ボイラーチューブ破損の熱水力学的解析

Eskom は南アフリカで 23 か所の発電所を運営しており、総容量は 42 GW を超えています。 国内で使用される電力の約95％を供給しています。 同社の石炭火力発電所の 1 つは、全 6 基のホッパーセクション (ボイラーの下部) でボイラーチューブの疲労故障が頻繁に発生していました。

ボイラーは、ボイラーを支えて取り囲む複雑な支持梁構造で設計されています。 支持ビーム構造またはバックステーとチューブ壁の間には旋回取り付け機構があり、熱膨張を許容しながら 4 つの側面すべてで適切な支持を提供します。

ボイラーは、起動シーケンス中に下方向に最大 1 メートル膨張する可能性があります。 バックステーは、ホッパーの傾斜壁と前後壁が接合するコーナー接合位置で接合されます。 これらは、バックステー接続リンクと呼ばれるヒンジ付き部材を使用して相互に接続されます。

これらの接合部により、周囲の前壁/後壁チューブのルート変更が必要となり、チューブのレイアウトが不連続になります。 これらのチューブ操作では高いチューブ破損率が確認され、その領域は高応力の可能性がある場所と考えられました。

繰り返されるチューブ故障の原因として考えられるのは (図 1)、断続的な再生可能エネルギー資源の増加とオフピーク時の電力需要の減少に対応するためのプラントの周期的な運転が、チューブの材料に周期疲労を引き起こしていることでした。 プラントは全負荷で一貫して動作するように設計されていたため、周期疲労によりコンポーネントの損傷や信頼性の問題が発生していました。 この障害により、予定外のシャットダウン、緊急修理、予期せぬコストが発生しました。

1. 疲労破壊。 この画像は、Eskom 所有のプラントにおける典型的なボイラー チューブの故障箇所を示しています。 提供: Flownex SE

また、異なるチューブバンクの 2 つの隣接するボイラーチューブ間に供給される冷却水の遅延効果が熱疲労破壊の一因となる可能性があるとも考えられていました。 この議論では、エコノマイザー出口からの水柱は、最初に最も近いチューブバンクに到達し、次に 2 番目のバンクに到達する、というように想定されています。 これにより、最初のバンクの最も外側のチューブと 2 番目のバンクの隣接するチューブの間に重大な流体温度差が生じると主張されました。

仮説を検証するために、ボイラー始動サイクル中に誘発される疲労荷重をモデル化し、予測するための独自の一方向流体構造相互作用 (FSI) 手法が開発されました。 流体の流れと熱伝達は、Flownex シミュレーション環境によって提供される 1 次元パイプ フロー モデリング ツールを使用して一時的にモデル化され、実験データに対して検証されました。 1-D フロー ソルバーは、流体システム内の流量、温度、熱伝達を予測、設計、最適化するために使用される熱流体シミュレーション ソフトウェア パッケージです。 一方向 FSI モデリング アプローチにより、過渡熱負荷またはユーザーが選択した任意の過渡ステップを、ANSYS が提供する 3 次元有限要素解析 (FEA) ソフトウェアと組み合わせて、熱誘発応力を評価することができました。

完全なホッパーセクションの代表的なサンプルを取得するために、4 つのボイラーホッパー壁の半分がモデル化されました。 測定されたプラントデータを取得するために、熱電対やひずみゲージなどの計器もホッパーセクションのモデル化された領域に設置されました。 Flownex モデルは、1,219 個のチューブと 1,858 個の頂点/ノードで構成されていました。

定常状態および動的状態における流体とチューブ壁材料の両方の流れと熱伝達挙動を基本的に計算できる Flownex の機能は、テストに最適であると考えられました。 プラント測定シーケンス中に得られたのと同じエコノマイザ出口温度プロファイルを、調整されたガス側熱伝達特性とともに使用して、動的起動シナリオをモデル化し、モデルからの結果をプラント測定データの結果と比較して検証しました。 他の多くのシナリオもモデル化に成功しました。

