光热发电换热器疲劳分析设计

王丽娜

（哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨 150090）

0 引言

光热发电系统换热器由于系统的特殊性，换热器需要适应频繁启停，光热发电系统换热器需要根据运行状况进行寿命分析。国标设备需要根据JB4732的相关规定进行分析设计。

1 设计原型简介

本文以某50 MW光热电站蒸汽发生系统蒸发器为研究对象，对其整体进行分析设计。该蒸发器设计参数如表1所示。

表1 设计参数表

2 主要部件分析设计

蒸发器设备属于管壳式换热器范畴，主要部件包括前管箱封头、前管箱筒体、管板、壳体以及壳体封头。而关键设计点在于管板以及与管板相接的两端筒体，因此本文针对管板以及两端筒体进行了分析设计。

2.1 壳体分析设计

依据JB4732选用适用强度设计公式，圆筒的计算厚度应根据荷载情况按以下相应公式确定。

在仅受内压作用的情况下：

当 Pc≤KSm时，

式中：e为自然对数的底；K为载荷组合系数，查图可得。

根据计算结果，蒸发器符合公式条件（1），选用式（1）作为厚度计算公式。计算后需要核定设备是否需要进行圆筒轴向稳定，判定条件为：如果F≥0.25PcDi，则不需要校核设备轴向稳定；若反之，则需进行轴向稳定校核。

壳体主要程序计算结果如下：内壳径为Di=2200 mm；设计应力强度为Sm=126 MPa；成型损失为F1=1.00 mm；比较结果为Pc≤0.4KSm；适用公式为t=Pc·Di/（2·KSm-Pc）；计算厚度为t=133.7 mm；径向薄膜应力为F=63.0 MPa；校核为无需按径向薄膜应力校核。

厚度计算过后要进行筒体疲劳应力分析设计，采用第三强度理论，分别校核一次总体薄膜应力，一次局部薄膜应力，一次薄膜加一次弯曲应力，一次加二次应力强度以及峰值应力强度。

对于每组3个主应力，计算主应力差。在每组σ12、σ23和σ31中，取绝对值最大者作为该组的应力强度，即可得到各应力强度值。

判定条件为：SI

主应力计算：泊松比μ=0.3；弹性模量E=193 000 MPa；线膨胀系数α＝0.000 012/℃；出口温差Δt1=8.13℃；进口温差Δt2=64.66℃；管子根数N=3900 mm；环向主应力σPθ=120.69 MPa；轴向主应力 σPm=60.35 MPa。

边缘效应不连续力：σNθ=-102.59 MPa；σNm=0 MPa；σNr=0 MPa。内壁（二次应力 Q）σWθ=186.27 MPa，内壁 σWm=55.88 MPa，内壁 σWr=0 MPa。

壳体轴向热应力：σm=15.78MPa；σtθ=0MPa；σtr=0 MPa。

应力强度计算评定如表2所示。由于Sm=126 MPa，1.5Sm=189 MPa，3Sm=378 MPa，因此：SI

表2 壳体强度评定

依据以上计算可得出设备应力分析合格，依据应力分析计算结果查取疲劳寿命曲线，得出蒸发器循环次数为5 000 000次，而设备要求设计总循环次数为150 000次，满足设备设计要求，可以保证壳体寿命要求。

前端管箱的设计计算过程与壳体类似，不再赘述。

图1 焊接式

2.2 管板

蒸发器管板与两面筒体均采用焊接式，如图1。

管板的分析设计步骤为：上述 2）、3）项计算应对Ps单独作用（Pt=0）和 Pt单独作用（Ps=0）两种危险工况分别进行，如Ps和Pt之一为负压时，还需考虑压差的危险组合。每种工况下管板应力校核点包括r=0，Rt，R 3个截面处管程侧和壳程侧两个表面，共计6个校核点。

1）假定管板厚度δp，进而确定与管板练成一体的法兰厚度。2）计算由压力引起的管板上校核点应力。3）按不同工况与不同校核点逐一叠加计算得到的应力，得到每种工况下6个校核点的应力，并进而计算弯曲应力强度Sm，要求满足 SII<1.5Sm。

计算结果如下（管板厚度计算，标准为JB 4732）：

设备为蒸发器，部件为管板，内壳径Di=2200 mm，材料为15CrMo，设计应力强度Sm=105 MPa，管箱筒体厚度δh=36 mm，壳程筒体厚度δs=140 mm，假定管板厚度δp=350 mm。

r=0 截面应力：在管程侧，σr10=26.76 MPa，σθ10=26.76 MPa；在壳程侧，σsr10=-26.76 MPa，σsθ10=-26.76 MPa。

r=Rt截面应力：在管程侧，σrt=-72.54MPa，σθ1=50.68MPa；在壳程侧，σsr1=72.54 MPa，σsθ1=-50.68 MPa。

r=R截面应力：在管程侧，σr2=-42.3MPa，σθ2=74.92MPa；在壳程侧，σsr2=42.3 MPa；σsθ2=-74.92 MPa。

判定结果：

判定条件：1.5Sm=157.5；σr=1.5Sm；σθ=1.5Sm。

管程侧：σr=-88.08 MPa；σθ=152.36 MPa。

壳程侧：σr=88.08 MPa；σθ=-152.36 MPa。

均满足强度要求。

3 结论

依据设备的不同应用场合以及运行要求，对设备适时的进行强度分析设计是保证设备安全运行的必要条件。强度分析手段依据不同的强度理论，计算合理的各部件结构，保证材料的不浪费同时保证了设备的安全性，是工程设计中十分必要的手段。本文根据JB4732的相关要求，对设备进行分析设计，依据分析设计结果出设备分析设计报告，是针对光热发电系统换热设备的有效设计手段，可以针对光热系统设备的频繁启停而造成的疲劳应力进行有效判定。

［1］ 钢制压力容器--分析设计标准：JB 4732-1995［S］.

［2］ 胡锡文，林兴华.管壳式换热器管板的有限元分析［J］.压力容器，2004，21（10）：26-28，22.

［3］ 杨国义，寿比南.异形管板换热器应力分析与评定［J］.石油化工设备技术，2006（3）：6-8.

［4］ 龚曙光，谢桂兰.压力容器分析设计中的应力分类方法［J］.化工装备技术，2000（3）：27-31.

［5］ 李斌，李安定.太阳能热发电技术［J］.电力设备，2004（4）：80-82.