CN107256287A - 低温再热器出口集箱管屏的优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温再热器出口集箱管屏的优化方法和装置。其中，该方法包括：确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向。本发明解决了低温再热器出口集箱管屏的管道损耗较高的技术问题。

Description

低温再热器出口集箱管屏的优化方法和装置

技术领域

本发明涉及结构优化领域，具体而言，涉及一种低温再热器出口集箱管屏的优化方法和装置。

背景技术

低温再热器是锅炉重要的组成部件，用于将汽轮机高压缸排气加热到与过热蒸汽温度相等或相近的再热温度，然后再送到中压缸及低压缸中膨胀做功，提高机组的热力效率。在实际运行中，由于机组频繁启停、变负荷运行，使得低温再热器温度变化增大，产生较大的温度梯度，从而产生较大的交变热应力，导致部件产生低周疲劳损耗。低温再热器出口集箱管屏为蛇形管屏，如果结构设计的不合理，会使得出口集箱管座接头热应力水平较高，在管座初始缺陷和交变热应力综合作用下，容易引起管座焊缝开裂，造成泄漏。

针对低温再热器出口集箱管屏的管道损耗较高的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种低温再热器出口集箱管屏的优化方法和装置，以至少解决低温再热器出口集箱管屏的管道损耗较高的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种低温再热器出口集箱管屏的优化方法，该方法包括：确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向。

进一步地，确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况包括：确定低温再热器出口集箱管屏的有限元模型；基于有限元模型对低温再热器出口集箱管屏中每个管道进行应力分析，得到应力分布图，其中，应力分布图用于显示低温再热器出口集箱管屏中每个管道的应力分布情况。

进一步地，根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道包括：根据应力分布情况分别判断多个管道中每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力；如果判断出多个管道中存在应力值超过疲劳允许应力，则判断出应力值超过疲劳允许应力的管道为疲劳管道。

进一步地，优化疲劳管道的走向包括：确定用于对管道走向进行优化的优化模型；基于优化模型优化疲劳管道的走向。

进一步地，优化疲劳管道的走向包括：循环确定疲劳管道的走向，直至低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况符合预设条件。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种低温再热器出口集箱管屏的优化装置，该装置包括：确定单元，用于确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；判断单元，用于根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；优化单元，用于如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向。

进一步地，确定单元包括：确定模块，用于确定低温再热器出口集箱管屏的有限元模型；分析模块，用于基于有限元模型对低温再热器出口集箱管屏中每个管道进行应力分析，得到应力分布图，其中，应力分布图用于显示低温再热器出口集箱管屏中每个管道的应力分布情况。

进一步地，判断单元包括：判断模块，用于根据应力分布情况分别判断多个管道中每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力；逻辑模块，用于在判断出多个管道中存在应力值超过疲劳允许应力的情况下，判断出应力值超过疲劳允许应力的管道为疲劳管道。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行本发明的低温再热器出口集箱管屏的优化方法。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，该处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行本发明的低温再热器出口集箱管屏的优化方法。

在本发明实施例中，通过确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向，解决了低温再热器出口集箱管屏的管道损耗较高的技术问题，进而实现了能够降低低温再热器出口集箱管屏的管道损耗的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化方法的流程图；

图2是一种可选的低温再热器出口集箱管屏的示意图；

图3对图2所示的低温再热器出口集箱管屏进行有限元分析得到的应力分布示意图；

图4是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化方法对一个管道进行优化后的管道结构示意图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化方法对另一管道进行优化后的管道结构示意图；

图6是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化方法优化后的低温再热器出口集箱管屏的进行有限元分析得到的应力分布示意图；

图7是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提供了一种低温再热器出口集箱管屏的优化方法的实施例。

图1是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101，确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况：

可选的，可以通过低温再热器出口集箱管屏的有限元模型确定其应力分布情况。具体的，先确定低温再热器出口集箱管屏的有限元模型，基于有限元模型对低温再热器出口集箱管屏中每个管道进行应力分析，得到应力分布图，其中，应力分布图用于显示低温再热器出口集箱管屏中每个管道的应力分布情况。

步骤S102，根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道：

在确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况之后，根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道。可选的，根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道可以通过判断每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力来确定，具体的，根据应力分布情况分别判断多个管道中每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力，如果判断出多个管道中存在应力值超过疲劳允许应力，则判断出应力值超过疲劳允许应力的管道为疲劳管道。

步骤S103，如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向：

优化疲劳管道的走向可以通过预设的优化模型进行优化，根据优化模型优化管道走向，具体而言，先确定用于对管道走向进行优化的优化模型，然后基于优化模型优化疲劳管道的走向。如果低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况不符合预设条件，则循环确定疲劳管道的走向，直至低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况符合预设条件。例如，疲劳管道在优化之后的值仍然超出最大的疲劳允许应力，或者，预设条件也可以是以优化之后的疲劳管道的应力值与最大的疲劳允许应力之间的差值最小，等等，本发明对此不作具体限制，可以根据具体情况设置预设条件，如果疲劳管道优化之后仍未符合预期的条件，则重新优化，直至符合预设条件。

