보일러 튜브 고장 열수압 분석

Eskom은 남아프리카에서 총 용량이 42GW가 넘는 23개 발전소를 운영하고 있습니다. 국내에서 사용되는 전기의 약 95%를 공급하고 있습니다. 석탄 화력 발전소 중 한 곳은 6개 발전소 모두의 보일러 바닥 부분인 호퍼 섹션에서 보일러 튜브 피로 파손이 자주 발생했습니다.

보일러는 보일러를 받치고 둘러싸는 복잡한 지지빔 구조로 설계되었습니다. 지지 빔 구조 또는 벅스테이와 튜브 벽 사이에 회전식 부착 메커니즘이 존재하여 열팽창을 허용하는 동시에 4개 측면 모두에 적절한 지지를 제공합니다.

보일러는 시동 과정 중에 아래쪽으로 최대 1미터까지 확장될 수 있습니다. 벅스테이는 경사면 벽과 앞/뒤 벽이 만나는 호퍼의 모서리 교차점에서 합류합니다. 이들은 벅스테이 연결 링크라고 불리는 힌지형 부재를 사용하여 서로 연결됩니다.

이러한 접합부에서는 주변 전면/후면 벽 튜브의 경로를 변경해야 하므로 튜브 레이아웃의 불연속성이 발생합니다. 이러한 튜브 조작에서 높은 튜브 실패율이 확인되었으며 해당 영역은 가능한 높은 응력 위치로 간주되었습니다.

반복되는 튜브 고장(그림 1)의 의심되는 원인은 증가된 간헐적 재생 에너지 자원을 수용하고 피크가 아닌 시간 동안 전력 수요를 감소시키기 위한 발전소의 주기적 작동으로 인해 튜브 재료에 주기적 피로가 발생했다는 것입니다. 공장은 최대 부하에서 일관되게 작동하도록 설계되었기 때문에 주기적인 피로로 인해 구성품이 손상되고 신뢰성 문제가 발생했습니다. 이러한 실패로 인해 예정에 없던 가동 중단, 긴급 수리 및 예상치 못한 비용이 발생했습니다.

1. 피로 실패. 이 이미지는 Eskom 소유 공장의 일반적인 보일러 튜브 고장 위치를 ​​보여줍니다. 제공: Flownex SE

또한 서로 다른 튜브 뱅크의 인접한 두 보일러 튜브 사이에 공급되는 냉각수의 지연 효과가 열 피로 파손의 원인이 될 수 있다고 믿어졌습니다. 이 주장에서는 이코노마이저 배출구의 물기둥이 가장 가까운 튜브 뱅크에 먼저 도달하고 그 다음으로 두 번째 뱅크에 도달할 것이라고 가정했습니다. 이로 인해 첫 번째 뱅크의 가장 바깥쪽 튜브와 두 번째 뱅크의 인접한 튜브 사이에 상당한 유체 온도 차이가 발생할 것이라고 주장되었습니다.

가설을 테스트하기 위해 보일러 시동 주기 동안 유발된 피로 하중을 모델링하고 예측하기 위한 고유한 단방향 유체 구조 상호 작용(FSI) 방법론이 개발되었습니다. 유체 흐름과 열 전달은 Flownex Simulation Environment에서 제공하는 1D 파이프 흐름 모델링 도구를 사용하여 일시적으로 모델링되었으며 실험 데이터와 비교하여 검증되었습니다. 1D 흐름 솔버는 유체 시스템의 유속, 온도 및 열 전달을 예측, 설계 및 최적화하는 데 사용되는 열유체 시뮬레이션 소프트웨어 패키지입니다. 단방향 FSI 모델링 접근 방식을 사용하면 일시적인 열 하중 또는 사용자가 선택한 일시적인 단계를 ANSYS에서 제공하는 3D 유한 요소 분석(FEA) 소프트웨어와 결합하여 열로 인한 응력을 평가할 수 있습니다.

전체 호퍼 섹션의 대표 샘플을 얻기 위해 4개의 보일러 호퍼 벽 중 절반을 모델링했습니다. 측정된 플랜트 데이터를 얻기 위해 열전대 및 스트레인 게이지를 포함한 계측 장치도 호퍼 섹션의 모델링된 영역에 설치되었습니다. Flownex 모델은 1,219개의 튜브와 1,858개의 정점/노드로 구성되었습니다.

정상 상태와 동적 조건에서 유체와 튜브 벽 재료 모두의 흐름과 열 전달 거동을 근본적으로 계산하는 Flownex의 ​​기능은 테스트에 이상적인 것으로 간주되었습니다. 조정된 가스 측 열 전달 특성과 함께 플랜트 측정 시퀀스에서 얻은 것과 동일한 이코노마이저 배출구 온도 프로파일을 사용하여 측정된 플랜트 데이터와 비교하여 모델 결과를 검증하기 위해 동적 시동 시나리오를 모델링했습니다. 다른 여러 시나리오도 성공적으로 모델링되었습니다.

모델에서 얻은 결과는 측정된 플랜트 데이터와 매우 잘 일치했습니다(그림 2). 강한 상관관계 덕분에 이 모델은 다양한 가정된 플랜트 조건과 작동 순서에 사용될 수 있었습니다. 그런 다음 Flownex의 ​​온도 분포 결과를 ANSYS로 가져와 구조 응력 분석을 수행했습니다(그림 3).