唐 卉，張福君，李 明

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概 述

太陽能是取之不竭的可再生能源，利用太陽能發(fā)電是開拓新的清潔能源、保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排的有效途徑。目前，較為成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)，為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和太陽能光熱發(fā)電技術(shù)。光熱發(fā)電的能量采集方式，主要有塔式、槽式和碟式等采集方式。在國外，槽式和塔式的太陽能光熱發(fā)電站，已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，而碟式發(fā)電系統(tǒng)仍處于示范階段[1]。

現(xiàn)今，在美國和西班牙的槽式光熱發(fā)電廠，均處于示范運(yùn)行狀態(tài)，光熱機(jī)組的裝機(jī)容量為13.8～50 MW。在槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)中，主要加熱設(shè)備是聚光器。2014年10月，由我國研制的槽式太陽能聚光器已在通州實(shí)驗(yàn)基地開始運(yùn)行，該聚光器的峰值輸出功率為10 kW，而槽式光熱系統(tǒng)中的其他設(shè)備，現(xiàn)仍在研制或正在改進(jìn)中。據(jù)我國能源局的要求，現(xiàn)已啟動了單機(jī)功率不低于50 MW槽式光熱發(fā)電項(xiàng)目。在2014～2016年，建成了一批商業(yè)化的光電機(jī)組示范項(xiàng)目，至2017年進(jìn)入了大規(guī)模的建設(shè)階段，將在2020年，完成3 GW的光熱機(jī)組的裝機(jī)容量，至2030年，將完成29 GW裝機(jī)容量，未來光熱發(fā)電項(xiàng)目將大批上馬，并將快速發(fā)展[2]。

光熱發(fā)電技術(shù)是解決當(dāng)前能源資源和環(huán)境等問題的有效途徑和方法，因此，研制高效及性能優(yōu)良的配套設(shè)備，也顯得尤為重要。為了滿足光熱發(fā)電系統(tǒng)中對連續(xù)排污擴(kuò)容器性能的要求，現(xiàn)利用有限元軟件，對擴(kuò)容器進(jìn)行強(qiáng)度分析和熱機(jī)疲勞分析。

1 設(shè)計參數(shù)及計算模型

1.1 設(shè)計參數(shù)

連續(xù)排污擴(kuò)容器(簡稱連排)的基本設(shè)計參數(shù)，如表1所示。設(shè)備運(yùn)行時的溫度及壓力變化曲線，如圖1所示。設(shè)備的材料性能參數(shù)，如表2、表3[3]所示。

表1基本設(shè)計參數(shù)

設(shè)計壓力/MPa1.35設(shè)計溫度/℃300腐蝕裕量/mm1.0保溫材料厚度/mm120保溫材料巖棉設(shè)計壽命/年25正常工況下起停次數(shù)/次10000斷電工況/次2700檢修工況/次25水壓工況/次25

(a) 溫度變化

(b) 壓力變化

(a) 溫度變化

(b) 壓力變化

(a) 溫度變化

(b) 壓力變化

表2材料性能參數(shù)

部件名稱材料牌號設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度(室溫)/MPa設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度(設(shè)計溫度)/MPa彈性模量/MPa泊松比封頭、筒體、支座Q345R212.5153接管20170.81081830000.3

表3不同溫度下材料的性能參數(shù)

項(xiàng)目碳鋼巖棉溫度/℃熱膨脹系數(shù)/C^-1導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m -1·℃ -1)比熱/(J·kg -1·℃ -1)熱膨脹系數(shù)/C^-1導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m -1·℃ -1)比熱/(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 計算模型

首先，建立了連排設(shè)備的結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。對不連續(xù)區(qū)域進(jìn)行了局部的網(wǎng)格細(xì)分。連排模型的總單元格數(shù)，為157 748，總節(jié)點(diǎn)數(shù)，為796 768。網(wǎng)格劃分后的有限元模型，如圖3、圖4所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 有限元模型

圖4 有限元模型局部圖

2 應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核

2.1 計算時的邊界條件

利用Ansys Workbench15.0軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，選用對象為高階實(shí)體單元SOLID186，可更很好地模擬不連續(xù)區(qū)的應(yīng)力集中狀況。有限元分析模型的邊界條件，如表4所示。設(shè)計工況下的加載負(fù)荷，如圖5所示。

表4模型邊界條件

載荷類型加載部位大小(設(shè)計工況)內(nèi)壓/MPa筒體封頭接管內(nèi)表面1.35接管端面內(nèi)壓等效力/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約束條件約束部位約束類型支腿下底面固定約束