该实施例通过确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向，解决了低温再热器出口集箱管屏的管道损耗较高的技术问题，进而实现了能够降低低温再热器出口集箱管屏的管道损耗的技术效果。

作为上述实施例的一种可选的具体实施方式，低温再热器出口集箱管屏的优化方法包括如下步骤：

步骤一、根据锅炉设备的运行要求确定低温再热器出口集箱管屏结构的疲劳允许应力；

步骤二、通过有限元模型对低温再热器出口集箱管屏的结构进行有限元分析，计算管屏中各管道的应力分布，并判断是否存在超出所述疲劳允许应力的应力；

步骤三、如果存在超出疲劳允许应力的应力，则选取管屏中超出疲劳允许应力所在的管道，建立优化模型对该管道的走向进行优化设计，使得疲劳允许应力与该管道的最大应力之差最小，以满足锅炉设备的运行要求；

步骤四、根据该管道的走向设计，对该管道进行现场改造。

上述改进是调整高应力区域的管道走向和弯头的数量、形状尺寸和位置。

在现场改造时，可以依据低温再热器出口集箱的材料制定该管道的焊缝焊接工艺，控制热处理温度，以消除焊接时产生的残余应力。该实施例提供的方法简单实用，按该方法改进低温再热器出口集箱管屏结构后，可降低其热应力，延长管屏的使用寿命，保证机组的安全稳定运行。

下面结合一种具体应用场景，以某电厂低温再热器出口集箱管屏的改进来对上述具体实施方式提供的方法的步骤进行进一步的描述，如图2所示，该管屏为垂直管屏，包括主管1和直管部2，直管部2包括多个直管：直管201、直管202、直管203、直管209等，管屏材质为P12和12Cr1MoVG，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据锅炉设备的运行要求确定低温再热器出口集箱管屏结构的疲劳允许应力[△σ]，其计算公式为式(1)：

式中，n为应力循环次数，C和β是参数，σ为应力，σ根据规范规定采用。应力循环次数按机组年利用5000小时计算，应力循环频率为5.26Hz，由此可得应力循环次数n＝9.47×107。参数C取1940×1012，β取4，可得管屏疲劳允许应力[△σ]为67.28MPa。

步骤2、采用现有有限元分析软件(例如，ANSYS、ABAQUS、ADINA、MSC、LUSAS、Algor等)，建立低温再热器出口集箱管屏有限元模型，对低温再热器出口集箱管屏的结构进行应力分析，得到有限元分析软件生成的应力分布图，在有限元分析软件生成的应力分布图中右侧的数值为应力值，单位为Pa，与块状的颜色相对应，颜色深代表应力大，最大为45.0MPa，图中仅为示意。

改进前的低温再热器出口集箱管屏的结构的应力分布图如图3所示，在直管201上t1、t2、t3、t4处的应力分别为69.2MPa、54.5MPa、44.7MPa、30.0MPa，管屏的最大应力在最外层的直管201与主管1的连接处t1，应力值为69.2MPa，超过管屏疲劳允许应力[△σ]67.28MPa，由此可判断最大应力发生在管屏最外层管；由于存在超出疲劳允许应力的应力值，则选取管屏中该应力所在的管道，通过建立优化模型对该管道的走向进行优化设计，使得疲劳允许应力与该管道的最大应力之差最小，以满足锅炉设备的运行要求。

步骤3、选取管屏中的直管201和直管209，因这两个直管的应力值较高，需要对其进行改进，建立优化模型如公式(2)，通过优化模型对管道的走向进行优化设计，使其柔性增强，有效吸收热膨胀，减小热应力，优化模型如下

式中，x为优化模型的设计变量，具体涉及到管屏走向及弯头数量、尺寸和位置，[△σ]为管屏最大应力，通过步骤2的有限元计算得到。对于每一个x，存在一个最大应力[△σ]。

如图4，改进前的直管201包括由4节直管段a、c、e、g和3节弯管段b、d、f组成，其中直管段a、c、e、g的长度分别为172.3mm、290.6mm、263.2mm、953.7mm，3节弯管段b、d、f的圆弧角和弧长分别为124°和213.3mm、61.9°和132.1mm、61.9°和132.1mm，直管段c与直管段g之间的距离为124mm优化模型主要是调整该管道走向和该管道弯头的数量、形状尺寸和位置，根据优化模型改进后的直管201见图5，其由3节直管段h、j、l和2节弯管段i、k组成，其中直管段h、j、l的长度分别为265mm、390.9mm、1075.6mm，2节弯管段i、k的圆弧角和弧长分别为90°和282.7mm、34°和106.8mm，弯管段i与直管段l之间的距离为280.1mm；经计算得出直管201上t3、t4处的应力分别为33.9MPa和29.5MPa，改进后的管屏的应力分布图的示意图如图6所示，可以确定改进后的直管201的最大应力在直管201与主管1的连接处t3为33.9MPa，小于管屏疲劳允许应力[△σ]67.28MPa，同样地，对209进行改进，改进后最大应力为45.0MPa。与改造前比较，管屏结构的应力水平得到了显著改善。

