CN113297754B - 一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统 - Google Patents
一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113297754B CN113297754B CN202110737969.7A CN202110737969A CN113297754B CN 113297754 B CN113297754 B CN 113297754B CN 202110737969 A CN202110737969 A CN 202110737969A CN 113297754 B CN113297754 B CN 113297754B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat
- fatigue
- creep
- damage
- heat absorption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000006378 damage Effects 0.000 title claims abstract description 143
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 title claims abstract description 140
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 118
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000035882 stress Effects 0.000 claims description 57
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 43
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 claims description 16
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 12
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 8
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 7
- 238000003795 desorption Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000306 component Substances 0.000 description 24
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0639—Performance analysis of employees; Performance analysis of enterprise or organisation operations
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0071—Creep
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0073—Fatigue
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Pathology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Economics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Marketing (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
Abstract
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。
Description
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Dc和蠕变损伤值Df；
(S5)将所述疲劳损伤值Dc和所述蠕变损伤值Df代入下式计算得到吸热管的综合损伤系数DA：
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(Df，Dc)的连线OM与吸热管的损伤容许域的交点为G(D′f,D′c)；
若DA>1，则吸热管无法满足设计年限；若DA≤1，则吸热管能够满足设计年限，且该数值越小，吸热器设计的安全裕度越大。
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Dc和蠕变损伤值Df：
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，ndesign为吸热管的载荷循环寿命，tdesign为吸热管的运行时长寿命，tc(σeq,T)为吸热管的蠕变寿命，nR(σeq,T)为吸热管的疲劳寿命。
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σr,T、周向热应力分量σθ,T、轴向热应力分量σz,T；
(S2.2)计算吸热器的径向压应力分量σr,P、周向压应力分量σθ,P、轴向压应力分量σz,P；
(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σr、周向等效应力分量σθ、轴向等效应力分量σz：
(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σeq：
优选地，步骤(S2.1)中，利用公式(1)计算吸热器的热应力分量σr,T、σθ,T、σz,T：
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，ro为吸热管外径，ri为吸热管内径，r为吸热管任意位置的半径。
优选地，步骤(S2.2)中，利用公式(2)计算吸热器的压应力分量σr,P、σθ,P、σz,P：
式中，Pi为吸热管的管内运行压力。
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′f、b、ε′f、c：
式中，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳塑性系数，c为疲劳塑性指数，Nf为吸热管的循环寿命次数，Δεt为吸热管的总应变幅值，Δεe为吸热管的弹性应变幅值，Δεp为吸热管的塑性应变幅值；拟合时Nf、Δεt、Δεe、Δεp的数值从低周疲劳测试数据获得。
