一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统

摘要

本发明公开了一种太阳能高温吸热器疲劳‑蠕变损伤评估方法及系统，属于太阳能光热发电领域，方法首先获取吸热管的温度和应力分布；以此为基础，同时考虑温度及应力对蠕变和疲劳的影响，然后基于线性损伤累积理论建立吸热器吸热管的损伤计算模型，对吸热管的疲劳和蠕变损伤进行求解计算；随后采用吸热器材料的损伤容许域来反映疲劳和蠕变的交互作用，并基于容许域提出并定义了综合损伤系数；最后，基于疲劳和蠕变损伤的几何容许域计算结果，求解吸热管的综合损伤系数，并以综合损伤系数作为评估依据，判断吸热器吸热管的损伤程度及安全裕度。本发明以综合损伤系数作为考核依据，能够快速判断吸热器运行的安全裕度，有效评估吸热器的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光热发电技术领域，更具体地，涉及一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统。

背景技术

太阳能光热发电已成为太阳能发电的主要方式之一，通常通过定日镜场将太阳光集中于太阳能吸热器，通过吸热器进行能量转换，加热换热工质，产生高温蒸汽，通过高温蒸汽驱动汽轮机发电机组进行电力供给。作为光热转换的核心部件，太阳能高温吸热器的性能直接影响着整个光热发电系统的安全高效运行。

由于吸热器表面的太阳能辐射能流分布极不均匀，且峰值较大。易导致吸热器出现局部温度偏高，温度梯度大的现象，使吸热器产生较大的热应力，从而造成失效破坏，因此对吸热器进行强度分析，是保证系统安全的重要环节。

目前对于吸热器的强度分析评估，主要为以应力大小为标准的静强度分析评价方法。但由于太阳辐射能流密度受昼夜及环境影响，具有一定的周期性，使得吸热器长期处于变负荷下运行，造成疲劳应变和疲劳损伤。另外，在高温的运行环境下，吸热器还会出现蠕变现象及蠕变损伤。疲劳和蠕变会发生交互作用，加剧吸热器的破坏失效。仅开展静强度分析已不能确保高温吸热器的安全。

因此，有必要研究一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统，其目的在于提供一种基于线性损伤累积理论的太阳能吸热器吸热管的疲劳损伤和蠕变损伤综合表征方法，由此解决现有对于吸热器的强度分析评估不能确保高温吸热器的安全的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，包括如下步骤：

(S1)根据吸热管的温度场分布和等效应力分布，以冯米拉斯强度准则确定吸热管的潜在危险点；

(S2)通过拟合吸热管的低周疲劳测试数据确定吸热管材料的疲劳特性参数，利用所述等效应力分布通过拟合吸热管的单轴蠕变测试数据获得吸热管材料的蠕变特性参数；

(S3)利用所述疲劳特性参数确定吸热管的疲劳寿命，利用所述潜在危险点的温度、等效应力和所述蠕变特性参数确定吸热管的蠕变寿命；

(S4)结合吸热管的设计寿命、所述疲劳寿命、所述蠕变寿命计算得到吸热管的疲劳损伤值D

(S5)将所述疲劳损伤值D

其中，以蠕变损伤为横坐标，疲劳损伤为纵坐标，原点o与坐标点M(D

若D

优选地，步骤(S4)中，利用公式(9)和公式(10)计算得到吸热管的疲劳损伤值D

其中，吸热管的设计寿命包括吸热管的载荷循环寿命和运行时长寿命，n

优选地，步骤(S1)中，吸热管的温度场分布的获取方法为：

(S1.1)确定吸热管的尺寸参数、进出口条件和表面的热流密度分布；

(S1.2)以连续性方程、动量方程、能量方程为控制方程，建立共轭传热模型；

(S1.3)利用所述共轭传热模型，以所述进出口条件和所述热流密度分布作为边界条件，结合所述尺寸参数，通过有限体积法，对吸热管壁温进行模拟计算，获取吸热管的温度场分布。

