光热发电系统中连续排污扩容器的热机疲劳分析

唐 卉，张福君，李 明

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 概 述

太阳能是取之不竭的可再生能源，利用太阳能发电是开拓新的清洁能源、保护环境和节能减排的有效途径。目前，较为成熟的太阳能发电技术，为太阳能光伏发电技术和太阳能光热发电技术。光热发电的能量采集方式，主要有塔式、槽式和碟式等采集方式。在国外，槽式和塔式的太阳能光热发电站，已实现了商业化运行，而碟式发电系统仍处于示范阶段[1]。

现今，在美国和西班牙的槽式光热发电厂，均处于示范运行状态，光热机组的装机容量为13.8～50 MW。在槽式光热发电系统中，主要加热设备是聚光器。2014年10月，由我国研制的槽式太阳能聚光器已在通州实验基地开始运行，该聚光器的峰值输出功率为10 kW，而槽式光热系统中的其他设备，现仍在研制或正在改进中。据我国能源局的要求，现已启动了单机功率不低于50 MW槽式光热发电项目。在2014～2016年，建成了一批商业化的光电机组示范项目，至2017年进入了大规模的建设阶段，将在2020年，完成3 GW的光热机组的装机容量，至2030年，将完成29 GW装机容量，未来光热发电项目将大批上马，并将快速发展[2]。

光热发电技术是解决当前能源资源和环境等问题的有效途径和方法，因此，研制高效及性能优良的配套设备，也显得尤为重要。为了满足光热发电系统中对连续排污扩容器性能的要求，现利用有限元软件，对扩容器进行强度分析和热机疲劳分析。

1 设计参数及计算模型

1.1 设计参数

连续排污扩容器(简称连排)的基本设计参数，如表1所示。设备运行时的温度及压力变化曲线，如图1所示。设备的材料性能参数，如表2、表3[3]所示。

表1基本设计参数

设计压力/MPa1.35设计温度/℃300腐蚀裕量/mm1.0保温材料厚度/mm120保温材料岩棉设计寿命/年25正常工况下起停次数/次10000断电工况/次2700检修工况/次25水压工况/次25

(a) 温度变化

(b) 压力变化

(a) 温度变化

(b) 压力变化

(a) 温度变化

(b) 压力变化

表2材料性能参数

部件名称材料牌号设计应力强度(室温)/MPa设计应力强度(设计温度)/MPa弹性模量/MPa泊松比封头、筒体、支座Q345R212.5153接管20170.81081830000.3

表3不同温度下材料的性能参数

项目碳钢岩棉温度/℃热膨胀系数/C^-1导热系数/(W·m -1·℃ -1)比热/(J·kg -1·℃ -1)热膨胀系数/C^-1导热系数/(W·m -1·℃ -1)比热/(J·kg -1·℃ -1)201.15E-0560.4430.58501.18E-0559.8453.091001.21E-0558.0479.741501.24E-0555.9499.852001.27E-0553.6516.132501.30E-0551.4534.003001.33E-0549.2553.003501.36E-0547.0574.844001.38E-0544.9600.374501.41E-0542.7628.241.2E-60.03540.04130.05120.06110.07100.08090.09080.10070.11060.1205750

1.2 计算模型

首先，建立了连排设备的结构模型，如图2所示。对不连续区域进行了局部的网格细分。连排模型的总单元格数，为157 748，总节点数，为796 768。网格划分后的有限元模型，如图3、图4所示。

图2 结构模型图

图3 有限元模型

图4 有限元模型局部图

2 应力分析及强度校核

2.1 计算时的边界条件

利用Ansys Workbench15.0软件进行应力分析，选用对象为高阶实体单元SOLID186，可更很好地模拟不连续区的应力集中状况。有限元分析模型的边界条件，如表4所示。设计工况下的加载负荷，如图5所示。

表4模型边界条件

载荷类型加载部位大小(设计工况)内压/MPa筒体封头接管内表面1.35接管端面内压等效力/MPa接管N-1端面1.35接管N-7端面-3.82接管N-3、N-4、N-8端面-1.49接管N-5端面-1.97接管N-6端面-8.35约束条件约束部位约束类型支腿下底面固定约束

图5 设计工况下的加载负荷

2.2 应力强度评定

经模拟计算，连排设备的应力分布云图，如图6所示，并对连排设备进行应力强度评定。应力评定结果表明，满足设计要求。

图6 整体应力分布云图

经过有限元计算，发现应力最大处位于人孔接管的根部。在应力最大处定义评定的路径，路径位置的分布，如图7所示。应力强度的评定结果，如表5所示。

图7 应力最大点处的路径

表5应力强度评定结果

路径名称应力强度及组合应力强度应力强度计算值/MPa应力强度的许用极限/MPa评定结果Path01SⅡ157.451.5KSm=1.5×126=189通过SⅣ263.63Sm =3×126=378通过Path02SⅡ163.271.5KSm=1.5×126=189通过SⅣ284.993Sm =3×126=378通过Path03SⅡ123.671.5KSm=1.5×153=229.5通过SⅣ182.953Sm =3×153=459通过

注：SⅡ— 一次局部薄膜应力强度；

SⅣ— 一次+二次应力强度；

Sm— 设计温度下材料许用应力；

K— 载荷组合系数，取1。

3 疲劳强度的评定

运行时，连排设备处于温度和压力的循环波动工况下，造成了设备的疲劳损伤。主要有4种工况，即日常运行工况、设备断电工况、年度维修工况、水压工况。

因设备沿轴线方向上的温差分布不同，其热应力分析可分为2个区域。在上封头与筒身连接的区域，最大温差为9.5℃。在下封头与支座的连接区域，最大温差为设备运行温度与环境温度(环境温度22℃)之差。