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β0、β1、β2、β3：
式中，β0、β1、β2、β3为吸热管材料的蠕变特性参数，为常数；T为吸热管上的点的温度，tc为蠕变寿命，拟合时温度T与蠕变寿命tc的数值从单轴蠕变测试数据获得。
优选地，步骤(S3)中，利用公式(7)和(8)确定吸热管的疲劳寿命nR(σeq,T)：
将潜在危险点的温度作为T值，与β0、β1、β2、β3代入公式(6)，计算得到的tc值即吸热管的蠕变寿命tc(σeq,T)。
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Dc和蠕变损伤值Df；
损伤评估模块，用于将所述疲劳损伤值Dc和所述蠕变损伤值Df代入下式计算得到吸热管的综合损伤系数DA：
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(Df，Dc)的连线OM与吸热管的损伤容许域的交点为G(D′f,D′c)；
若DA>1，则吸热管无法满足设计年限；若DA≤1，则吸热管能够满足设计年限，且该数值越小，吸热器设计的安全裕度越大。
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作为边界条件，通过有限体积法，对吸热管壁温Tw进行模拟计算，获取对应的温度场分布T(r,θ,z)，并确定吸热管的最大壁温Tw,max以及最大壁温差ΔTw,max。
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σr,T、周向热应力分量σθ,T、轴向热应力分量σz,T。根据管内压力P，求解吸热管的径向压应力分量σr,P、周向压应力分量σθ,P、轴向压应力分量σz,P。对相同方向上的热应力分量和压应力分量进行线性叠加，并求解吸热管的等效应力分量σr、σθ、σz。根据等效应力分量计算，求解吸热管的等效应力σeq。
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，ro为吸热管外径，ri为吸热管内径，r为吸热管任意位置的半径，Pi为吸热管内的运行压力。
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σeq，以冯米拉斯强度准则，确定吸热器的材料选型和潜在危险点。根据材料选型和吸热管所处温度区间，采用Manson-Coffin公式(4)和低周疲劳测试数据，确定材料的疲劳特性参数，并根据材料的单轴蠕变测试数据和Mendelson-Roberts-Manson关联式式(5)，确定材料的蠕变特性参数。
式中σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳塑性系数，c为疲劳塑性指数，循环寿命次数Nf＝nR(σi,T)。式中β0、β1、β2、β3为常数，可通过拟合选型材料的单轴蠕变测试数据获得。Δεt为吸热管的总应变幅值，Δεe为吸热管的弹性应变幅值，Δεp为吸热管的塑性应变幅值；拟合时Nf、Δεt、Δεe、Δεp的数值从低周疲劳测试数据获得。
5、根据步骤2～4获取的危险点的温度T和应力分布σi以及材料的疲劳特性参数，采用虎克定律及Manson-Coffin公式确定吸热器吸热管的循环寿命次数Nf＝nR(σi,T)，参见式(6)～(7)。同样以步骤2～4获取的危险点的温度T和应力分布σi以及材料的蠕变特性参数为输入参数，根据式(10)Mendelson-Roberts-Manson关联式可以确定吸热器吸热管的蠕变寿命tc(σi,T)。
6、根据步骤5获取的疲劳寿命nR(σi,T)和蠕变寿命tc(σeq,T)以及吸热器的设计寿命ndesign、tdesign，结合线性损伤理论Miner定律，采用式(8)和式(9)分别计算吸热管的疲劳损伤值Dc和蠕变损伤值Df。根据吸热器的材料选型，选取相应的损伤容许域，并基于损伤域定义综合损伤系数DA。然后根据吸热器吸热管的疲劳损伤Dc和蠕变损伤Df求解吸热器吸热管的综合损伤系数DA，以此来评估吸热器的损伤程度，确定吸热器的安全裕度，建立吸热器的损伤评估方法。
7、计算综合损伤系数DA并判断吸热管的安全。按上述模型计算的损伤值Df和Dc，可在图8中确定坐标点M,若射线OM与损伤容许域的交点为G(D′f,D′c)，定义综合损伤系数DA为线段OM与OG的长度之比，具体表达式参见式(10)。若吸热管的损伤点在损伤容许域外，则DA>1，吸热管无法满足设计年限；若在损伤域内则DA≤1，吸热管能够满足设计年限，且该数值越小，吸热器设计的安全裕度越大。
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DA。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DA，并以综合损伤系数DA作为评估依据，根据DA的取值区间判断吸热器吸热管的损伤程度及安全裕度。具有以下优点：
(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DA，能够有效表征吸热器吸热管的损伤程度及安全裕度。
(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/m2,进口温度为470℃，单管进口流量在0.25kg/s～2kg/s间变化，运行压力为20MPa，其设计材料为Haynes230。
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在吸热管的迎光侧，热流密度沿周向呈余弦分布，轴向呈高斯分布，背光侧为绝热面，根据吸热管的热流分布拟合相应的表达式，具体如下：
式中L为吸热管长度，qmax为发电系统设置的最大热流密度，与吸热器的峰值热流密度相同，为0.6MW/m2。
2、以步骤1中获取的吸热管热流密度分布情况作为换热边界,并根据吸热器的运行参数确定单根吸热管的进出口边界，进口流量0.25kg/s,进口温度470℃，出口采用压力出口。基于控制方程和边界条件，建立单根吸热管的共轭传热模型，并采用商业软件Fluent对模型进行求解，获取吸热管的温度场分布T(r,θ,z)，吸热管的温度分布云图如图2所示，具体的参数变化如图3(a)和图3(b)。
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σeq,T、等效压应力σeq,P以及总的等效应力σeq，吸热管的应力分布参见图4。通过温度场和应力场的分布可知，在吸热管迎光面的内壁中部有最大应力分布σeq,max，且内壁的最大壁温Tinner,max同样位于吸热管中部，因此可以断定吸热管的潜在危险点在吸热管内壁的中部。
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Tinner,max以及最大等效应力σeq,max，具体的变化趋势如图5、图6。
