[發明專利]一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設備設計方法

無效

• 申請號: 201210273464.0
• 申請日: 2012-08-02
• 公開（公告）號: CN102819638A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 盧日時;張晨;楊曉峰;趙云云;李剛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;F28D7/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明涉及一種光熱太陽能換熱設備設計方法。

背景技術

隨著光熱太陽能技術的蓬勃發展，光熱項目蒸發系統，儲熱系統換熱設備的設計方法也逐漸被重視。光熱發電設備具有多狀態頻繁啟停機的顯著特點。在壽命周期內一般會承受冷態啟機1000-2000次，溫態啟機2000-4000次，熱態啟機6000-10000次。這種多狀態頻繁啟停機的工況對設備使用壽命有很大的影響，在常規換熱設備和壓力容器的設計中是并不考慮頻繁多狀態啟停機對設備壽命的影響。設備的設計壽命與疲勞載荷的往復做用也沒有關聯。近些年很多事故案例表明疲勞失效是導致容器失效的重要原因，光熱太陽發電設備是典型的受往復載荷反復作用的設備，疲勞載荷導致的壽命損傷也應該是確定設備使用壽命的重要依據。如果仍然以常規設計方法設計太陽能光熱設備，則在設備壽命期內會存在安全隱患。

發明內容

本發明的目的是為解決現有利用常規設計方法設計光熱太陽能換熱設備，存在設計壽命與實際設備壽命偏差較大，設備在服役期內不能滿足多狀態頻繁啟停機工況，設備在服役期內存在因疲勞引起失效導致安全性和穩定性差的問題，進而提供一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設備設計方法。

本發明為解決上述問題采取的技術方案是：本發明的一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設備設計方法的具體步驟為：

步驟一、使用常規設計方法確定作為疲勞設計的初步幾何特征尺寸，所述確定疲勞設計的初步幾何特征尺寸的具體過程為：

(1)邊界參數確定：包括管側、殼側流體進出口溫度；管側、殼側壓力；管側、殼側流量；管側、殼側流體物性；

(2)換熱設備材料選擇：根據光熱太陽能設備性能要求及結構特點選擇適用材料；

(3)工藝設計，根據(1)所提供的邊界條件通過熱力計算確定換熱面積、流程、管子根數、管長、布管形式、管口尺寸、設備外徑和設備長度；

(4)結構設計，根據(3)中確定的工藝參數以及(1)中確定的邊界條件進行強度計算確定管板厚度、筒體厚度、封頭厚度和管口壁厚；

步驟二、將常規設計所確定的初步幾何特征尺寸，以及載荷參數、邊界條件和材料屬性通過有限元計算進行應力分析，得到結構各點的應力分布，所述初步幾何特征尺寸為步驟一中的工藝設計參數和結構設計參數，所述載荷參數為內壓、溫度和外載荷；所述邊界條件為邊界約束力、約束位移和約束轉角；所述材料屬性為彈性模量、泊松比和密度；所述結構各點的應力是按照第三強度理論所計算的應力；

所述有限元計算具體過程為：

(1)建立有限元模型，以初步幾何特征尺寸作為模型基本尺寸進行建模；

(2)有限元前處理，以載荷參數、邊界條件和材料屬性作為有限元計算的前處理求解設置；

(3)有限元計算，得到計算的結構各點的應力分布；

(4)有限元計算后處理；得到各點應力的合應力；

步驟三、針對應力分析結果，利用疲勞損傷評價準則進行評估，通過得到的結構各點的應力分布及各點合應力，找到最大合應力S，得到最大應力強度S_alt＝S/2，根據最大應力強度S_alt，通過設計疲勞曲線圖對應的數據表的數據和插值公式其中S_i＞S_alt＞S_j，計算得到最大應力強度S_alt時的理論循環次數N，利用得到最大應力強度S_alt時的使用系數U，其中n為實際循環次數，如評估結論不滿足U＜1的疲勞載荷的基本要求，分別修改結構尺寸和/或材料并重新返回步驟二進行應力分析，直至評估結論滿足U＜1的疲勞載荷基本要求；

步驟四、疲勞損傷評價結論滿足U＜1的疲勞載荷基本要求后，按照步驟二中確定的初步幾何特征尺寸對設備進行詳細設計；

步驟五、確定制造、檢驗和驗收的技術要求。

本發明的有益效果是：本發明能夠在設備的設計階段預先按照設備多狀態頻繁起停機的要求并按照疲勞壽命損傷的準則進行換熱器設計，所設計的設備考慮了頻繁啟停機或多工況周期作用時疲勞載荷引起的設備損傷，并考慮了設備損傷所引起的壽命損耗，設備在多狀態頻繁啟停機的工況下或服役期內的安全性和穩定性得到有效的保證，設計壽命與實際設備壽命偏差較小，設備使用壽命期內能夠滿足多狀態頻繁啟停機的要求，提高了設備在服役期內因疲勞失效導致安全性和穩定性，使得光熱設備設計趨于合理。

附圖說明

圖1是本發明的設計流程框圖。