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超临界锅炉汽水分离器变工况应力与寿命分析

作　者: 李娜
导　师: 阎维平
学　校: 华北电力大学
专　业: 热能工程
关键词: 超临界锅炉汽水分离器变工况温度场应力场寿命分析
分类号: TK229.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超临界锅炉采用直流运行方式,具有启动速度快、变负荷能力强等突出优点,适与参与调峰运行。锅炉频繁启停和负荷变化导致部件应力波动频繁,加速寿命损耗,影响机组安全运行。本文以超临界锅炉的主要厚壁金属承压件—汽水分离器为研究对象,开展变工况运行条件下的应力变化与寿命损耗研究工作,对汽水分离器及其它高温承压金属部件的寿命管理具有重要的参考价值。本文基于汽水分离器变工况运行的动态数学模型,对启动过程的湿态、干湿态转化和干态运行过程的动态特性进行分析,并对目前国内在役的超临界锅炉汽水分离器的几种典型结构进行对比分析。本文选取某1000MW机组汽水分离器为研究对象,建立了其瞬态温度场、瞬态应力场的数学模型和有限元模型。确定汽水分离器在冷态启动、热态启动和温态启动及停炉过程等典型工况下的边界条件,施加约束条件和初始条件模拟了汽水分离器的瞬态温度场和瞬态应力场。得到了汽水分离器关键部位的温度变化规律和壁面温差变化规律,找到热应力最大值位置及变化规律；分析了机械应力的分布规律,得到机械应力与工质压力之间的对应关系和机械应力集中指数；对汽水分离器在温度载荷和压力载荷共同作用下的的总应力场进行分析,得到了总应力的分布和变化规律,为开展汽水分离器的应力监测提供了参考依据。将有限元方法和人工神经网络方法相结合,建立了基于Elman神经网络的汽水分离器动态应力软测量模型。确定工质压力和汽水分离器金属壁面温度为模型输入变量,危险点的总应力为模型输出变量。通过对样本进行训练,确定模型的结构参数。应用电厂运行数据验证了模型的预测精度和泛化能力,为汽水分离器的应力在线监测和寿命评估提供理论依据。本文基于非线性连续损伤力学理论,考虑多轴应力的影响,建立了汽水分离器的疲劳寿命、蠕变寿命及疲劳—蠕变寿命分析的非线性多轴连续损伤模型。对各种工况下的寿命损耗进行计算,并将计算结果与传统模型结果进行比较。汽水分离器的复杂应力状态会加速材料损伤的累积,使用寿命比常规模型计算结果低。分析汽水分离器使用周期内的载荷谱,利用非线性多轴连续损伤模型进行整体寿命评估。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-15
主要符号表  15-17
第1章绪论  17-33
  1.1 选题背景及研究意义  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-32
    1.2.1 超临界参数发电技术国内外发展概况  18-21
    1.2.2 锅炉承压部件的应力分析  21-23
    1.2.3 锅炉承压部件的寿命研究  23-29
    1.2.4 汽水分离器的研究动态  29-31
    1.2.5 有待研究的内容  31-32
  1.3 主要研究内容  32-33
第2章超临界锅炉汽水分离器的运行特性  33-42
  2.1 超临界锅炉的启动系统分析  33-34
    2.1.1 启动系统的作用  33
    2.1.2 启动系统的类型  33-34
  2.2 内置式分离器启动系统分析  34-36
    2.2.1 系统类型  34-35
    2.2.2 启动系统比较  35-36
  2.3 汽水分离器的结构特点  36-39
    2.3.1 汽水分离器的功能  36
    2.3.2 汽水分离器的典型结构  36-38
    2.3.3 汽水分离器的结构比较  38-39
  2.4 汽水分离器的动态特性  39-41
    2.4.1 简化物理模型  39-40
    2.4.2 动态数学模型  40-41
  2.5 本章小结  41-42
第3章汽水分离器瞬态温度场数值模拟  42-57
  3.1 有限元理论基础  42-45
    3.1.1 温度场数学模型  42-43
    3.1.2 温度场有限元模型  43-45
  3.2 瞬态温度场有限元分析  45-49
    3.2.1 研究对象  45
