5000m3 等級(jí)斜溫層厚度對(duì)斜溫層儲(chǔ)鹽罐影響分析

趙宇煒 王 鐸 姜曉霞 姚 亮

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150090）

化石能源是全世界各國(guó)能源利用組成的主體，即便我國(guó)近幾年新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但根據(jù)國(guó)家能源局2021 年1 月發(fā)布的我國(guó)2020 年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]顯示，發(fā)電裝機(jī)容量仍以火電為主。能源結(jié)構(gòu)單一不利于社會(huì)穩(wěn)定與國(guó)家安全，我國(guó)已經(jīng)建立并投產(chǎn)了多個(gè)光熱發(fā)電項(xiàng)目，為了保證發(fā)電的連續(xù)性，常常設(shè)置儲(chǔ)鹽罐。目前雙罐方案較為成熟，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，但與斜溫層儲(chǔ)罐方案相比，具有占地面積大、成本高、系統(tǒng)控制復(fù)雜的缺點(diǎn)。本文以有效容積5000m3的斜溫層儲(chǔ)鹽罐為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法分析斜溫層厚度對(duì)罐壁的影響，希望能為斜溫層儲(chǔ)鹽罐的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 斜溫儲(chǔ)鹽罐模型

斜溫層儲(chǔ)鹽罐設(shè)計(jì)有效容積5000m3，常壓，設(shè)計(jì)溫度580℃，介質(zhì)高溫565℃，介質(zhì)低溫365℃，罐體內(nèi)徑30m，罐壁高度13.6m，設(shè)計(jì)液位12.42m，罐體材料為S34779。

1.1 模型。依據(jù)設(shè)計(jì)條件，按照GB50341-2014 進(jìn)行罐體設(shè)計(jì)并適當(dāng)合理簡(jiǎn)化后建立模型，幾何參數(shù)見圖1。考慮儲(chǔ)鹽罐為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，邊界及載荷均為軸對(duì)稱形式，因而建模時(shí)只建30°范圍殼體。

1.2 邊界條件。依據(jù)儲(chǔ)鹽罐軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，采用軸坐標(biāo)系施加邊界條件，罐底軸線處施加固定約束，罐頂軸線處僅允許Z向位移；罐底下表面施加Z 向位移約束，殼體左右兩側(cè)施加對(duì)稱約束。溫度方面初始溫度設(shè)定10℃，罐底及罐底以上1m 高度罐壁溫度為365℃，斜溫層以上罐壁設(shè)定為565℃。考慮常見的斜溫層厚度位于1m 到2m 區(qū)間，本次分別針對(duì)1m、1.25m、1.5m、1.75m、2m、2.25m、2.5m、2.75m 和3m 厚度進(jìn)行分析。斜溫層厚度內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)熱溫度呈線性分布。

1.3 荷載。罐底及罐壁施加熔鹽產(chǎn)生的靜壓，隨高度變化。

1.4 網(wǎng)格。采用六面體+楔形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型選擇強(qiáng)度熱位移耦合單元，板厚方向網(wǎng)格數(shù)量不少于三層。

2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算后，為便于觀察變形情況，變形比例放大10 倍，溫度分布示意見圖2。從圖中可以看出，斜溫層區(qū)間，溫度線性變化。

圖2 溫度分布示意圖

繪制徑向位移最大值Rmax 及斜溫層徑向位移差DR 與斜溫層厚度δ 關(guān)系曲線見圖3。可以看出，斜溫層厚度對(duì)徑向位移極值大小基本沒有影響，位移差隨斜溫層厚度增加而增大，但增加趨勢(shì)趨緩。

圖3 溫度梯度高度與斜溫層厚度關(guān)系

應(yīng)力分布見圖4 所示，應(yīng)力極值Smax 與斜溫層厚度關(guān)系曲線見圖5。從曲線中可以看出，隨厚度增加，應(yīng)力極值初期下降較快，后期較為平緩，但均已超過(guò)S34779 在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力值Sm=87MPa。從應(yīng)力云圖中可以看出，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于靠近罐底的罐壁處與罐壁斜溫層下邊界位置附近，屬于危險(xiǎn)區(qū)域，針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行線性化，路徑為S1 及S2，并采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。

圖4 應(yīng)力分布云圖

圖5 斜溫層厚度與罐體應(yīng)力極值關(guān)系曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別繪制S1 及S2 各類應(yīng)力隨斜溫層厚度變化曲線見圖6。

圖6 S1&S2 隨斜溫層厚度變化關(guān)系曲線

從曲線可以看出，除S1- SⅡ外，各類應(yīng)力均隨著斜溫層厚度增加而減小，初期降低的速度較快，后期趨緩。對(duì)于S1 路徑的SⅡ及SⅣ，各斜溫層厚度對(duì)應(yīng)值均位于1.5Sm線及3Sm線之下，雖然該路徑靠近罐底與罐壁連接處，屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，但線性化結(jié)果滿足要求，結(jié)構(gòu)安全；對(duì)于S2路徑，各斜溫層厚度對(duì)應(yīng)SⅣ值基本位于3Sm之下，顯示安全，但小于2500mm 斜溫層厚度對(duì)應(yīng)的SⅠ值位于Sm之上，未能通過(guò)評(píng)定。上述結(jié)果說(shuō)明儲(chǔ)鹽罐斜溫層厚度對(duì)罐壁強(qiáng)度存在較大影響，雖然罐壁按照參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但由于不能考慮斜溫層厚度溫差的影響，無(wú)法保證安全。更不能為了提高儲(chǔ)鹽效率而一味的降低斜溫層厚度，否則罐壁將會(huì)因?yàn)樾睖貙訋?lái)的溫差影響而發(fā)生破壞。可以通過(guò)加厚罐壁來(lái)降低斜溫層厚度，但會(huì)引起重量的增加，導(dǎo)致成本的增加，需綜合考慮。此外，由于圖6 中曲線后期已經(jīng)較為平緩，說(shuō)明通過(guò)增加斜溫層厚度來(lái)降低罐壁應(yīng)力強(qiáng)度的效果已經(jīng)不十分明顯。

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬分析的方法對(duì)有效容積為5000m3的斜溫層儲(chǔ)鹽罐罐體進(jìn)行了計(jì)算，得到了罐體的溫度、徑向位移及應(yīng)力分布情況，以及上述參數(shù)與斜溫層厚度之間的關(guān)系。針對(duì)罐壁應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了線性化處理，采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，并分析了其隨斜溫層厚度的變化情況，最終得到如下結(jié)論：

3.1 斜溫層將會(huì)引起罐壁徑向位移發(fā)生突變，對(duì)徑向位移極值沒有影響，但徑向位移差逐漸增加，增加趨勢(shì)逐漸趨于平緩。

3.2 罐體應(yīng)力極值隨斜溫層厚度增加而減少，但減少趨勢(shì)漸緩。

3.3 對(duì)罐壁應(yīng)力集中區(qū)域做線性化處理，罐壁罐底連接幾何不連續(xù)處，較為安全，但斜溫層厚度小于2500mm 的斜溫層下邊界附近位置未能通過(guò)評(píng)定，說(shuō)明斜溫層厚度對(duì)罐壁強(qiáng)度存在較大影響，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮斜溫層厚度影響。

3.4 增加斜溫層厚度可以降低罐壁應(yīng)力強(qiáng)度，但到達(dá)一定值后效果減弱。