太阳能光热电站熔融盐管道支吊架应力分析

doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.04.011

综合智慧能源 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (4): 85-91.doi: 10.3969/j.issn.2097-0706.2022.04.011

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太阳能光热电站熔融盐管道支吊架应力分析

陈泽泓¹(), 廖锷¹(), 吴磊²(), 曹淇²(), 陈国强²(), 杜广瀚³(), 刘桂秀³(), 李根³()

1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014
2.西北电力设计院有限公司,西安 710075
3.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049

收稿日期:2021-10-28 修回日期:2022-03-24 出版日期:2022-04-25 发布日期:2022-05-05
作者简介:陈泽泓（1987）,男,高级工程师,硕士,从事新能源规划设计研究, 02311@msdi.cn;
廖锷（1985）,男,高级工程师,硕士,从事新能源规划设计研究, 01016@msdi.cn;
吴磊（1982）,男,高级工程师,工程硕士,从事发电设计规划研究, wulei@nwepdi.com;
曹淇（1979）,男,高级工程师,从事发电设计规划研究, caoqi@nwepdi.com;
陈国强（1977）,男,高级工程师,硕士,从事电厂热机设计工作, caoqi@nwepdi.com;
杜广瀚（1997）,男,在读硕士研究生,从事槽式光热电站动态仿真与控制方面研究, 3120303026@stu.xjtu.edu.cn;
刘桂秀（1996）,女,在读硕士研究生,从事能源系统优化设计与控制方面研究, guixiuliu678@stu.xjtu.edu.cn;
李根（1986）,男,副教授,博士,从事太阳能热发电性能研究, gen.li@xjtu.edu.cn。
基金资助:
中国电建集团科技项目(DJ-ZDZX-2018-02)

Stress calculation for supports and hangers of molten salt pipelines in solar thermal power stations

CHEN Zehong¹(), LIAO E¹(), WU Lei²(), CAO Qi²(), CHEN Guoqiang²(), DU Guanghan³(), LIU Guixiu³(), LI Gen³()

1. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited,Changsha 410014, China
2. Northwest Electric Power Design Institute Company Limited,Xi'an 710075,China
3. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049, China

Received:2021-10-28 Revised:2022-03-24 Online:2022-04-25 Published:2022-05-05

摘要/Abstract

摘要：

太阳能光热电站在碳中和背景下将迎来新的发展机遇,而应力集中问题严重影响其管道运行可靠性。其中一个重要原因是太阳能光热电站熔融盐管道运行温度高、温度变化剧烈会产生较大的热应力。以某光热电站为为例,利用ANSYS Workbench软件对其管道支吊架的应力情况进行了计算分析,通过建立熔融盐管道支吊架的三维有限元模型,对各种稳态和瞬态工况进行了应力计算和分析。护板式结构在最危险的极限云遮工况下,最大应力可达约233 MPa,其中护板内部和2块护板之间的管道部分存在应力集中的现象,一次局部薄膜应力和弯曲应力超过了安全范围,存在安全问题。对支吊架进行了结构优化,并采用了管夹式结构。该优化方案可将应力控制在安全范围内,优化效果明显。

关键词: 管道支吊架, 应力分析, 结构优化, 光热电站, 有限元模型, 清洁能源, 新型电力系统, 碳中和, 熔融盐

Abstract:

Concentrating solar power plants is prospering against the backdrop of achieving carbon neutrality,but stress concentration is an important issue that dampens the reliability of pipelines. Among the reasons for the problem, an important one is that the high and volatile operating temperature of molten salt pipelines in concentrating solar power plants generates large thermal stress. Based on the case of a CSP station, the stress of its pipe support and hanger is calculated by ANSYS Workbench. According to the constructed 3D finite model of the pipe support and hanger, stress calculations and analyses were conducted for the model under various steady and transient conditions. The results show that the most dangerous working condition is the extreme cloud cover condition under which the maximum stress can reach 233 MPa.And the stress concentration appears inside the protective plate and on the pipelines between protective plates,where the local primary membrane stress and bending stress exceed the safe range. The corresponding optimization scheme for the pipe support and hanger is taking clamping structure.The proposed structure can secure the stress within a safe range.

Key words: pipe support and hanger, stress calculation, structural optimization, concentrating solar power plant, finite element model, clean energy, new power system, carbon neutrality, molten salt

中图分类号:

TK512：TM615

陈泽泓, 廖锷, 吴磊, 曹淇, 陈国强, 杜广瀚, 刘桂秀, 李根. 太阳能光热电站熔融盐管道支吊架应力分析[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(4): 85-91.

CHEN Zehong, LIAO E, WU Lei, CAO Qi, CHEN Guoqiang, DU Guanghan, LIU Guixiu, LI Gen. Stress calculation for supports and hangers of molten salt pipelines in solar thermal power stations[J]. Integrated Intelligent Energy, 2022, 44(4): 85-91.

图/表 14

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参考文献 19

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工况		描述
稳态工况	稳态运行工况	机组正常运行时的工况,管道内的熔融盐温度为585.00 ℃
稳态工况	稳态停机工况	机组停止运行后的工况,管道内的熔融盐温度为270.00 ℃
瞬态工况	瞬态启动工况	机组启动过程中的瞬态工况,熔融盐的温度在1 180 s内从270.00 ℃升温至565.00 ℃,升温速率为15 ℃/min,每天发生1次
	瞬态停机工况	机组停止运行过程中的瞬态工况,熔融盐的温度在1 180 s内从565.00 ℃降温至270.00 ℃,降温速率为15 ℃/min,每天发生1次
	低温运行工况	机组进行降温过程中的瞬态工况,熔融盐的温度在75 s内从450.00 ℃降温至290.00 ℃,降温速率为128 ℃/min
	极限云遮工况	机组温度变化最剧烈的降温工况,熔融盐的温度在75 s内从585.00 ℃降温至290.00 ℃,降温速率为236 ℃/min,每年发生30次

项目	一次局部薄膜应力/MPa	薄膜应力+弯曲应力/MPa	总应力/MPa	校核结果
评定标准	206.85	206.85	413.70
路径A	56.53	232.12	253.86	不安全
路径B	58.54	169.69	205.34	安全
路径C	69.33	171.88	172.06	安全

项目	管道上端面	管道下端面
D_x/mm	-4.081	-13.274
D_y/mm	138.670	138.560
D_z/mm	31.712
R_z/（°）	-0.44	-0.47
F_x/N	1 010	-27 470
F_y/N	38 287	5 794
F_z/N	-82 884	88 954

应力类型	计算结果/ MPa	评定标准/ MPa	评定结果
一次局部薄膜应力	57.90	206.85	安全
一次局部薄膜应力+弯曲应力	204.59	206.85	安全
总应力	218.01	413.70	安全

项目	一次局部薄膜应力/MPa	薄膜应力+弯曲应力/MPa	总应力/MPa	评定结果
评定标准	206.85	206.85	413.70	—
稳态运行工况	62.93	100.18	98.25	安全
稳态停机工况	62.57	85.03	83.80	安全
瞬态启动工况	61.44	135.85	128.07	安全
瞬态停机工况	63.63	99.97	106.53	安全
低温运行工况	60.64	121.89	140.07	安全

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