圖5 設(shè)計工況下的加載負(fù)荷

2.2 應(yīng)力強(qiáng)度評定

經(jīng)模擬計算，連排設(shè)備的應(yīng)力分布云圖，如圖6所示，并對連排設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定。應(yīng)力評定結(jié)果表明，滿足設(shè)計要求。

圖6 整體應(yīng)力分布云圖

經(jīng)過有限元計算，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大處位于人孔接管的根部。在應(yīng)力最大處定義評定的路徑，路徑位置的分布，如圖7所示。應(yīng)力強(qiáng)度的評定結(jié)果，如表5所示。

圖7 應(yīng)力最大點(diǎn)處的路徑

表5應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果

路徑名稱應(yīng)力強(qiáng)度及組合應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度計算值/MPa應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限/MPa評定結(jié)果Path01SⅡ157.451.5KSm=1.5×126=189通過SⅣ263.63Sm =3×126=378通過Path02SⅡ163.271.5KSm=1.5×126=189通過SⅣ284.993Sm =3×126=378通過Path03SⅡ123.671.5KSm=1.5×153=229.5通過SⅣ182.953Sm =3×153=459通過

注：SⅡ— 一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；

SⅣ— 一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度；

Sm— 設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力；

K— 載荷組合系數(shù)，取1。

3 疲勞強(qiáng)度的評定

運(yùn)行時，連排設(shè)備處于溫度和壓力的循環(huán)波動工況下，造成了設(shè)備的疲勞損傷。主要有4種工況，即日常運(yùn)行工況、設(shè)備斷電工況、年度維修工況、水壓工況。

因設(shè)備沿軸線方向上的溫差分布不同，其熱應(yīng)力分析可分為2個區(qū)域。在上封頭與筒身連接的區(qū)域，最大溫差為9.5℃。在下封頭與支座的連接區(qū)域，最大溫差為設(shè)備運(yùn)行溫度與環(huán)境溫度(環(huán)境溫度22℃)之差。

3.1 日常運(yùn)行工況下的疲勞評定

3.1.1 上封頭與筒身部分的疲勞分析

對于上封頭與筒身部分的熱分析，由日常運(yùn)行工況下的溫度變化曲線可知，在上封頭與筒身區(qū)域內(nèi)，熱載荷的最大溫差，為9.5℃，其回轉(zhuǎn)殼體沿經(jīng)線方向上的任意兩點(diǎn)長度為：

假設(shè)設(shè)備溫度沿筒體軸線方向上為線性分布，則上封頭與筒身任意相鄰兩點(diǎn)的金屬溫差為：

Δt=9.5÷(3100÷193.65)=0.6℃

在設(shè)備保溫良好的工況下，壁厚方向上的溫差很小，根據(jù)JB4732-1995(2005年確認(rèn)版)標(biāo)準(zhǔn)中表3-4的要求，上封頭與筒身部分可免作熱疲勞審核[4]。

根據(jù)設(shè)備整體的應(yīng)力分布可知，上封頭與筒身的最大應(yīng)力點(diǎn)，發(fā)生在人孔接管的根部，可定為疲勞校核點(diǎn)。利用有限元分析時，采用了線彈性計算，應(yīng)力與載荷成正比關(guān)系。計算了設(shè)計工況下最大應(yīng)力點(diǎn)的交變應(yīng)力幅值，按計算的相關(guān)性，也可得到其它工況下的交變應(yīng)力幅值。同時，還在模型結(jié)構(gòu)中考慮了焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力影響，不需要再添加焊縫減弱系數(shù)。在正常運(yùn)行工況下，連排設(shè)備的壓力波動為0.78～1.0 MPa，最大交變應(yīng)力的幅值，為26.2 MPa。因材料抗拉強(qiáng)度值σb≤550 MPa，則得許用循環(huán)次數(shù)N1=106。

3.1.2 下封頭與支座部分的疲勞分析

對下封頭與支座部分及環(huán)境之間的熱分析。假設(shè)物料溫度均勻，溫差集中在下封頭到支座底端。由圖1可知，在日常工況中，下封頭與支座部分和環(huán)境(環(huán)境溫度22℃)的最大溫差為162℃。假設(shè)支座上的溫度沿經(jīng)線線性分布，則任意兩點(diǎn)間距離：

下封頭到支座底端任意相鄰兩點(diǎn)之間金屬溫差：

Δt=162÷(690÷193.65)=45.5℃

由JB4732-1995標(biāo)準(zhǔn)中表3-4可知，因下封頭、支座與環(huán)境之間金屬溫差的波動循環(huán)，可引起連排設(shè)備的熱疲勞，應(yīng)對其局部進(jìn)行瞬態(tài)熱分析[4]。

