50 MW太阳能光热电站高温熔盐泵泵座优化设计

成晓伟,汤文斌,姜正源

(中国电建集团上海能源装备有限公司,上海 201316)

0 前 言

太阳能热发电具有有效利用清洁太阳能、可以储热两大优势。近年来，伴随科技的发展及国家清洁可再生能源战略的布局，高温熔盐泵在新型太阳能储热电站及核电领域开始得到推广应用[1-5]，具有广阔前景。

在太阳能光热电站存储热系统中，高温熔盐泵是最重要的输送设备之一，传输介质温度可达600 ℃，泵组结构长度超过20 m，是一种典型的细长轴结构。泵座是熔盐泵的主要承载部件，承受着综合作用力，主要包括：运行产生的轴向力，流体压力，整机重力，出口管道接管载荷(力和力矩)等，其结构设计的优劣直接影响整机的安全可靠性，对泵组的振动噪声、抗震性能、疲劳寿命及长期稳定运行有重要影响。因此，对熔盐泵泵座进行强度评定及模态分析非常关键。通过对结构体展开模态分析研究可以确定结构的振动特性，越来越多的学者在流体机械领域展开相关研究[6-11]。

本文以一台光热高温熔盐泵为研究对象，对其核心支撑部件—泵座进行强度校核，并实施无预应力和有预应力的模态计算，对熔盐泵的固有频率、振幅进行分析，对2种模型的应变、振动特性进行比较，在原始结构基础上进行优化，优化泵座力学性能，提升稳定性与泵座结构通用性。

1 结构模型

高温熔盐泵本体结构示意见图1。

图1 高温熔盐泵本体结构示意

1.1 熔盐泵结构及参数

高温熔盐泵一般为VS1型立式多级液下长轴泵，变频电机位于熔盐泵顶端，泵头组件位于最底端(液下)，轴系为多段轴连接型式。关键零部件包括：喇叭口、叶轮、导流壳、扬水管、多段轴、联轴套筒、泵座组件、电机支架、推力轴承箱等，如图1所示。主要设计参数如下：

输送介质：二元熔盐；

设计温度：600 ℃；

扬程：100 m；

额定转速：1450 r/min；

轴功率：255 kW。

泵座是直接接触熔盐介质的部件，选用材质为奥氏体不锈钢347H，其材料性能属性详见表1。

表1 泵座材料性能

2 原型泵座部件有限元计算

2.1 模型建立及边界条件设置

熔盐泵泵座为焊接组件，所有重要焊接部位均经过射线探伤检查，原型泵座的三维结构模型和网格模型如图2。

图2 原型泵座结构和网格模型

由于计算域结构不规则，采用非结构化网格划分方式，并对局部区域做加密处理。以应力及变形量为监测值，划分了5套网格进行无关性验证，如表2所示。

反应SiO2(s)+2C(s)==Si(s)+2CO(g)的 ΔH=____kJ·mol-1(用含a、b的代数式表示)。SiO是反应过程中的中间产物。隔绝空气时,SiO与NaOH溶液反应(产物中硅显最高价)的化学方程式是____。

表2 网格无关性验证

由表2可以看出，随着网格数量的增加，监测值趋于稳定。综合考虑，最终采用第4种网格，网格单元数为1 994 313，节点数3 085 611。

泵座承受自重；电机重力(45 570 N)施加在支架上表面；电机启动力矩施加在支架上表面；与熔盐接触的管道内表面承受2 MPa的流体压力；转子自重、叶轮产生的轴向力以及介质重力(73 500 N)施加在泵座推力轴承处；扬水管等定子部件重力(40 000 N)施加在下部接管法兰表面；出口管道的力和力矩(按API标准)施加在出口法兰表面，在泵座底板处施加固定约束，设置好载荷及约束后对泵座模型进行求解。

2.2 强度校核

原型泵座的等效应力如图3所示，最大集中应力发生在两管道焊接点的交接相贯位置，应力值为73.18 MPa，小于材料347H在600 ℃下许用应力92.3 MPa，安全系数为1.26。

原型泵座的变形量如图4所示。由图可知最大变形量达到2.55 mm，位于电机支架上表面处，变形量较大，表明原型泵座部件的刚度较差，有一定安全隐患。

图3 原型泵座应力云

图4 原型泵座变形量

2.3 有预应力的模态分析

为了进一步校核原型泵座的可靠性，有必要进一步进行模态分析，获取结构的固有频率和对应振型，从而分析结构体在工作状态发生共振的可能性。本次执行的是有预应力的模态计算，考虑了载荷对泵座自身固有频率的影响。原型泵座的前六阶频率值见表3，对应的前4阶振型如图5所示。

