50 MW太陽能光熱電站高溫熔鹽泵泵座優(yōu)化設(shè)計

成曉偉,湯文斌,姜正源

(中國電建集團上海能源裝備有限公司,上海 201316)

0 前 言

太陽能熱發(fā)電具有有效利用清潔太陽能、可以儲熱兩大優(yōu)勢。近年來，伴隨科技的發(fā)展及國家清潔可再生能源戰(zhàn)略的布局，高溫熔鹽泵在新型太陽能儲熱電站及核電領(lǐng)域開始得到推廣應(yīng)用[1-5]，具有廣闊前景。

在太陽能光熱電站存儲熱系統(tǒng)中，高溫熔鹽泵是最重要的輸送設(shè)備之一，傳輸介質(zhì)溫度可達600 ℃，泵組結(jié)構(gòu)長度超過20 m，是一種典型的細長軸結(jié)構(gòu)。泵座是熔鹽泵的主要承載部件，承受著綜合作用力，主要包括：運行產(chǎn)生的軸向力，流體壓力，整機重力，出口管道接管載荷(力和力矩)等，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣直接影響整機的安全可靠性，對泵組的振動噪聲、抗震性能、疲勞壽命及長期穩(wěn)定運行有重要影響。因此，對熔鹽泵泵座進行強度評定及模態(tài)分析非常關(guān)鍵。通過對結(jié)構(gòu)體展開模態(tài)分析研究可以確定結(jié)構(gòu)的振動特性，越來越多的學者在流體機械領(lǐng)域展開相關(guān)研究[6-11]。

本文以一臺光熱高溫熔鹽泵為研究對象，對其核心支撐部件—泵座進行強度校核，并實施無預應(yīng)力和有預應(yīng)力的模態(tài)計算，對熔鹽泵的固有頻率、振幅進行分析，對2種模型的應(yīng)變、振動特性進行比較，在原始結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，優(yōu)化泵座力學性能，提升穩(wěn)定性與泵座結(jié)構(gòu)通用性。

1 結(jié)構(gòu)模型

高溫熔鹽泵本體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 高溫熔鹽泵本體結(jié)構(gòu)示意

1.1 熔鹽泵結(jié)構(gòu)及參數(shù)

高溫熔鹽泵一般為VS1型立式多級液下長軸泵，變頻電機位于熔鹽泵頂端，泵頭組件位于最底端(液下)，軸系為多段軸連接型式。關(guān)鍵零部件包括：喇叭口、葉輪、導流殼、揚水管、多段軸、聯(lián)軸套筒、泵座組件、電機支架、推力軸承箱等，如圖1所示。主要設(shè)計參數(shù)如下：

輸送介質(zhì)：二元熔鹽；

設(shè)計溫度：600 ℃；

揚程：100 m；

額定轉(zhuǎn)速：1450 r/min；

軸功率：255 kW。

泵座是直接接觸熔鹽介質(zhì)的部件，選用材質(zhì)為奧氏體不銹鋼347H，其材料性能屬性詳見表1。

表1 泵座材料性能

2 原型泵座部件有限元計算

2.1 模型建立及邊界條件設(shè)置

熔鹽泵泵座為焊接組件，所有重要焊接部位均經(jīng)過射線探傷檢查，原型泵座的三維結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 原型泵座結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型

由于計算域結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，并對局部區(qū)域做加密處理。以應(yīng)力及變形量為監(jiān)測值，劃分了5套網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，如表2所示。

反應(yīng)SiO2(s)+2C(s)==Si(s)+2CO(g)的 ΔH=____kJ·mol-1(用含a、b的代數(shù)式表示)。SiO是反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物。隔絕空氣時,SiO與NaOH溶液反應(yīng)(產(chǎn)物中硅顯最高價)的化學方程式是____。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

由表2可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，監(jiān)測值趨于穩(wěn)定。綜合考慮，最終采用第4種網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為1 994 313，節(jié)點數(shù)3 085 611。