    3.2.2 几何模型  45-46
    3.2.3 边界条件和内壁换热系数  46-49
    3.2.4 网格剖分  49
    3.2.5 施加载荷  49
  3.3 瞬态温度场结果分析  49-56
    3.3.1 冷态启动  50-53
    3.3.2 温态启动  53-54
    3.3.3 热态启动  54-55
    3.3.4 停炉过程  55-56
  3.4 本章小结  56-57
第4章汽水分离器瞬态应力场数值模拟  57-75
  4.1 汽水分离器应力分析  57-60
    4.1.1 受力综述  57-58
    4.1.2 机械应力分析  58-60
    4.1.3 热应力分析  60
  4.2 瞬态热应力场分析  60-66
    4.2.1 瞬态热应力计算模型  60-61
    4.2.2 结果分析  61-66
  4.3 机械应力场分析  66-68
    4.3.1 有限元模型  66
    4.3.2 结果分析  66-68
  4.4 总应力场分析  68-73
    4.4.1 有限元模型  68
    4.4.2 结果分析  68-73
  4.5 本章小结  73-75
第5章汽水分离器应力的软测量模型  75-89
  5.1 软测量技术  75-76
    5.1.1 软测量原理  75-76
    5.1.2 软测量方法分析  76
  5.2 人工神经网络基础  76-79
    5.2.1 人工神经网络  76-77
    5.2.2 常用神经网络模型  77-79
  5.3 ELMAN神经网络  79-81
    5.3.1 Elman神经网络结构  79
    5.3.2 Elman神经网络的数学模型  79-80
    5.3.3 Elman神经网络学习算法  80-81
  5.4 基于ELMAN神经网络的应力软测量模型  81-83
    5.4.1 应力监测点  81
    5.4.2 网络的输入输出  81-82
    5.4.3 选取训练样本  82
    5.4.4 数据归一化处理  82-83
    5.4.5 模型参数的确定  83
  5.5 算例分析  83-85
    5.5.1 模型结构确定  83-84
    5.5.2 训练结果分析  84-85
  5.6 模型的验证  85-88
    5.6.1 验证样本的选取  85-87
    5.6.2 数据验证  87-88
  5.7 本章小结  88-89
第6章基于非线性损伤力学的汽水分离器寿命分析  89-108
  6.1 汽水分离器的主要失效形式分析  89-92
    6.1.1 疲劳失效分析  89-90
    6.1.2 蠕变失效分析  90-91
    6.1.3 蠕变-疲劳交互作用失效分析  91-92
  6.2 损伤力学基础  92-95
    6.2.1 损伤变量与有效应力  92-93
    6.2.2 损伤本构方程  93
    6.2.3 损伤力学的热力学基础  93-95
  6.3 汽水分离器寿命的非线性损伤分析  95-100
    6.3.1 常规寿命分析方法  95-96
    6.3.2 非线性连续损伤力学分析  96-100
    6.3.3 方法对比  100
  6.4 汽水分离器的寿命分析  100-106
    6.4.1 低周疲劳寿命分析  100-102
    6.4.2 蠕变寿命分析  102-104
    6.4.3 蠕变-疲劳寿命分析  104-105
    6.4.4 汽水分离器的寿命评估  105-106
  6.5 本章小结  106-108
第7章结论与展望  108-111
  7.1 本文结论  108-110
  7.2 今后工作展望  110-111
参考文献  111-121
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  121-122
攻读博士学位期间参加的科研工作  122-123
致谢  123-124
作者简介  124-125
附录 1000MW机组运行曲线  125-128

超临界锅炉汽水分离器变工况应力与寿命分析

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