表3 原型泵座固有频率

由各阶模态振型图可知：第一阶是以y轴为中心的顺时针方向扭转变形，最大振幅为0.98 mm；第二阶和第三阶分别是泵座上部朝x轴方向和朝z轴方向的弯曲变形，最大振幅分别为1.02 mm和0.95 mm；第四阶是泵座上部绕y轴顺时针方向的扭转变形，下部绕y轴逆时针方向扭转变形，最大振幅值为1.95 mm。

图5 优化泵座结构和网格模型

对于静止结构体，固有频率必须远离运行频率及激励频率(叶频、二次谐频和三次谐频)。本文研究的熔盐泵额定转速为1 450 r/min，叶轮叶片数为7，因而结构体固有频率应避免与频率24.17、167.17、338.3 Hz重合。对比表3数据，一阶频率9.5 Hz低于运行频率24.17 Hz，二阶和三阶频率非常接近运行频率，意味着在设备启动过程中泵座必然会经历共振点，处于共振状态，这说明原型泵座的结构设计存在较大安全隐患，不能完全适应设计要求。

3 优化泵座部件有限元计算

3.1 模型建立及边界条件设置

为了保证泵座的安全可靠性，进一步对熔盐泵泵座进行结构优化，优化泵座的三维结构模型和网格模型如图6所示。采用非结构化网格划分方式，并对局部区域做加密处理。网格无关性经过验证，最终网格单元数为2 069 393，节点数3 240 568。优化泵座的受力及约束情况与原型相同。

3.2 强度校核

优化泵座的等效应力如图7所示，最大集中应力同样发生在两管道焊接点的交接相贯位置，应力值减少至67.17 MPa。小于材料347H在600℃下许用应力92.3 MPa，安全系数为1.37。

图6 优化泵座应力云

图7 优化泵座变形量

优化泵座的变形量如图8所示，最大变形量为0.25 mm，位于电机支架上表面处，与原型泵座的2.55 mm相比，优化泵座的变形量值大幅度减小，说明结构刚度得到较大改善，结构的安全可靠性增加。

图8 原型泵座各阶振型

3.3 有预应力的模态分析

优化泵座经过预应力的模态分析，前六阶频率值见表4，对应的前4阶振型如图9所示。

由各阶模态振型图可知：第一阶模态振型为泵座上部朝x轴方向弯曲变形，最大振幅值为1.08 mm；第二阶模态振型为泵座下部绕y轴顺时针扭转变形，最大振幅值为1.14 mm；第三阶模态振型为泵座下部绕y轴逆时针扭转，上部朝z轴方向弯曲的弯扭组合变形，最大振幅值为1.16 mm；第四阶模态振型为泵座中部朝x轴负方向弯曲变形，最大振幅值为0.94 mm。

表4 优化泵座固有频率 /Hz

图9 优化泵座各阶振型

对比表4与表3，可以看出，优化泵座的各阶频率均得到明显提升；与熔盐泵运行频率及激励频率相比，优化泵座的一阶频率36.06 Hz高于运行频率24.17 Hz，是其1.5倍，且其余各阶频率避开了泵的运行频率和激励频率，意味着在设备启动过程中，优化泵座不会经历共振点，可以避免共振。

从强度校核及模态分析结果均可看出，优化泵座的结构设计更加完善，刚度及可靠性均优于原型，能够满足工程设计要求。

4 试验对比

2种泵座方案均经过真机试验，在相同运行工况下，对比泵座的振幅及振速值。现将试验值列举如下：

(1) 原型泵座最大振幅0.065 mm，振速5.5 mm/s;

(2) 优化泵座最大振幅0.025 mm，振速2.5 mm/s。

该熔盐泵泵座在优化前刚度差，致使设备在启动过程中(转速550～700 r/min)出现了大幅度扭曲变形及振动超标现象，泵转子部件表面磨损，无法达到额定运行转速；优化后，泵座刚度显著提升，设备运行全过程平稳，扭曲变形及振动超标现象完全消失，振动值始终保持在安全区间。原型与优化泵座现场试验见图10、11。

图10 原型泵座现场试验

图11 优化泵座现场试验

可见泵座经过优化加固后提升了熔盐泵整机的振动指标，获得了良好的效果。

5 结 论

利用有限元法对50 MW太阳能光热电站高温熔盐泵关键受力部件泵座进行强度校核，模态计算，并进行优化设计及对比试验。结果表明：

(1) 原始泵座刚度较小，在受力状态下变形量过大，第一阶固有频率低于整机运行频率，第二、三阶频率接近运行频率，导致熔盐泵在运行启动过程中出现扭曲变形及共振现象。

(2) 优化后泵座刚度显著提升，在受力状态下变形量极小，安全裕度增大；第一阶固有频率高于整机运行频率，其余各阶频率均远离运行频率和激励频率，无共振隐患，结构可靠性增强。

(3) 真机试验证明，泵座经过优化后，熔盐泵运行扭曲变形及振动超标现象消失，振动指标符合设计要求，结构的力学性能、振动特性更加稳定。该优化结构通用性强，能够适用于更高参数、更大容量的泵组。