优选地，步骤(S1)中，吸热管的等效应力分布的获取方法为：

(S2.1)计算吸热器的径向热应力分量σ

(S2.2)计算吸热器的径向压应力分量σ

(S2.3)利用公式(3)对相同方向上的热应力分量和压应力分量进行线性叠加，计算吸热管的径向等效应力分量σ

(S2.4)根据所述等效应力分量利用公式(4)计算吸热管的等效应力分布σ

优选地，步骤(S2.1)中，利用公式(1)计算吸热器的热应力分量σ

式中，ΔT为所述最大壁温差，E为弹性模量，ν为泊松比，α为热膨胀系数，r

优选地，步骤(S2.2)中，利用公式(2)计算吸热器的压应力分量σ

式中，P

优选地，步骤(S2)中，利用公式(5)拟合吸热管的低周疲劳测试数据确定所述疲劳特性参数σ′

式中，σ′

优选地，步骤(S2)中，利用公式(6)拟合吸热管的单轴蠕变测试数据确定所述蠕变特性参数β

式中，β

优选地，步骤(S3)中，利用公式(7)和(8)确定吸热管的疲劳寿命n

将潜在危险点的温度作为T值，与β

作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：

一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估系统，包括：

潜在危险点确定模块，用于根据吸热管的温度场分布和等效应力分布，以冯米拉斯强度准则确定吸热管的潜在危险点及其温度；

拟合模块，用于通过拟合吸热管的低周疲劳测试数据确定吸热管材料的疲劳特性参数，利用所述等效应力分布通过拟合吸热管的单轴蠕变测试数据获得吸热管材料的蠕变特性参数；

疲劳寿命与蠕变寿命确定模块，用于利用所述疲劳特性参数确定吸热管的疲劳寿命，利用所述潜在危险点的温度和所述蠕变特性参数确定吸热管的蠕变寿命；

损伤值计算模块，用于结合吸热管的设计寿命、所述疲劳寿命、所述蠕变寿命计算得到吸热管的疲劳损伤值D

损伤评估模块，用于将所述疲劳损伤值D

其中，以蠕变损伤为横坐标，疲劳损伤为纵坐标，原点o与坐标点M(D

若D

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供了一种能够有效表征吸热器吸热管损伤程度的综合评价方法，通过引入损伤变量量化了吸热器换热器由于疲劳和蠕变造成的损伤程度，并结合材料的损伤容许域充分考虑了疲劳和蠕变间的交互作用；根据各项损伤和损伤域定义了综合损伤系数,通过综合损伤系数能够综合表征疲劳、蠕变以及疲劳-蠕变交互作用对吸热器吸热管的影响；以综合损伤系数的大小作为考核依据，能够快速判断吸热器运行的安全裕度，有效评估吸热器的安全性；本发明提供的方法不仅能保证吸热器吸热管在静强度方面的评估，而且还能更为全面地考虑疲劳和蠕变对吸热器的影响。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法流程图；

图2是本发明较佳实施例中吸热管温度场分布云图；

图3(a)是本发明较佳实施例中吸热管的温度轴向分布曲线；

图3(b)是本发明较佳实施例中吸热管的温度周向分布曲线；

图4是本发明较佳实施例中吸热管沿管长方向的应力分布曲线；

图5是本发明较佳实施例中不同进口流量的最大内壁温度变化曲线；

图6是本发明较佳实施例中不同进口流量下吸热管的最大应力变化曲线；

图7是本发明较佳实施例中不同进口流量下吸热管的疲劳和蠕变损伤变换曲线；

图8是本发明较佳实施例中吸热管材料的损伤容许域；

图9是本发明较佳实施例中不同流量下吸热管的综合损伤系数曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供一种太阳能高温吸热器吸热管的疲劳与损伤综合表征方法，包括以下步骤：

1、根据太阳能电站发电系统的设计参数及镜场布局，获取吸热器的尺寸参数以及表面的热流密度分布情况和运行参数，以此为基础，确定单根吸热管的尺寸参数、进出口条件和表面的热流分布

2、以连续性方程、动量方程、能量方程为控制方程，建立单根吸热管的共轭传热模型，。然后以步骤1中单管的进出口条件和热流密度分布情况

3、材料选型获取材料的力学参数：弹性模量E、泊松比ν以及热膨胀系数α。基于弹性力学理论公式，建立吸热管的应力计算模型，参见式(1)～(3)。根据步骤2得到的吸热管温度场分布T(r,θ,z)，r,θ,z为吸热管任意一点在圆柱坐标系中的坐标，r表示吸热管任意一点的径向坐标，θ表示任意一点的圆周角坐标，Z表示任意点的轴向坐标，求解吸热器的径向热应力分量σ