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′f、E、b、ε′f、c；根据Mendelson-Roberts-Manson关联式和材料的单轴蠕变测试数据，可以获取关联式(5)与材料蠕变特性有关的常系数项β0、β1、β2、β3，从而得到对应的关联式，参见式(12)。
6、以步骤4获取的危险点处的温度Tinner,max和应力σeq,max作为输入参数，采用线性损伤累积理论，对吸热器载荷循环次数nR(σi,T)和蠕变寿命tR(σi,T)进行计算。根据吸热器的设计要求，吸热器需安全运行30年，即设计寿命内需承受的载荷循环次数为ndesign＝10000次，高温条件下需运行tdesign＝100000h，则根据式(8)、式(9)可分别求得设计寿命内吸热器吸热管的疲劳损伤和蠕变损伤，流量区间内吸热管的损伤随流量的变化曲线参见图7。
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DA，参见图9。由图9可知，吸热管流量等于0.3kg/s时，DA＝1，该流量是吸热器单根吸热管的安全阀值。当单管流量小于0.3kg/s时，DA>1，吸热器不能满足设计寿命；当流量大于0.3kg/s时，DA<1，且流量越大，吸热器的安全裕度越大。
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Dc和蠕变损伤值Df；
损伤评估模块，用于将所述疲劳损伤值Dc和所述蠕变损伤值Df代入下式计算得到吸热管的综合损伤系数DA：
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(Df，Dc)的连线OM与吸热管的损伤容许域的交点为G(D′f,D′c)；
若DA>1，则吸热管无法满足设计年限；若DA≤1，则吸热管能够满足设计年限，且该数值越小，吸热器设计的安全裕度越大。
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。
Claims (9)
1.一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，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Dc和蠕变损伤值Df；
(S5)将所述疲劳损伤值Dc和所述蠕变损伤值Df代入下式计算得到吸热管的综合损伤系数DA：
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(Df，Dc)的连线OM与吸热管的损伤容许域的交点为G(D′f,D′c)；
若DA>1，则吸热管无法满足设计年限；若DA≤1，则吸热管能够满足设计年限，且DA越小，吸热器设计的安全裕度越大；
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Dc和蠕变损伤值Df：
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，ndesign为吸热管的载荷循环寿命，tdesign为吸热管的运行时长寿命，tc(σeq,T)为吸热管的蠕变寿命，nR(σeq,T)为吸热管的疲劳寿命。
2.如权利要求1所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，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σr,T、周向热应力分量σθ,T、轴向热应力分量σz,T；
(S2.2)计算吸热器的径向压应力分量σr,P、周向压应力分量σθ,P、轴向压应力分量σz,P；
(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σr、周向等效应力分量σθ、轴向等效应力分量σz：
(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σeq：
4.如权利要求3所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，步骤(S2.1)中，利用公式(1)计算吸热器的热应力分量σr,T、σθ,T、σz,T：
式中，ΔT为最大壁温差，E为弹性模量，ν为泊松比，α为热膨胀系数，ro为吸热管外径，ri为吸热管内径，r为吸热管任意位置的半径。
5.如权利要求4所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，步骤(S2.2)中，利用公式(2)计算吸热器的压应力分量σr,P、σθ,P、σz,P：
式中，Pi为吸热管内的运行压力。
6.如权利要求1所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，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′f、b、ε′f、c：
式中，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳塑性系数，c为疲劳塑性指数，Nf为吸热管的循环寿命次数，Δεt为吸热管的总应变幅值，Δεe为吸热管的弹性应变幅值，Δεp为吸热管的塑性应变幅值；拟合时Nf、Δεt、Δεe、Δεp的数值从低周疲劳测试数据获得。
7.如权利要求6所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，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β0、β1、β2、β3：
式中，β0、β1、β2、β3为吸热管材料的蠕变特性参数，为常数；T为吸热管上的点的温度，tc为蠕变寿命，拟合时温度T与蠕变寿命tc的数值从单轴蠕变测试数据获得。
8.如权利要求7所述的一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法，其特征在于，步骤(S3)中，利用公式(7)和(8)确定吸热管的疲劳寿命nR(σeq,T)：
将潜在危险点的温度作为T值，与β0、β1、β2、β3代入公式(6)，计算得到的tc值即吸热管的蠕变寿命tc(σeq,T)。
9.一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估系统，其特征在于，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Dc和蠕变损伤值Df；
损伤评估模块，用于将所述疲劳损伤值Dc和所述蠕变损伤值Df代入下式计算得到吸热管的综合损伤系数DA：
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(Df，Dc)的连线OM与吸热管的损伤容许域的交点为G(D′f,D′c)；
若DA>1，则吸热管无法满足设计年限；若DA≤1，则吸热管能够满足设计年限，且DA越小，吸热器设计的安全裕度越大；
