发展和应用电厂的实时温度和压力监测系统

文摘

提出了温度和压力的方法估计压力组件的传统或核电站。该算法可以应用没有信息组件内部表面上的热边界条件和足够快是应用于在线模式。解决方案可能是由于“测量”温度历史决定方便点位于组件外表面。最近提出了模型验证分析,数值和实验。该算法被用来计算瞬态温度和应力分布的出口头蒸汽回热器和结果表明,加载组件下部最多,但不超过许用应力。如果缩短了加热过程,计算应力超过许用值。监测锅炉热和力量操作条件可以识别危险的负载动力锅炉压力元素在瞬态操作。控制热以及相关压力的方法适用于核电站,因为它不需要钻孔壁压力传感器的元素。

1。介绍

组件的传统或核电站的行为已经在众多调查研究项目(1]。在他们的操作,高应力发生在厚壁压力元素。操作循环冷却和加热的压力导致的性格元素导致低循环疲劳现象,这可能导致裂缝。当发电厂成为老工程师需要筛选标准,消除热疲劳的风险。许多项目已经启动开发核电站组件的疲劳监测系统(2,3]。使用监测系统剩余寿命预测有重大影响,突出热点地区的影响锅炉和修改操作安全扩展的植物4]。质量控制系统的准确性取决于应力计算选定元素的动力装置。的离线方法使用固耦合热应力评价的管道系统连接提出了(5]。整个区域流体包含离散。然后质量、动量和能量平衡方程必须编写。根据流动性质,它也可能有必要引入合适的湍流模型。计算更困难的情况下的两相流沸腾或凝结过程。格林函数方法考虑随温度而变的物质属性所示(6]。这种方法的主要缺点是需要找到传热系数。另一种方法来确定温度和压力的分布是解决逆热传导问题的分析设备。逆方法使整个时间的确定,space-dependent温度分布在一个元素基于测量温度历史选择的空间点(7,8]。温度分布重建以这种方式可以尽可能准确地计算应力分析的元素(9]。

这项工作的目的是提供一个在线温度和应力监测的方法。商业计算软件,在当今市场上,不能够解决这个问题考虑在在线模式因为热边界条件不上定义监控组件内部表面。该方法已经在实验室测试站(9]。介绍了应用该算法的计算瞬态温度和应力分布的出口头电厂蒸汽回热器。控制热以及相关压力的方法适用于核电站,因为它不需要钻孔壁压力传感器的元素。

2。方法的制定

管理瞬态热传导方程的问题有以下形式: 在哪里是热通量向量。傅立叶定律为各向同性材料采用以下形式:

所有的材料特性( :比热容, :密度, :热导率)被假定为已知温度的函数。控制体积有限元方法(10]。方程(1)是集成在一般控制体积与边界面 :

通过应用积分中值定理在左边和右边的散度定理,得到以下方程: 栏显示体积的平均价值在哪里和n是一个正常的单位表面向量指向外部的控制体积。

如果温度不变化在圆柱形组件沿母线但变化沿圆周壁厚,不稳定的温度分布是二维的 。

对于这样一个问题,分析只能进行一个横截面呈现在图1。横截面分为控制卷。假设组件外表面是完全绝缘和一个未知的内表面边界条件发生,可能解决逆问题从一个热平衡方程为控制体积与节点相关联 。

热量平衡方程(4)为节点 有以下形式: 在哪里 , 。

热平衡方程为控制量= 41-51表示如下: 和体积 以下可以写:

温度历史节点27-39可以获得来自13个方程(5)- (7)的基础上,40 -52测量数据。

如果材料特性, ,和是与温度有关的,系统的5)- (7)可以解决迭代。首先,假定温度未知 他们第一次迭代后的值 。迭代算法仍在继续,直到满足以下条件:

每一个计算温度历史也可以独立决定。

一旦节点的温度值27 39了,逆解可以再次找到运行温度点14到26日通过编写的热平衡方程与节点相关联的控制卷27 39: 类似的方程组可以写卷14到26日计算温度历史从节点1到13。接下来,使用温度分布在每一个时间步长进行结构分析。监测算法的目的是减少压力最高容许值。这个限制可以被一个简单的结构分析基于热弹性力学的基本方程(力平衡方程、几何方程和本构方程): 在哪里是一个应力张量,是身体力量矢量,是一个位移矢量,是一个应变张量,和λ是拉梅常数,热膨胀系数,克罗内克符号(11]。

有两种类型的边界条件定义为位移或力量。使用有限元方法离散化上面的方程。结构数值模型图2。所有内部表面的标题含有内部压力。一室的侧面加载模型的纵向张力和相反的侧面被阻塞在管轴的方向。此外,该模型是确保对称约束条件和支持在两个点的方向垂直的轴。接下来,计算温度分布在每一个时间步和52分(见图1)是175点近似模型的截面应力计算(见图2)。此外,它假定同样的温度分布发生在所有其他模型的截面图2。

