5000 m3等級斜溫層儲熱罐接管強度分析

趙宇煒，姜曉霞，王鐸，姚亮

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150090）

0 引言

我國北方地區具有豐富的太陽能風能資源，但由于北方地區電廠往往擔負著供暖任務，具有熱電耦合特性，存在著以熱定電現象，造成現有機組調峰能力有限，使得“三北地區”新能源消納難題已逐步發展成為制約其規?；_發利用的重大瓶頸。2016年6月28日，國家能源局綜合司發布通知，將丹東電廠等22個煤電站確定為提升火電靈活性改造試點項目。大型斜溫層儲熱罐等產品被廣泛用于熱電廠靈活性改造，實現熱電解耦，進行深度調峰。有效容積在20 000 m3左右的儲熱罐常常單獨使用，其與熱網直接連接，由熱網加熱器進行儲熱，比如大唐遼源電廠及華能丹東電廠即采用該種技術。而采用電鍋爐配合儲熱罐使用時，儲熱罐有效容積一般在5000 m3等級。目前國內對斜溫層儲熱罐的研究多集中在流場分析方面，比如鄧育涌[1]分析了斜溫層蓄冷槽的換熱機理，姜曉霞、姚亮等[2]通過數值模擬的方法，分析了某大型斜溫層儲熱罐項目內部自然分層過程及影響因素，但是對大型斜溫層儲熱罐的具體結構的研究較少，而罐體的結構與儲熱罐能否安全穩定運行直接相關，尤其是斜溫層儲罐直徑往往較大，其上的開孔是整個罐體應力集中的部位，易發生破壞，因而對于接管部位進行強度校核是必要的，是保障儲熱罐正常運行，關系人身安全的重要步驟。

本文針對有效容積為5000 m3的斜溫層儲熱罐運行工況復雜的特點，采用數值模擬分析的手段，對接管進行強度校核，是對斜溫層儲熱罐常規設計的驗證與有效補充。

1 儲熱罐模型

某斜溫層儲熱罐項目，儲熱罐設計有效容積為5000 m3，有效蓄熱量250 MWh，常壓儲水罐，設計溫度98℃，介質高溫95℃，介質低溫50℃，罐體內徑為17 m，罐壁高度為26.4 m，設計液位25.67 m，罐壁材料為Q345R，罐壁及接管材料為20鋼，項目所在地位于北方。罐壁、接管及管道材料彈性模量、泊松比及導熱系數見文獻[3]，熱膨脹系數見文獻[4]，許用應力見文獻[5]。

1）模型。依據儲熱罐外形尺寸建立模型，其中，冷熱水接管外徑為530 mm，壁厚為16 mm，管道壁厚為12 mm，采用補強板補強，補強板外徑為1055 mm，其中，熱水管高度為18.7 m，補強板厚為8 mm，冷水管高度為7.7 m，補強板厚度為12 mm?？紤]儲熱罐罐壁為回轉體結構，研究部位為接管及接管附近罐壁，因而建模時罐壁只建立接管中心線兩側15°范圍殼體。由于殼體直徑較大，罐體內部管道長度較長，熱位移將不可忽略，按實際長度建立管道模型。在建模時需要一定高度的殼體，以便使得邊界條件不影響封頭應力的計算結果。根據ASME SEC VIII-2規范[6]，所需最短長度為L=6/β，經計算求得最小殼體距離為1487 mm。

2）邊界條件。依據儲熱罐實際內部結構，采用軸坐標系施加邊界條件，管道豎直段上端及殼體下端施加固定約束，殼體左右兩側施加對稱約束，殼體上端Z向放開。溫度方面初始溫度設定20℃，對于熱水管模型，熱水管溫度設定為98℃，殼體設定為50℃；對于冷水管模型，冷水管設定溫度為50℃，殼體設定為98℃。

3）荷載。罐體、管道內壁及管道位于殼體內部分外壁施加靜水壓，接管端部施加接管外力及外力矩：熱水管接管力Fx=2 kN，Fy=2 kN，Fz=-52.057 kN，熱水管接管力矩Mx=0.8 kN·m，My=0.8 kN·m，Mz=40.17 kN·m；冷水管接管力Fx=1 kN，Fy=1 kN，Fz=-21.46 kN，熱水管接管力矩Mx=16.88 kN·m，My=0.8 kN·m，Mz=0.8 kN·m，方向如圖1所示。

圖1 斜溫層儲熱罐幾何參數

4）網格。采用六面體+楔形單元進行網格劃分，單元類型選擇強度熱位移耦合單元，板厚方向網格數量不少于3層，劃分后網格如圖2所示。

圖2 網格示意圖

2 計算結果

計算結果如下，為便于觀察變形情況，變形比例放大50倍，溫度分布如圖3所示，與設定邊界條件一致，位移分布如圖4所示，主要為溫差及壓力共同作用產生，變形最大區域集中在接管左右兩側殼體處。

圖3 溫度分布云圖

圖4 位移分布云圖

熱水管應力分布如圖5所示，冷水管應力分布如圖6所示。為便于觀察應力集中區域，熱水管設定最大值為140 MPa，冷水管設定最大值為220 MPa。從中可以看出接管、接管周邊及殼體應力值均較小，內部有局部區域超過了設定值，該區域為應力集中區域，屬于危險區域，針對該區域進行線性化。

圖5 熱水管應力分布云圖

圖6 冷水管應力分布云圖

采用第三強度理論進行校核，結果如表1、表2所示。

表1 熱水管強度校核 MPa

表2 冷水管強度校核 MPa

從結果可以看出，線性化結果均滿足要求。但線性化路徑S1、S5及S6的計算值已經接近允許值，余量較小，這種情況為保證設備的安全性，設計人員可酌情考慮增加接管壁厚或更換更高強度等級材料。

3 結論

本文采用數值模擬分析的方法對有效容積為5000 m3的斜溫層儲熱罐冷熱水接管結構進行了計算，得到了冷熱水接管結構的溫度、位移及應力分布情況，并針對應力集中區域進行了線性化處理，采用第三強度理論進行校核，最終得到如下結論：1）接管模型變形較大區域主要集中在接管左右兩側殼體區域，且冷水管模型位移量更大，殼體與接管的相對位移也更大；2）補強板周圍區域應力值較大，冷水管較熱水管受力更為惡劣；3）應力集中區域主要位于接管與殼體連接部位，接管內部區域應力值更大，是強度薄弱區域；4）線性化后，冷水管接管已接近許用值，應考慮加厚接管或更換更高強度材料。