损伤值计算模块中，利用公式(9)和公式(10)计算得到吸热管的疲劳损伤值Dc和蠕变损伤值Df：
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，ndesign为吸热管的载荷循环寿命，tdesign为吸热管的运行时长寿命，tc(σeq,T)为吸热管的蠕变寿命，nR(σeq,T)为吸热管的疲劳寿命。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110737969.7A CN113297754B (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110737969.7A CN113297754B (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113297754A CN113297754A (zh) | 2021-08-24 |
| CN113297754B true CN113297754B (zh) | 2024-02-06 |
Family
ID=77330192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110737969.7A Active CN113297754B (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113297754B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06331622A (ja) * | 1993-05-18 | 1994-12-02 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 伝熱管のクリープ損傷評価法 |
| JP2007183126A (ja) * | 2006-01-05 | 2007-07-19 | Espec Corp | 熱疲労評価方法、並びに、熱疲労評価装置 |
| JP2010216983A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Toshiba Corp | 機器寿命評価システムおよび機器寿命評価方法 |
| CN103761365A (zh) * | 2013-12-28 | 2014-04-30 | 合肥通用机械研究院 | 一种基于寿命的高温压力容器蠕变疲劳强度设计方法 |
| CN103926152A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-07-16 | 北京工业大学 | 一种高温多轴谱载下低周蠕变-疲劳寿命评估方法 |
| CN109408900A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-03-01 | 西北工业大学 | 镍基单晶合金涡轮叶片榫头微动疲劳寿命预测方法 |
| WO2020143284A1 (zh) * | 2019-01-11 | 2020-07-16 | 华东理工大学 | 一种基于abaqus的多轴蠕变疲劳预测方法 |
| CN112001046A (zh) * | 2020-08-18 | 2020-11-27 | 上海交通大学 | 疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型 |
| CN113049376A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-29 | 华东理工大学 | 一种用于过热器管板的蠕变疲劳损伤评估方法 |
-
2021
- 2021-06-30 CN CN202110737969.7A patent/CN113297754B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06331622A (ja) * | 1993-05-18 | 1994-12-02 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 伝熱管のクリープ損傷評価法 |
| JP2007183126A (ja) * | 2006-01-05 | 2007-07-19 | Espec Corp | 熱疲労評価方法、並びに、熱疲労評価装置 |
| JP2010216983A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Toshiba Corp | 機器寿命評価システムおよび機器寿命評価方法 |
| CN103761365A (zh) * | 2013-12-28 | 2014-04-30 | 合肥通用机械研究院 | 一种基于寿命的高温压力容器蠕变疲劳强度设计方法 |
| CN103926152A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-07-16 | 北京工业大学 | 一种高温多轴谱载下低周蠕变-疲劳寿命评估方法 |
| CN109408900A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-03-01 | 西北工业大学 | 镍基单晶合金涡轮叶片榫头微动疲劳寿命预测方法 |
| WO2020143284A1 (zh) * | 2019-01-11 | 2020-07-16 | 华东理工大学 | 一种基于abaqus的多轴蠕变疲劳预测方法 |
| CN112001046A (zh) * | 2020-08-18 | 2020-11-27 | 上海交通大学 | 疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型 |
| CN113049376A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-29 | 华东理工大学 | 一种用于过热器管板的蠕变疲劳损伤评估方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命快速预估方法;范婕;陆山;高鹏;;科学技术与工程(第06期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113297754A (zh) | 2021-08-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhu et al. | Wavy-tape insert designed for managing highly concentrated solar energy on absorber tube of parabolic trough receiver | |