考慮到結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，建立了下封頭、支座局部結(jié)構(gòu)的1/3模型，如圖8所示。圖8(a)為溫度場分析所用的幾何模型，包含下封頭、支座、接管及封頭接管保溫層；圖8(b)為應(yīng)力分析所用的幾何模型，不包含保溫材料。

(a)溫度場分析 (b)應(yīng)力分析

圖8 下封頭與支座部分三維幾何模型

利用Ansys Workbench15.0軟件進(jìn)行分析，采用SOLID186單元。有限元的網(wǎng)格模型，如圖9所示。在溫度場分析模型中，有708 254個單元、1 062 142個節(jié)點(diǎn)。在應(yīng)力分析模型中，有26 719個單元、1 062 142個節(jié)點(diǎn)。

(a)溫度場分析模型 (b)應(yīng)力分析模型

圖9 下封頭與支座部分的有限元模型

有限元模型的溫度及壓力變化曲線，如圖1所示。計算時的邊界條件，如表6所示。

表6計算時的邊界條件

載荷類型加載部位大小溫度/℃封頭接管內(nèi)表面174.5～184保溫層支座與空氣接觸面22對流換熱系數(shù)/(W·m-2·℃ -1)/10內(nèi)壓/MPa封頭接管內(nèi)表面0.78～1端面內(nèi)壓等效力/MPa封頭端面-26.75～-34.29接管端面-2.04～-2.62約束條件約束部位約束類型支座下底面固定約束對稱面對稱約束

下封頭與支座連接部分的瞬態(tài)溫度分布，如圖10所示。應(yīng)力分布云圖，如圖11所示。經(jīng)分析，應(yīng)力最大點(diǎn)位于支座墊板處，在此部分的結(jié)構(gòu)模型中，未考慮連接支座墊板與封頭的角焊縫所產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)JB4732-1995標(biāo)準(zhǔn)中C.4的規(guī)定，引入焊縫疲勞強(qiáng)度的減弱系數(shù)，取4.0，則最大交變應(yīng)力的幅值，為223.7 MPa，許用循環(huán)次數(shù)N1=1.72×104。

圖10 下封頭與支座部分瞬態(tài)溫度分布

圖11 下封頭與支座部分的應(yīng)力分布

3.2 其它工況下的疲勞評定

與日常運(yùn)行工況類似，當(dāng)設(shè)備斷電或在年度維修工況下，設(shè)備的疲勞損傷也是由溫度及壓力波動所造成的。在上封頭與筒身的部分區(qū)域內(nèi)，僅受壓力波動的影響，可免除熱疲勞評定；在下封頭與支座的區(qū)域內(nèi)，均承受熱機(jī)疲勞的影響。各項(xiàng)疲勞損傷的評定結(jié)果，如表7所示。經(jīng)核算，在斷電工況下及年度維修工況下，設(shè)備的循環(huán)次數(shù)均能滿足設(shè)計壽命的要求。

表7設(shè)備斷電及年度維修工況下的疲勞評定

項(xiàng)目設(shè)備斷電工況下年度維修工況下壓力波動范圍/MPa0～10～1溫度波動范圍/℃80～1840～184上封頭與筒身部分最大交變應(yīng)力幅值/MPa118.87118.87許用循環(huán)次數(shù)/次171837171837下封頭與支座部分最大交變應(yīng)力幅值/MPa286.89286.89許用循環(huán)次數(shù)/次109589109589

由于設(shè)備在水壓工況下的運(yùn)行溫度保持穩(wěn)定，引起疲勞損傷的主要因素是壓力波動。由圖6可知，最大應(yīng)力點(diǎn)位于人孔接管的根部，故將該點(diǎn)設(shè)為疲勞校核點(diǎn)。水壓工況下設(shè)備的壓力波動，為0～2.16 MPa，最大交變應(yīng)力的幅值，為256.76 MPa，設(shè)備的許用循環(huán)次數(shù)，為10 716，可滿足水壓工況下對設(shè)計壽命的要求。

根據(jù)設(shè)備的許用循環(huán)次數(shù)，選取4個工況下的用度系數(shù)，分別為0.58、0.025、 0.000 23、0.002 33。累計的損傷系數(shù)U，為0.607，設(shè)備的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

對連排設(shè)備進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度分析，并考慮了各種工況下的熱機(jī)疲勞。經(jīng)分析，設(shè)備的強(qiáng)度滿足了設(shè)計要求，也為實(shí)際工程項(xiàng)目提供了設(shè)計依據(jù)。同時，利用有限元分析軟件，對設(shè)備的強(qiáng)度及疲勞損傷進(jìn)行了分析。伴隨著我國研制光熱發(fā)電設(shè)備的發(fā)展，也可為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計，提供有益的參考。