モデルから得られた結果は、測定されたプラント データと非常によく一致しました (図 2)。 強い相関関係により、このモデルをさまざまな想定されたプラント条件や動作シーケンスに使用できるようになりました。 Flownex からの温度分布の結果は ANSYS にインポートされ、そこで構造応力解析が実行されました (図 3)。

2. Flownex モデルの検証。 1-D ソルバーの結果 (FNX Tc13 ～ FNX Tc16 として示される) は、取り付けられた熱電対からのデータ (Tc13 ～ Tc16 として示される) と非常に密接に相関していました。 提供: Flownex SE

3. マッピング手順。 コンピュータ支援製図パッケージで作成された 1-D ライン ジオメトリを Flownex シミュレーション ソフトウェアにインポートして熱結果を取得し、応力解析のために ANSYS ソフトウェアにエクスポートしました。 提供: Flownex SE

この方法論により、プラントの稼働に影響を与えることなく、さまざまなシナリオを検討して障害の原因を評価することができました。 また、3 次元数値流体力学シミュレーションを使用して経済的に実行できなかった巨大なボイラー構造のモデリングも容易になりました。

開発されたモデルの結果は、最初の管バンクの最も外側の管と 2 番目の管バンクの隣接する管の間の水供給の遅れが、想定されているような摂動応力を誘発しないことを示しました。 最大温度差はわずか 2.2℃ と計算されました。 これは、チューブ壁とウェビングの伝導と熱慣性によるものであることが判明し、その結果、隣接するチューブ壁の温度が滑らかに変化しました。

極端な温度差を除外して、バックステー接合部の溶接された支持プレートの形態の構造支持部材の影響が評価されました。 開発された方法論により、検討した 2 つのケースの比較が容易になりました。1 つはバックステーのスライド ジョイント プレートが存在するケースで、2 番目はこれらのプレートが取り外されたケースです (図 4)。 これらのシナリオを評価すると、モデルはプレートの存在下で応力が悪化することを明確に示しました。

4. ストレスがたまっている。 ここでは、スライディング ジョイント プレートが存在する場合 (左) と除去された場合 (右) の両方のケースについて、バックステー接合部の位置での最大主応力によって色分けされた等高線プロットが示されています。 提供: Flownex SE

この新しい知識により、Eskom はボイラー構造に変更を加え、誘発応力を軽減することができました。 プレートが取り外されたことで、周囲の構造の完全性を損なうことなく管壁の応力が大幅に軽減されました。

改造後に取得された初期データは、以前は損傷を受けやすかった箇所のひずみが減少していることを示していました。 ソリューションの導入前に 2 年間にわたって収集されたひずみデータが、変更後に収集されたデータと比較されました。 時間平均データから、平均ひずみとその後の応力誘発疲労荷重が約 50% 減少したことが示されました。

シミュレーションを通じて、故障の原因でないものを排除し、潜在的な新たな故障メカニズムを特定する機能は、強力なエンジニアリング ツールであることが証明されています。 開発された一方向 FSI 手法は、流体結合熱流の結果として生じる熱誘起応力疲労負荷の問題を解決するのに効果的であることが実証されています。 構造 FEA 境界条件に使用される 3-D 数値流体力学から熱場を取得することは、考慮される問題の大きさにより現実的ではありません。 1-D から 3-D への一方向 FSI カップリングは、実行可能な代替手段であるだけでなく、効果的かつ効率的なソリューションでもあります。

同様の問題は他のさまざまなエスコム発電所でも報告されています。 これらのストレスの主な要因を特定できれば、真空管の故障修理による多数の停止の軽減につながる可能性があり、その結果、Eskom にとっては大きな経済的利益が得られ、顧客の信頼性も向上します。 ■

—マリウス・ボタとマイケル・P・ヒンドレーは、プラントのチューブ故障問題を解決する任務を負ったエスコムの研究試験開発チームのメンバーでした。

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