Analisi Termoidraulica Guasto Tubi Caldaia

Eskom gestisce 23 centrali elettriche in Sud Africa con una capacità totale di oltre 42 GW. Fornisce circa il 95% di tutta l'elettricità utilizzata nel paese. In una delle sue centrali elettriche a carbone si verificavano frequenti guasti da affaticamento dei tubi della caldaia nella sezione della tramoggia, la parte inferiore della caldaia, di tutte e sei le unità.

Le caldaie sono state progettate con una complessa struttura a trave di sostegno che culla e circonda la caldaia. Esistono meccanismi di attacco girevoli tra la struttura della trave di supporto, o tiranti, e la parete del tubo per consentire l'espansione termica pur fornendo un supporto adeguato su tutti e quattro i lati.

La caldaia può espandersi fino a un metro verso il basso durante una sequenza di avvio. I supporti si uniscono nei punti di giunzione degli angoli della tramoggia dove si uniscono le pareti inclinate e le pareti anteriore/posteriore. Sono collegati tra loro mediante elementi incernierati denominati collegamenti di collegamento Buckstay.

Queste giunzioni richiedono il reindirizzamento dei tubi circostanti delle pareti anteriore/posteriore, portando a discontinuità nella disposizione dei tubi. Durante queste manipolazioni dei tubi sono stati identificati tassi elevati di guasto dei tubi e le aree sono state considerate possibili posizioni ad alto stress.

Una causa sospettata dei ripetuti guasti ai tubi (Figura 1) era che il funzionamento ciclico dell'impianto per accogliere maggiori risorse energetiche rinnovabili intermittenti e la riduzione della domanda di elettricità durante le ore non di punta causava affaticamento ciclico nel materiale del tubo. Poiché l'impianto era stato progettato per un funzionamento costante a pieno carico, la fatica ciclica portava a danni ai componenti e problemi di affidabilità. I guasti hanno comportato arresti imprevisti, riparazioni di emergenza e costi imprevisti.

1. Rottura per fatica. Questa immagine mostra un tipico punto di guasto di un tubo della caldaia presso lo stabilimento di proprietà di Eskom. Per gentile concessione: Flownex SE

Si riteneva inoltre che l'effetto ritardato dell'acqua di raffreddamento fornita tra due tubi di caldaia adiacenti di diversi banchi di tubi potesse contribuire al cedimento per fatica termica. L'argomentazione presupponeva che una colonna d'acqua dall'uscita dell'economizzatore raggiungesse prima il banco di tubi più vicino, poi il secondo e così via. Si sosteneva che ciò avrebbe causato un significativo differenziale di temperatura del fluido tra il tubo più esterno della prima batteria e il tubo adiacente della seconda batteria.

Per testare le ipotesi, è stata sviluppata un'esclusiva metodologia di interazione fluido-struttura (FSI) unidirezionale per modellare e prevedere il carico di fatica indotto durante il ciclo di avvio della caldaia. Il flusso dei fluidi e il trasferimento di calore sono stati modellati transitoriamente utilizzando uno strumento di modellazione del flusso dei tubi 1-D fornito da Flownex Simulation Environment e convalidato rispetto ai dati sperimentali. Il risolutore di flusso 1-D era un pacchetto software di simulazione termofluido utilizzato per prevedere, progettare e ottimizzare portate, temperature e trasferimento di calore nei sistemi fluidi. L’approccio di modellazione FSI unidirezionale ha consentito di accoppiare un carico termico transitorio, o qualsiasi fase transitoria selezionata dall’utente, con un software di analisi degli elementi finiti 3D (FEA) fornito da ANSYS per valutare lo stress indotto dal calore.

Metà delle quattro pareti della tramoggia della caldaia sono state modellate per ottenere un campione rappresentativo dell'intera sezione della tramoggia. Nell'area modellata della sezione della tramoggia è stata installata anche la strumentazione, tra cui termocoppie ed estensimetri, per ottenere i dati misurati dell'impianto. Il modello Flownex consisteva di 1.219 tubi e 1.858 vertici/nodi.

La capacità di Flownex di calcolare in modo fondamentale il comportamento del flusso e del trasferimento di calore sia del fluido che del materiale delle pareti del tubo durante lo stato stazionario e le condizioni dinamiche è stata considerata la soluzione ideale per i test. Utilizzando lo stesso profilo della temperatura di uscita dell'economizzatore ottenuto durante la sequenza di misurazione dell'impianto, insieme alle proprietà di trasferimento del calore lato gas regolate, è stato modellato uno scenario di avvio dinamico per convalidare i risultati del modello rispetto a quelli dei dati misurati dell'impianto. Sono stati modellati con successo anche numerosi altri scenari.

I risultati ottenuti dal modello corrispondevano molto bene ai dati misurati dell'impianto (Figura 2). La forte correlazione ha consentito di utilizzare il modello per varie condizioni dell'impianto e sequenze operative postulate. I risultati della distribuzione della temperatura ottenuti da Flownex sono stati poi importati in ANSYS, dove è stata eseguita l'analisi dello stress strutturale (Figura 3).