式中，ΔT为所述最大壁温差，E为弹性模量，ν为泊松比，α为热膨胀系数，r

4、根据步骤2获取的温度分布T(r,θ,z)和步骤3获取的等效应力分布σ

式中σ′

5、根据步骤2～4获取的危险点的温度T和应力分布σ

6、根据步骤5获取的疲劳寿命n

7、计算综合损伤系数D

本发明提供了一种基于综合损伤系数的太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，对吸热器吸热管的疲劳和蠕变损伤进行综合表征，建立吸热器的安全评估方法。首先根据吸热器的尺寸参数、太阳能热流密度分布，建立吸热器吸热管的计算模型，获取吸热器吸热管的温度和应力分布；并以此为基础，通过Manson–Coffin公式及Mendelson-Roberts-Manson关联式，同时考虑温度及应力对蠕变和疲劳的影响，然后基于线性损伤累积理论(LDA)建立吸热器吸热管的损伤计算模型，对吸热管的疲劳和蠕变损伤进行求解计算，从而评估疲劳、蠕变对吸热器安全性的影响。随后采用吸热器选型材料的损伤容许域来反映疲劳和蠕变的交互作用，并基于容许域提出并定义了综合损伤系数D

(1)采用损伤变量量化吸热器吸热管的疲劳和蠕变损伤程度，综合考虑了应力和温度的影响，并通过损伤容许域反映疲劳和蠕变的交互作用。

(2)根据损伤容许域定义了综合损伤系数D

(3)以综合损伤系数的大小为考核依据，能够快速判断吸热器的安全裕度，

对吸热器吸热管进行安全性评价。

以下以某一太阳能塔式光热电站为例，使用本发明所述方法，对吸热器进行安全性评估。该吸热器的峰值热流密度为0.6MW/m

根据本方法的具体步骤：

1、根据吸热器表面的热流分布情况，获取吸热器单根吸热管的热流密度分布

式中L为吸热管长度，q

2、以步骤1中获取的吸热管热流密度分布情况

3、首先根据步骤2中求解的温度场分布T(r,θ,z)，获取吸热器选型材料Haynes230的力学特性参数E、α。然后根据温度场分布和运行压力，采用弹性力学理论公式分别计算吸热管的等效热应力σ

4、按照步骤2～3的方法，求解运行流量区间内，吸热管的内壁最大温度T

5、已知吸热器材料选型为Haynes230，根据Manson-Coffin公式(4)和材料的低周疲劳实验测试数据，可以获取式中的材料常数σ′

6、以步骤4获取的危险点处的温度T

7、首先根据吸热器的选材Haynes230，确定相应的损伤容许域，参见图8。然后根据步骤6求得的疲劳损伤和蠕变损伤。根据式(10)综合损伤系数的定义，可以求得流量取值区间内不同流量吸热器吸热管的综合损伤系数D

本发明实施例还提供一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估系统，包括：

潜在危险点确定模块，用于根据吸热管的温度场分布和等效应力分布，以冯米拉斯强度准则确定吸热管的潜在危险点及其温度；

拟合模块，用于通过拟合吸热管的低周疲劳测试数据确定吸热管材料的疲劳特性参数，利用所述等效应力分布通过拟合吸热管的单轴蠕变测试数据获得吸热管材料的蠕变特性参数；

疲劳寿命与蠕变寿命确定模块，用于利用所述疲劳特性参数确定吸热管的疲劳寿命，利用所述潜在危险点的温度和所述蠕变特性参数确定吸热管的蠕变寿命；

损伤值计算模块，用于结合吸热管的设计寿命、所述疲劳寿命、所述蠕变寿命计算得到吸热管的疲劳损伤值D

损伤评估模块，用于将所述疲劳损伤值D

其中，以蠕变损伤为横坐标，疲劳损伤为纵坐标，原点o与坐标点M(D

若D

其中，各模块的具体实施方式可以参考方法实施例中的描述，本发明实施例将不再复述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。