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温度荷载作用下气化炉的安全评估

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作者:严伊莉 周俊杰 齐冠妮。 TAGS:评估,安全,作用,温度,模型,计算,
   1 概述 国内外学者对IGCC系统及特殊设备进行过充分的研究。建立了适用于IGCC特点的联合循环系统模型,开拓了基于全工况特性的IGCC联合循环系统设计优化新方法,并研究开拓IGCC系统无约束时多变量综合优化设计方法。但是对于IGCC系统的工艺与设备评价方面的研究的还不多,尚需深入研究。 本文主要针对其安全可
靠性进行研究,使IGCC的研究更加充分。
  2 气化炉的数值模拟
  2.1 气化炉仿真建模
  本文以shell气化炉为模拟对象,实际模型见图2.1,其简化的模型见图2.2。建模区域为气化炉本体上部至激冷缩口,出口直径为917mm,下部至排渣口700mm,在用ABAQUS模拟时简化为二维平面模型。其材料利用以上数学模型,可以计算出气化炉在不同的压力、不同炉衬材料和不同炉温条件下,炉体的温度分布。下面给出应用该模型的某种结构气化炉。
  炉体的温度场分布计算实例。计算条件为:外炉壳材料:普通碳钢,厚度为96mm
  气化炉炉内壁温度:1 300℃~1 500℃,气化炉周围空气温度:20℃,运行压力约 2.6~2.8Mpa。
  2.2 用ABAQUS计算气化炉由温度场引起的应力应变
  2.2.1 ABAQUS/CAE分析气化炉温度场过程
  在ABAQUS/CAE环境下建立计算模型,定义材料,定义截面属性并将其赋予模型,完成装配体,定义分析步,根据需要修改历史变量和场变量的输出要求保存模型。对模型施加载荷并确定边界条件。划分网格,再次保存模型进行计算。图2.3为简化的模型(因对称性只考虑一半),图2.4为模型的网格划分。
  (1)在job模块,我们可以得到气化炉壁温度场分布情况如图2.5所示:
  2.2.2 气化炉热应力计算分析
  
[论文网 ashaj3ah.com]本节计算为气化炉内温度分别为1300℃和1500℃时热应力和热应变。打开tecplot,导入fil文件,查看热应力分布云图与位移分布云图,如下图2.6和2.7。
  由以上图2.6和2.7不同温度下气化炉顶部和底部应力应变对比,我们可以得出以下结论:
  1)该种材料下,气化炉正常工况下即炉内温度为1300℃时,炉壁在高温的作用下产生了热应力,进而造成了热应变。
  2)正常工况下,该种材料的气化炉虽然产生热应力热应变,但变化极小,在安全范围内,并不影响气化炉的正常运行。由图2.6(c)、(d)及2.7(c)、(d)我们还可看出炉壁沿X、Y方向的位移都是极小的,甚至是可以忽略的。
  3)由于气化炉内温度最高为1300℃,既然在此温度下气化炉是安全可靠的,那么在该温度下应该是安全的,所以该设计满足安全性要求。
  3 数值模拟结论
  本文主要采用ABAQUS软件对IGCC关键设备气化炉进行安全性评估,对其在正常的工作温度下,炉壁产生的应力应变进行计算分析,得出一下结论:在ABAQUS中对气化炉进行简化建模,利用其对称性,我们仅研究了其对称结构的一半,在ABAQUS计算处理模块,计算出气化炉在正常运行温度下,炉内壁产生的应力应变;通过在tecplot360里后处理结果分析,我们可以得出,在炉内温度1300℃应力和应变较小,故气化炉在正常温度下工作是安全可靠的。
  参考文献
  [1]迟全虎.IGCC联合循环系统建模与设计优化研究[D].中国科学院工程热物理研究所, 2004.
  [2]迟全虎等.IGCC系统多变量综合优化设计[J].工热物理学报.2004,25(3):361-365.
  [3]林汝谋,等.IGCC系统全工况设计优化新方法[J].工程热物理学报,2004,25(4):541-545.