泵座承受自重；電機重力(45 570 N)施加在支架上表面；電機啟動力矩施加在支架上表面；與熔鹽接觸的管道內(nèi)表面承受2 MPa的流體壓力；轉(zhuǎn)子自重、葉輪產(chǎn)生的軸向力以及介質(zhì)重力(73 500 N)施加在泵座推力軸承處；揚水管等定子部件重力(40 000 N)施加在下部接管法蘭表面；出口管道的力和力矩(按API標準)施加在出口法蘭表面，在泵座底板處施加固定約束，設(shè)置好載荷及約束后對泵座模型進行求解。

2.2 強度校核

原型泵座的等效應(yīng)力如圖3所示，最大集中應(yīng)力發(fā)生在兩管道焊接點的交接相貫位置，應(yīng)力值為73.18 MPa，小于材料347H在600 ℃下許用應(yīng)力92.3 MPa，安全系數(shù)為1.26。

原型泵座的變形量如圖4所示。由圖可知最大變形量達到2.55 mm，位于電機支架上表面處，變形量較大，表明原型泵座部件的剛度較差，有一定安全隱患。

圖3 原型泵座應(yīng)力云

圖4 原型泵座變形量

2.3 有預應(yīng)力的模態(tài)分析

為了進一步校核原型泵座的可靠性，有必要進一步進行模態(tài)分析，獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和對應(yīng)振型，從而分析結(jié)構(gòu)體在工作狀態(tài)發(fā)生共振的可能性。本次執(zhí)行的是有預應(yīng)力的模態(tài)計算，考慮了載荷對泵座自身固有頻率的影響。原型泵座的前六階頻率值見表3，對應(yīng)的前4階振型如圖5所示。

表3 原型泵座固有頻率

由各階模態(tài)振型圖可知：第一階是以y軸為中心的順時針方向扭轉(zhuǎn)變形，最大振幅為0.98 mm；第二階和第三階分別是泵座上部朝x軸方向和朝z軸方向的彎曲變形，最大振幅分別為1.02 mm和0.95 mm；第四階是泵座上部繞y軸順時針方向的扭轉(zhuǎn)變形，下部繞y軸逆時針方向扭轉(zhuǎn)變形，最大振幅值為1.95 mm。

圖5 優(yōu)化泵座結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型

對于靜止結(jié)構(gòu)體，固有頻率必須遠離運行頻率及激勵頻率(葉頻、二次諧頻和三次諧頻)。本文研究的熔鹽泵額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪葉片數(shù)為7，因而結(jié)構(gòu)體固有頻率應(yīng)避免與頻率24.17、167.17、338.3 Hz重合。對比表3數(shù)據(jù)，一階頻率9.5 Hz低于運行頻率24.17 Hz，二階和三階頻率非常接近運行頻率，意味著在設(shè)備啟動過程中泵座必然會經(jīng)歷共振點，處于共振狀態(tài)，這說明原型泵座的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在較大安全隱患，不能完全適應(yīng)設(shè)計要求。

3 優(yōu)化泵座部件有限元計算

3.1 模型建立及邊界條件設(shè)置

為了保證泵座的安全可靠性，進一步對熔鹽泵泵座進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化泵座的三維結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格模型如圖6所示。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，并對局部區(qū)域做加密處理。網(wǎng)格無關(guān)性經(jīng)過驗證，最終網(wǎng)格單元數(shù)為2 069 393，節(jié)點數(shù)3 240 568。優(yōu)化泵座的受力及約束情況與原型相同。

3.2 強度校核

優(yōu)化泵座的等效應(yīng)力如圖7所示，最大集中應(yīng)力同樣發(fā)生在兩管道焊接點的交接相貫位置，應(yīng)力值減少至67.17 MPa。小于材料347H在600℃下許用應(yīng)力92.3 MPa，安全系數(shù)為1.37。

圖6 優(yōu)化泵座應(yīng)力云

圖7 優(yōu)化泵座變形量

優(yōu)化泵座的變形量如圖8所示，最大變形量為0.25 mm，位于電機支架上表面處，與原型泵座的2.55 mm相比，優(yōu)化泵座的變形量值大幅度減小，說明結(jié)構(gòu)剛度得到較大改善，結(jié)構(gòu)的安全可靠性增加。

圖8 原型泵座各階振型

3.3 有預應(yīng)力的模態(tài)分析

優(yōu)化泵座經(jīng)過預應(yīng)力的模態(tài)分析，前六階頻率值見表4，對應(yīng)的前4階振型如圖9所示。

由各階模態(tài)振型圖可知：第一階模態(tài)振型為泵座上部朝x軸方向彎曲變形，最大振幅值為1.08 mm；第二階模態(tài)振型為泵座下部繞y軸順時針扭轉(zhuǎn)變形，最大振幅值為1.14 mm；第三階模態(tài)振型為泵座下部繞y軸逆時針扭轉(zhuǎn)，上部朝z軸方向彎曲的彎扭組合變形，最大振幅值為1.16 mm；第四階模態(tài)振型為泵座中部朝x軸負方向彎曲變形，最大振幅值為0.94 mm。

表4 優(yōu)化泵座固有頻率 /Hz

圖9 優(yōu)化泵座各階振型

對比表4與表3，可以看出，優(yōu)化泵座的各階頻率均得到明顯提升；與熔鹽泵運行頻率及激勵頻率相比，優(yōu)化泵座的一階頻率36.06 Hz高于運行頻率24.17 Hz，是其1.5倍，且其余各階頻率避開了泵的運行頻率和激勵頻率，意味著在設(shè)備啟動過程中，優(yōu)化泵座不會經(jīng)歷共振點，可以避免共振。

從強度校核及模態(tài)分析結(jié)果均可看出，優(yōu)化泵座的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加完善，剛度及可靠性均優(yōu)于原型，能夠滿足工程設(shè)計要求。

4 試驗對比

2種泵座方案均經(jīng)過真機試驗，在相同運行工況下，對比泵座的振幅及振速值。現(xiàn)將試驗值列舉如下：

(1) 原型泵座最大振幅0.065 mm，振速5.5 mm/s;

(2) 優(yōu)化泵座最大振幅0.025 mm，振速2.5 mm/s。

該熔鹽泵泵座在優(yōu)化前剛度差，致使設(shè)備在啟動過程中(轉(zhuǎn)速550～700 r/min)出現(xiàn)了大幅度扭曲變形及振動超標現(xiàn)象，泵轉(zhuǎn)子部件表面磨損，無法達到額定運行轉(zhuǎn)速；優(yōu)化后，泵座剛度顯著提升，設(shè)備運行全過程平穩(wěn)，扭曲變形及振動超標現(xiàn)象完全消失，振動值始終保持在安全區(qū)間。原型與優(yōu)化泵座現(xiàn)場試驗見圖10、11。

圖10 原型泵座現(xiàn)場試驗

圖11 優(yōu)化泵座現(xiàn)場試驗

可見泵座經(jīng)過優(yōu)化加固后提升了熔鹽泵整機的振動指標，獲得了良好的效果。

5 結(jié) 論

利用有限元法對50 MW太陽能光熱電站高溫熔鹽泵關(guān)鍵受力部件泵座進行強度校核，模態(tài)計算，并進行優(yōu)化設(shè)計及對比試驗。結(jié)果表明：

(1) 原始泵座剛度較小，在受力狀態(tài)下變形量過大，第一階固有頻率低于整機運行頻率，第二、三階頻率接近運行頻率，導致熔鹽泵在運行啟動過程中出現(xiàn)扭曲變形及共振現(xiàn)象。

(2) 優(yōu)化后泵座剛度顯著提升，在受力狀態(tài)下變形量極小，安全裕度增大；第一階固有頻率高于整機運行頻率，其余各階頻率均遠離運行頻率和激勵頻率，無共振隱患，結(jié)構(gòu)可靠性增強。

(3) 真機試驗證明，泵座經(jīng)過優(yōu)化后，熔鹽泵運行扭曲變形及振動超標現(xiàn)象消失，振動指標符合設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)的力學性能、振動特性更加穩(wěn)定。該優(yōu)化結(jié)構(gòu)通用性強，能夠適用于更高參數(shù)、更大容量的泵組。