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汽包是增壓鍋爐重要的厚壁承壓部件，除了外壁局部受熱外，還開有脹接的密排管孔，因此一旦損壞，很難進(jìn)行修復(fù)。而且，汽包在承受內(nèi)壓的同時還承受機(jī)組頻繁啟停及變工況運行而產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力，頻繁的應(yīng)力變化將引起汽包疲勞壽命損耗。
溫度場是應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。有學(xué)者在溫度場簡化的基礎(chǔ)上采用ASME標(biāo)準(zhǔn)或有限元分析方法進(jìn)行應(yīng)力分析，但溫度場的簡化造成計算應(yīng)力與實際應(yīng)力之間存在誤差。直接采用三維有限元方法或商業(yè)軟件雖然能夠保持較高的計算精度，但因工作量大不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。因此如何在提高精度的同時又能保證較快的計算效率，是本文研究的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)求解汽包溫度場的方法為導(dǎo)熱問題的直接解法（又稱正問題解法）。該解法雖能求解復(fù)雜邊界條件下的溫度場，但由于條件限制，邊界條件及初始條件系數(shù)多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或假定，這將影響溫度場的計算精度。為提高溫度場的計算精度，Taler等人提出了導(dǎo)熱反問題解法，在汽包外壁布置熱電偶測量外壁溫度并將其作為已知條件，建立控制容積的能量平衡方程，逐步反推求得整個汽包瞬態(tài)溫度場，該方法已被用于電站鍋爐溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)。Weglowski等人在該方法的基礎(chǔ)上分析了鍋爐啟動過程中壓力容器的熱應(yīng)力。
相對于電站鍋爐而言，增壓鍋爐汽包結(jié)構(gòu)與傳熱條件比較復(fù)雜，這使得導(dǎo)熱反問題解法的應(yīng)用受到了限制。對此，本文提出了求解外壁局部受熱的增壓鍋爐汽包截面瞬態(tài)溫度場的導(dǎo)熱正反問題耦合解，充分應(yīng)用導(dǎo)熱正、反問題解法各自的優(yōu)點，求得整個汽包的瞬態(tài)溫度分布。在得到較高精度溫度場的基礎(chǔ)上，采用二維有限元方法對汽包應(yīng)力進(jìn)行分析，并通過 ANSYS軟件對該方法的計算結(jié)果進(jìn)行驗證。然后采用三維有限元分析方法計算應(yīng)力集中系數(shù)，并修正應(yīng)力計算結(jié)果。該方法不僅具有較快的計算速度，而且擁有較高的精度，可以實現(xiàn)應(yīng)力在線監(jiān)測。
增壓鍋爐汽包為長圓筒形壓力容器，汽包軸線方向上內(nèi)部工質(zhì)溫度及換熱條件變化不大，因此編寫溫度場與應(yīng)力場的計算程序時將其簡化為二維模型。增壓鍋爐汽包結(jié)構(gòu)示意如圖所示。
圖為增壓鍋爐汽包簡化模型及導(dǎo)熱正反問題耦合解法網(wǎng)格劃分示意。增壓鍋爐汽包內(nèi)壁換熱條件與常規(guī)電站鍋爐汽包相同，分別為水蒸氣和水與汽包內(nèi)上下壁的對流換熱。然而汽包底部區(qū)域外壁所處環(huán)境相對復(fù)雜，其中底部CD、EF 段外壁直接接觸爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔猓瑑蓚?cè)夾層區(qū)域AB、GH 段外壁與熱空氣進(jìn)行對流換熱，其余部分外壁敷設(shè)保溫材料，可近似按絕熱處理。
根據(jù)汽包外壁受熱與否，將汽包劃分為受熱和不受熱兩個區(qū)域，網(wǎng)格較密集的為外壁受熱區(qū)域，較稀疏的為外壁不受熱區(qū)域。對于外壁不受熱區(qū)域，根據(jù)沿周向布置的熱電偶實際測量的外壁溫度，采用導(dǎo)熱反問題解法求解該區(qū)域溫度分布。對于受熱區(qū)域，加載內(nèi)外壁邊界條件，采用導(dǎo)熱正問題解法，通過求解導(dǎo)熱微分方程得到該區(qū)域溫度分布。兩區(qū)域耦合邊界S1，S2處，將利用反問題解法求解的交接區(qū)域溫度作為第一類邊界條件并通過插值的方式傳遞給正問題解法，由此實現(xiàn)導(dǎo)熱問題正反耦合求解，得到汽包橫截面的瞬態(tài)溫度分布。導(dǎo)熱正反問題耦合解法的相關(guān)公式與具體實現(xiàn)辦法參見文獻(xiàn)。
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