环交替的温度、变形量和应力作用下会使其疲劳损伤不断累积，对水冷壁管造成损伤。 （3）通过数值模拟来研究膜式水冷壁管内外壁面、鳍片、管的截面的温度、变形量、应力随着弧度和x轴方向的变化的规律。并对因磨损而减薄后的膜式水冷壁管进行模拟和分析。研究表明：向火侧的膜式水冷壁管的温度与背火侧相比是明显升高的。向火侧膜式水冷壁表面由水冷壁管中点至鳍片的中点，水冷壁的温度随着弧度的增加先降低在升高，水冷壁的变形量随着弧度的增加逐渐减小在鳍片与管接触处略有增大后基本保持不变，水冷壁管的应力在管与鳍片接触处出现应力集中。在膜式水冷壁减薄后，其最大热应力先减小在增大，在减薄量超过1.5mm后应力迅速增加。 （4）传热恶化时水冷壁的最高温度为673.67℃，最大应力为211MPa，此时膜式水冷壁蠕变寿命为tr=304.5s。正常传热时，水冷壁的最高温度、应力分别为435.23℃，133MPa，此时膜式水冷壁蠕变寿命tr=1.075×107h。超超临界CFB锅炉在BMCR和20%BMCR负荷之间反复调峰时，膜式水冷壁的疲劳寿命为4.05×108次；在传热恶化与正常传热间反复循环时膜式水冷壁的疲劳寿命为707次。
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