| Du et al. | Analysis of thermal stress and fatigue fracture for the solar tower molten salt receiver | |
| Liu et al. | Thermal-hydraulic performance and entropy generation analysis of a parabolic trough receiver with conical strip inserts | |
| Ghasemi et al. | Effect of using nanofluids on efficiency of parabolic trough collectors in solar thermal electric power plants | |
| Zadeh et al. | Hybrid optimization algorithm for thermal analysis in a solar parabolic trough collector based on nanofluid | |
| Conrado et al. | Thermal performance of parabolic trough solar collectors | |
| Qiu et al. | Numerical and experimental study on heat transfer and flow features of representative molten salts for energy applications in turbulent tube flow | |
| Li et al. | Thermal performance analysis of a novel linear cavity receiver for parabolic trough solar collectors | |
| Yu et al. | Modeling and parametric study of molten salt receiver of concentrating solar power tower plant | |
| Mohammed et al. | Heat transfer augmentation of parabolic trough solar collector receiver's tube using hybrid nanofluids and conical turbulators | |
| CN110633520B (zh) | 一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法 | |
| Zhang et al. | Numerical investigation of different heat transfer behaviors of supercritical CO2 in a large vertical tube | |
| Wan et al. | Thermal and acoustic performance of an integrated automotive thermoelectric generation system | |
| Frantz et al. | ASTRID©–Advanced Solar Tubular ReceIver Design: A powerful tool for receiver design and optimization | |
| Bazargan et al. | The significance of the buffer zone of boundary layer on convective heat transfer to a vertical turbulent flow of a supercritical fluid | |
| Luo et al. | Thermal modeling of air-type double-pass solar collector with PCM-rod embedded in vacuum tube | |
| Zhou et al. | Experimental and numerical investigation on heat transfer in the vertical upward flow water wall of a 660 MW ultra-supercritical CFB boiler | |
| Aghakhani et al. | Numerical and experimental study of thermal efficiency of a spiral flat plate solar collector by changing the spiral diameter, flow rate, and pipe diameter | |
| Tang et al. | Multi-scale numerical analysis of flow and heat transfer for a parabolic trough collector | |
| CN106980734B (zh) | 一种考虑材料和接触非线性的rpv密封性能计算方法 | |
| Zhang et al. | Numerical investigation on heat transfer of supercritical fluid in a vertical 7-rod bundle | |
| Chen et al. | Numerical study on the effects of cylindrical roughness on heat transfer performance and entropy generation of supercritical carbon dioxide in vertical tubes | |
| Yadav et al. | A revisit to recent development in enhancement of thermal and hydraulic performance of solar air heater | |
| CN113297754B (zh) | 一种太阳能高温吸热器疲劳-蠕变损伤评估方法及系统 | |
| Zhang et al. | Heat transfer to supercritical water in a vertical tube with concentrated incident solar heat flux on one side |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |