上海电气：三种辐射加热模型对吸热管传热性能和应力的影响

　　上海电气集团股份有限公司（简称上海电气）是我国综合性装备制造集团之一，主导产业聚焦高效清洁能源装备、新能源及环保装备、工业装备和现代服务业四大领域。产品包括火力发电机组、核电机组、燃气轮机、风力发电设备、输配电设备、环保设备、自动化设备、电梯、轨道交通和机床等。

　　在太阳能热发电领域，备受行业瞩目的是上海电气和沙特ACWA电力公司组成的联合体以7.3美分/kWh的价格中标迪拜700MW光热项目（说明：各方因素促使该项目中标价比较低，包括DNI较高、项目有摩洛哥努奥1塔+2槽的建设经验基础、规模700MW、当地购电协议期限35年、融资成本较低、土地费用较低、各种税费等也较低）。在我国第一批太阳能热发电示范项目中，上海电气成功中标中国电建西北勘测设计研究院共和熔盐塔式50MW光热发电项目蒸汽发生器，玉门鑫能熔盐塔式50MW光热发电项目的汽轮机和空冷系统等。并参与了多个太阳能热发电示范项目，包括聚光集热系统设备及安装（上海电气亮源光热工程有限公司）、汽轮机和发电机等设备的投标工作。

　　太阳能热发电是技术和资金密集型产业，技术研发和创新是上海电气长期坚持的一项重大战略，其下属的中央研究院在太阳能热发电的关键技术——熔盐塔式光热电站系统设计、聚光技术、吸热技术和储热技术领域都积累了雄厚的技术实力。其主要研究领域：定日镜，镜场设计与仿真，镜场协调控制软件等；吸热器系统设计，吸热涂层与基体材料，吸热器结构设计与制造工艺等；储热系统设计与搭建、储热材料综合物性评价，新型储热材料开发，储热系统关键设备等。在坚持自主研发的同时，中央研究院也非常重视与国内外科研机构的合作开发，先后与国内外多家太阳能热发电领域的权威科研机构和知名企业开展了大量合作；也得到了国家科技部火炬计划、上海市经信委、上海市科委的多项课题支持。2012年开始研发的中低温单罐熔盐储热系统和高温双罐熔盐储热系统，经过多年的运维测试和调试运行，现已进入商业化推广阶段，并在“煤改电”领域进行推广应用。

　　以下将和业内同行分享上海电气中央研究院段洋工程师的报告，他以建立物理模型的方法，研究了三种辐射加热模型对熔盐吸热管传热性能和应力的影响。

图1：太阳能热发电站系统

　　熔盐塔式电站吸热器一般采用外置柱式结构，由一定数量的吸热管组成。太阳光照射在吸热管外壁，熔盐在吸热管内流动换热，从而吸收太阳能。在吸热器设计过程中，需对吸热管的换热特性和应力情况进行计算校核。

　　目前，通常采用的是管槽内强制对流换热模型和圆筒壁热应力计算模型，其边界条件为恒热流或者恒壁温；而实际运行过程中，吸热管单侧受光，热流分布和温度分布并不均匀。这样采用传统计算方法得到的结果会与实际工况存在一定差异；而最高温度和最大应力的大小对吸热器寿命和安全性具有重大影响。因此，探究该差异特性对吸热器的设计和安全性评估具有重要意义。

　　本文中的物理模型吸热管长1.2m，外径20mm，壁厚1.2mm。吸热管材料为Incoloy825合金。管内熔盐为二元盐（60%NaNO3-40%KNO3）。吸热管处于竖直状态，熔盐从下端进入，上端流出，进口温度为290℃。

图2：三种辐射加热模型

(a)平行光辐射加热，(b)垂直辐射加热，(c)全周辐射加热

　　三种吸热管辐射加热模型如图2所示：(a)为平行光辐射加热模型，光线平行照射在吸热管上，垂直于吸热管轴向，吸热管受光面辐照强度呈余弦分布，背光面绝热；(b)为垂直辐射加热模型，光线垂直于吸热管外壁，受光面的辐照强度均匀分布，背光面绝热；(c)为全周辐射加热模型，光线垂直于吸热管外壁，辐照强度均匀分布。其中(a)、(b)两种模型可统称为半周辐射加热模型。

　　采用CFX软件和Ansys软件进行数值模拟时，做如下假设：①吸热管向外辐射散热，吸热管与空气不发生热对流；②三种辐射加热模型下，吸热管接受的总辐射能相同，且沿轴向分布均匀；③管内流动为稳态流动；④吸热管处于自由状态，无固定约束；⑤考虑熔盐的重力影响。三种辐射加热模型辐射能流密度为：(a)平行光辐射加热：500*cosθ kW/m² ；(b)垂直辐射加热：500*2/π kW/m² ；(c)全周辐射加热：500*1/π kW/m² 。

图3：吸热管截面的温度场分布

(a)平行光辐射加热，(b)垂直辐射加热，(c)全周辐射加热

　　图3为熔盐流速为3m/s时，吸热管轴向中点处截面的温度分布图。从图中可以看出平行光辐射加热时，吸热管上最高温度点位于管外壁迎光侧中点处，最低温度点位于背光侧。全周辐射加热时，吸热管壁温呈环状均匀分布，温度沿外壁面向内壁面递减。

图4：吸热管壁面最高和最低温度随熔盐流速的变化规律

(a)平行光辐射加热，(b)垂直辐射加热，(c)全周辐射加热

　　图4为三种辐射加热模型下，吸热管壁面最高和最低温度随熔盐流速变化的规律。半周辐射加热时，吸热管壁面温度最大值随着熔盐流速的增加而降低，温度最小值则几乎保持不变；全周辐射加热时，温度最大值以及温度最小值都随着熔盐流速的增加而降低。

图5：吸热管截面的应力场分布

(a)平行光辐射加热，(b)垂直辐射加热，(c)全周辐射加热

　　图5为熔盐流速为3m/s时，吸热管截面的应力分布图。平行光辐射加热时，热应力分布不均匀，最大应力点位于管外壁受光侧中点处；垂直辐射加热时，最大应力点位于管外壁受光面两侧；全周辐射加热时，热应力呈环向均匀分布，从外向内先减小后增大，外侧受拉应力，内侧受压应力，最大应力点位于管内壁面。

图6：吸热管壁最大应力随熔盐流速的变化规律

　　图6为吸热管壁最大应力随熔盐流速的变化规律。半周辐射加热时，吸热管上最大应力随熔盐流速的增加而降低；全周辐射加热时，吸热管上最大应力随熔盐流速增加而略有增大。

　　1、半周辐射加热模式（平行光辐射加热以及垂直辐射加热）下，吸热管上温度最大值位于受光侧中点处，温度最小值位于背光侧中点处；全周辐射加热模式下，吸热管上温度沿横截面均匀分布，温度最大值位于管外壁受光侧，温度最小值位于管内壁。

　　2、半周辐射加热模式（平行光辐射加热以及垂直辐射加热）下，温度最大值随熔盐流速的增加而降低，温度最小值则变化较小；全周辐射加热模式下，温度最大值以及温度最小值都随着熔盐流速的增加而降低。

　　3、吸热管壁面最大应力在半周辐射加热模式（平行光辐射加热以及垂直辐射加热）下，随熔盐流速的增加而降低；在全周辐射加热模式下，随熔盐流速的增加而略有增大。