解决逆问题是更加困难比直接的,因为逆问题是不适定的。解决了瞬变的经常观察振荡有时可以使计算完全不稳定。有很多方法来解决这个问题。其中之一是使用平滑滤波器来减少振动。过滤器是基于局部多项式近似(3 rd-order和十一后续计量点)(7),它们消除了测量温度曲线。

3所示。温度和应力监测发电厂

该方法用于温度和应力监测出口蒸汽回热器的头。蒸汽动力锅炉的再热器是一个组件的输出 kg / h(蒸汽的特点是以下参数: MPa, °C。再热器出口头设计的工作压力 MPa和蒸汽的温度 °C。它是由15 h1mf钢。

图3提供了一个示例再热器出口汽头用于收集或分发生成的蒸汽。头没有喷嘴的一部分可以通过模型分析呈现在图2。两个水平喷嘴可以看到在图3。组件也配备垂直喷嘴。

组件的尺寸如下:外径 毫米,壁厚年代= 30 mm,喷嘴外径 毫米,喷嘴壁厚 毫米。许用应力 和 MPa决心使用疲劳强度图(12)假设初创企业的数量从一个寒冷的国家 。

再热器出口头的温度和应力分布得到了基于瞬变温度,测量的外绝缘表面上7分(13]。假设一个圆柱形元素可以扩大和自由弯曲。

图4介绍了蒸汽压力和温度瞬态测量在头7分热绝缘外表面。测量温度瞬态近似13分的外表面。基于(5)- (10),逆方法计算瞬变温度在52分头横截面呈现在图1。一个内部项目开发和应用于图中给出的数据采集系统3。控制卷的温度分布计算通过有限元法和应力分布的有限元方法。

温度瞬态计算在7分头内表面呈现在图5。500年代后加热操作点的温度下降到148°C,这是接近饱和温度测量蒸汽压力为0.32 MPa。在那一瞬间,蒸汽联箱的上部的温度(分7,9,11,13)之间的温差是相当高,内表面上的最低和最高的点= 67°C。这是最有可能的影响的流动nonevaporated水再热器nondrained再热器出口头线圈管道。头围的温差记录产生热应力,它在数字6和7。作为加热蒸汽压力相对较低,相关的压力头很小。最高的绝对圆周和纵向应力拉伸和他们发生在头低,冷的部分。他们达到最高价值450年代后加热时间和总53.6 MPa和75.7 MPa,分别。这些值低于30%了(13),这是由于数值模型提出更好的方法相比精度(13]。逆解的有限数量的数量增加到28至52。飞机结构模型与52节点升级到一个3 d结构模型与六个元素在壁厚,24沿水平轴沿圆周和34。出口头横截面上的纵向热应力分布450年代后加热操作呈现在图8。最高的压缩圆周和纵向应力出现在690年代的加热时间,总计−31.8 MPa和−40.2 MPa,分别。

为了估计应力引起的下水管洞边缘,计算热应力在一个圆柱形组件和一个圆柱形组件削弱了一个喷嘴。因为头一个喷嘴的几何形状是对称的,1/4的建筑元素建模和分析。一个圆柱形元素的数值模型喷嘴呈现在图10。假设两个组件的外表面均匀的初始温度 °C是理想的绝缘,组件是由蒸汽加热的内表面。蒸汽温度上升以恒定速率 K /分钟。

接下来,该模型是确保对称约束条件和允许免费延长的可能性头和喷嘴轴的方向。温度分布在每一个时间步是用于结构分析。最大压缩周向温度应力在圆柱形组件和喷嘴呈现在图9。热应力集中系数 经过800年代的加热过程,计算准稳态时发生。最小和最大应力的下水管洞边缘可以估计−82.4 MPa和155.2 MPa,分别。不超过许用应力的值 和 。

如果加热过程提出缩短从1500年代到600年代,记录的强调会高得多。图11介绍了纵向瞬态热应力在7分出口头内表面加热操作时速度更快。最小和最大应力的下水管洞边缘可以估计−113.5 MPa和304.9 MPa,分别。最大拉伸热应力超过许用值。

4所示。结论

提出了温度和压力的方法估计压力组件的传统或核电站。该算法可以应用没有信息组件内部表面上的热边界条件和足够快是应用于在线模式。解决方案可能是由于“测量”温度瞬态确定方便点位于组件外表面。应用程序的算法计算瞬态温度和应力分布的再热器出口汽头表明组件加载最下方。这可能是nonevaporated水的流动的影响,通过线圈没有离开再热器排水管道。绝对压力是拉伸纵向应力最高。为了估计孔边缘应力,计算热应力集中系数。最小和最大应力在下水管孔边缘不超过容许值。此外,提出了流程的修改。如果加热过程缩短从1500年代到600年代,下水管洞边缘上的记录的拉应力超过许用值。

监测锅炉热和力量操作条件可以识别危险的负载动力锅炉压力元素在瞬态操作。所有的历史压力和热载荷引起的应力是确定蠕变和疲劳磨损的基础因素压力组件。控制热以及相关压力的方法适用于核电站,因为它不需要钻孔壁压力传感器的元素。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由美国国家科学中心、波兰,UMO-2015/19 / B / ST8/00958。

引用

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