步骤四、根据该管道201，209的走向设计，可以对该管道进行现场改造，降低管屏的热应力，保证集箱的安全运行。在现场改进时，依据低温再热器出口集箱的材料制定该管道的焊缝焊接工艺，控制热处理温度，以消除焊接时产生的残余应力。

需要说明的是，在附图的流程图虽然示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请还提供了一种存储介质的实施例，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行本发明实施例的低温再热器出口集箱管屏的优化方法。

本申请还提供了一种处理器的实施例，该处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行本发明实施例的低温再热器出口集箱管屏的优化方法。

本申请还提供了一种低温再热器出口集箱管屏的优化装置的实施例。

图7是根据本发明实施例的一种可选的低温再热器出口集箱管屏的优化装置的示意图，如图7所示，该装置包括确定单元10，判断单元20和优化单元30，其中，确定单元用于确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；判断单元用于根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；优化单元用于如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向

该实施例通过确定单元，用于确定低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；判断单元，用于根据应力分布情况判断低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；优化单元，用于如果判断出存在疲劳管道，优化疲劳管道的走向，解决了低温再热器出口集箱管屏的管道损耗较高的技术问题，进而实现了能够降低低温再热器出口集箱管屏的管道损耗的技术效果。

进一步地，确定单元包括：确定模块，用于确定低温再热器出口集箱管屏的有限元模型；分析模块，用于基于有限元模型对低温再热器出口集箱管屏中每个管道进行应力分析，得到应力分布图，其中，应力分布图用于显示低温再热器出口集箱管屏中每个管道的应力分布情况。

进一步地，判断单元包括：判断模块，用于根据应力分布情况分别判断多个管道中每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力；逻辑模块，用于在判断出多个管道中存在应力值超过疲劳允许应力的情况下，判断出应力值超过疲劳允许应力的管道为疲劳管道。

进一步地，优化单元还可以：确定用于对管道走向进行优化的优化模型；基于所述优化模型优化所述疲劳管道的走向。

进一步地，优化单元还可以：优化所述疲劳管道的走向直至所述低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况符合预设条件。

上述的装置可以包括处理器和存储器，上述单元均可以作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

上述本申请实施例的顺序不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温再热器出口集箱管屏的优化方法，其特征在于，包括：

确定所述低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；

根据所述应力分布情况判断所述低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；

如果判断出存在所述疲劳管道，优化所述疲劳管道的走向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况包括：

确定所述低温再热器出口集箱管屏的有限元模型；

基于所述有限元模型对所述低温再热器出口集箱管屏中每个管道进行应力分析，得到应力分布图，其中，所述应力分布图用于显示所述低温再热器出口集箱管屏中每个管道的应力分布情况。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述应力分布情况判断所述低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道包括：

根据所述应力分布情况分别判断所述多个管道中每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力；

如果判断出所述多个管道中存在应力值超过所述疲劳允许应力，则判断出应力值超过所述疲劳允许应力的管道为所述疲劳管道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化所述疲劳管道的走向包括：

确定用于对管道走向进行优化的优化模型；

基于所述优化模型优化所述疲劳管道的走向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化所述疲劳管道的走向包括：

循环确定所述疲劳管道的走向，直至所述低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况符合预设条件。

6.一种低温再热器出口集箱管屏的优化装置，其特征在于，所述装置包括：

确定单元，用于确定所述低温再热器出口集箱管屏的应力分布情况；

判断单元，用于根据所述应力分布情况判断所述低温再热器出口集箱管屏的多个管道中是否存在疲劳管道；

优化单元，用于如果判断出存在所述疲劳管道，优化所述疲劳管道的走向。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定单元包括：

确定模块，用于确定所述低温再热器出口集箱管屏的有限元模型；

分析模块，用于基于所述有限元模型对所述低温再热器出口集箱管屏中每个管道进行应力分析，得到应力分布图，其中，所述应力分布图用于显示所述低温再热器出口集箱管屏中每个管道的应力分布情况。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述判断单元包括：

判断模块，用于根据所述应力分布情况分别判断所述多个管道中每个管道的应力值是否超过疲劳允许应力；

逻辑模块，用于在判断出所述多个管道中存在应力值超过所述疲劳允许应力的情况下，判断出应力值超过所述疲劳允许应力的管道为所述疲劳管道。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至5中任意一项所述的低温再热器出口集箱管屏的优化方法。

10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至5中任意一项所述的低温再热器出口集箱管屏的优化方法。