3.1 日常运行工况下的疲劳评定

3.1.1 上封头与筒身部分的疲劳分析

对于上封头与筒身部分的热分析，由日常运行工况下的温度变化曲线可知，在上封头与筒身区域内，热载荷的最大温差，为9.5℃，其回转壳体沿经线方向上的任意两点长度为：

假设设备温度沿筒体轴线方向上为线性分布，则上封头与筒身任意相邻两点的金属温差为：

Δt=9.5÷(3100÷193.65)=0.6℃

在设备保温良好的工况下，壁厚方向上的温差很小，根据JB4732-1995(2005年确认版)标准中表3-4的要求，上封头与筒身部分可免作热疲劳审核[4]。

根据设备整体的应力分布可知，上封头与筒身的最大应力点，发生在人孔接管的根部，可定为疲劳校核点。利用有限元分析时，采用了线弹性计算，应力与载荷成正比关系。计算了设计工况下最大应力点的交变应力幅值，按计算的相关性，也可得到其它工况下的交变应力幅值。同时，还在模型结构中考虑了焊缝产生的应力影响，不需要再添加焊缝减弱系数。在正常运行工况下，连排设备的压力波动为0.78～1.0 MPa，最大交变应力的幅值，为26.2 MPa。因材料抗拉强度值σb≤550 MPa，则得许用循环次数N1=106。

3.1.2 下封头与支座部分的疲劳分析

对下封头与支座部分及环境之间的热分析。假设物料温度均匀，温差集中在下封头到支座底端。由图1可知，在日常工况中，下封头与支座部分和环境(环境温度22℃)的最大温差为162℃。假设支座上的温度沿经线线性分布，则任意两点间距离：

下封头到支座底端任意相邻两点之间金属温差：

Δt=162÷(690÷193.65)=45.5℃

由JB4732-1995标准中表3-4可知，因下封头、支座与环境之间金属温差的波动循环，可引起连排设备的热疲劳，应对其局部进行瞬态热分析[4]。

考虑到结构和载荷的对称性，建立了下封头、支座局部结构的1/3模型，如图8所示。图8(a)为温度场分析所用的几何模型，包含下封头、支座、接管及封头接管保温层；图8(b)为应力分析所用的几何模型，不包含保温材料。

(a)温度场分析 (b)应力分析

图8 下封头与支座部分三维几何模型

利用Ansys Workbench15.0软件进行分析，采用SOLID186单元。有限元的网格模型，如图9所示。在温度场分析模型中，有708 254个单元、1 062 142个节点。在应力分析模型中，有26 719个单元、1 062 142个节点。

(a)温度场分析模型 (b)应力分析模型

图9 下封头与支座部分的有限元模型

有限元模型的温度及压力变化曲线，如图1所示。计算时的边界条件，如表6所示。

表6计算时的边界条件

载荷类型加载部位大小温度/℃封头接管内表面174.5～184保温层支座与空气接触面22对流换热系数/(W·m-2·℃ -1)/10内压/MPa封头接管内表面0.78～1端面内压等效力/MPa封头端面-26.75～-34.29接管端面-2.04～-2.62约束条件约束部位约束类型支座下底面固定约束对称面对称约束

下封头与支座连接部分的瞬态温度分布，如图10所示。应力分布云图，如图11所示。经分析，应力最大点位于支座垫板处，在此部分的结构模型中，未考虑连接支座垫板与封头的角焊缝所产生的应力。根据JB4732-1995标准中C.4的规定，引入焊缝疲劳强度的减弱系数，取4.0，则最大交变应力的幅值，为223.7 MPa，许用循环次数N1=1.72×104。

图10 下封头与支座部分瞬态温度分布

图11 下封头与支座部分的应力分布

3.2 其它工况下的疲劳评定

与日常运行工况类似，当设备断电或在年度维修工况下，设备的疲劳损伤也是由温度及压力波动所造成的。在上封头与筒身的部分区域内，仅受压力波动的影响，可免除热疲劳评定；在下封头与支座的区域内，均承受热机疲劳的影响。各项疲劳损伤的评定结果，如表7所示。经核算，在断电工况下及年度维修工况下，设备的循环次数均能满足设计寿命的要求。

表7设备断电及年度维修工况下的疲劳评定

项目设备断电工况下年度维修工况下压力波动范围/MPa0～10～1温度波动范围/℃80～1840～184上封头与筒身部分最大交变应力幅值/MPa118.87118.87许用循环次数/次171837171837下封头与支座部分最大交变应力幅值/MPa286.89286.89许用循环次数/次109589109589

由于设备在水压工况下的运行温度保持稳定，引起疲劳损伤的主要因素是压力波动。由图6可知，最大应力点位于人孔接管的根部，故将该点设为疲劳校核点。水压工况下设备的压力波动，为0～2.16 MPa，最大交变应力的幅值，为256.76 MPa，设备的许用循环次数，为10 716，可满足水压工况下对设计寿命的要求。

根据设备的许用循环次数，选取4个工况下的用度系数，分别为0.58、0.025、 0.000 23、0.002 33。累计的损伤系数U，为0.607，设备的疲劳强度满足设计要求。

4 结 语

对连排设备进行了应力强度分析，并考虑了各种工况下的热机疲劳。经分析，设备的强度满足了设计要求，也为实际工程项目提供了设计依据。同时，利用有限元分析软件，对设备的强度及疲劳损伤进行了分析。伴随着我国研制光热发电设备的发展，也可为相关设备的设计，提供有益的参考。