趙 偉，徐衛(wèi)兵，王 曉

(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2. 太陽能利用工程技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

在塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電站中，熔鹽儲罐是其核心設(shè)備之一，儲罐設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系著塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電站能否正常運(yùn)行[1-4]。若高溫熔鹽儲罐設(shè)計(jì)不合理，會(huì)引起熔鹽泄漏，將導(dǎo)致太陽能熱發(fā)電站長期停運(yùn)。比如美國新月沙丘熔鹽電站(裝機(jī)規(guī)模達(dá)110 MW)熔鹽儲罐因設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致電站停運(yùn)8個(gè)月，西班牙塞維利亞的全球首座可實(shí)現(xiàn)24 h發(fā)電的Gemasolar太陽能熱發(fā)電站因熔鹽儲罐設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致發(fā)生事故，使電站停運(yùn)數(shù)月。

目前，投運(yùn)、建設(shè)和設(shè)計(jì)的塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電站均采用雙罐直接儲熱方式[5-7]，冷熔鹽儲罐正常運(yùn)行溫度為290 ℃，熱熔鹽儲罐正常運(yùn)行溫度為565 ℃。而在現(xiàn)有的石油儲罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，最高設(shè)計(jì)溫度不超過250 ℃，不能滿足熔鹽儲罐的設(shè)計(jì)要求。本文以青海省某塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目為例，對其25 m直徑的熔鹽儲罐(冷罐)進(jìn)行溫度場及應(yīng)力場研究，分析不同因素對熔鹽儲罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，從而為冷熔鹽儲罐的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

熔鹽儲罐的罐體由罐頂、罐壁、罐底和保溫層組成。青海省某塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的冷熔鹽儲罐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：儲罐罐壁中徑φ為25.03 m；罐底中幅板厚度為11 mm，過渡板厚度為16 mm，邊緣板厚度為22 mm；罐壁總高度為12.5 m；罐頂拱頂半徑為30036 mm，拱頂高度為2862 mm；罐頂中心板厚度為10 mm，中間板厚度為15 mm，邊緣板厚度為18 mm；罐頂布置環(huán)向和徑向加強(qiáng)筋；罐體保溫層厚度為400 mm。

該熔鹽儲罐罐體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中，i為底板的坡度。熔鹽儲罐的罐壁按分段筒節(jié)壁厚設(shè)計(jì)，共分成6段筒節(jié)，如圖1c所示；罐壁筒節(jié)的筒壁壁厚和高度如表1所示。每段筒節(jié)以筒壁壁厚中心位置進(jìn)行對齊焊接。

表1 罐壁筒節(jié)的筒壁壁厚與筒壁高度Table 1 Thickness and height of tank wall shell section

罐壁與罐底板材料均選用Q345R，罐頂加強(qiáng)筋材料選用Q345D。查閱《壓力容器》《壓力容器材料實(shí)用手冊》，這2種材料的參數(shù)分別如表2、表3所示。

對于罐體保溫層的硅酸鋁纖維氈材料，根據(jù)DL/T 5072-2007《火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程》，當(dāng)溫度小于等于400 ℃時(shí)，硅酸鋁纖維氈材料的熱導(dǎo)率k滿足以下關(guān)系：

式中，T為熔鹽溫度，℃；f為固定值，查閱手冊后此處取0.056。

表2 Q345R材料的參數(shù)Table 2 Parameters of Q345R

表3 Q345D材料的參數(shù)Table 3 Parameters of Q345D

由此可得到不同溫度下保溫層硅酸鋁纖維氈材料的熱導(dǎo)率，如表4所示。

表4 硅酸鋁纖維氈材料的參數(shù)Table 4 Parameters of aluminum silicate fiber felt

2 有限元模型的建立

由于儲罐整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)軸對稱特征，因此選用ANSYS軟件的平面實(shí)體軸對稱單元建立儲罐整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，儲罐熱力耦合計(jì)算采用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合分析方法。

熱分析時(shí)，選用Plane77平面8節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元，然后賦予相應(yīng)的熱相關(guān)材料參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到46214個(gè)單元和147697個(gè)節(jié)點(diǎn)，并消除了計(jì)算結(jié)果對網(wǎng)格的敏感性。

應(yīng)力場分析時(shí)，將熱分析時(shí)罐頂、罐壁、罐底的熱單元轉(zhuǎn)換成Plane183應(yīng)力計(jì)算單元，并賦予結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。由于保溫層僅用于罐體結(jié)構(gòu)的保溫，不參與罐體結(jié)構(gòu)承載，因此在應(yīng)力場計(jì)算時(shí)，需要?jiǎng)h除保溫層單元。儲罐的幾何模型與有限元網(wǎng)格如圖2所示。保溫層的厚度為400 mm，罐壁筒節(jié)的筒壁有限元計(jì)算厚度自下向上分別為 27、23、18、13、9、9 mm。

3 儲罐荷載

3.1 對于溫度場的計(jì)算

選擇儲罐內(nèi)外側(cè)溫差最大時(shí)(此為最不利情況)進(jìn)行溫度場分析。儲罐金屬罐壁內(nèi)表面、罐底上表面、罐底下表面施加工作溫度300 ℃；儲罐保溫層外側(cè)施加空氣的對流傳熱系數(shù)為20.99 W/(m2·K)，設(shè)置空氣環(huán)境溫度為-27.7 ℃。

3.2 對于應(yīng)力場的計(jì)算

將所選擇的熱單元轉(zhuǎn)換為應(yīng)力單元，并導(dǎo)入溫度場計(jì)算的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫度；然后在罐壁內(nèi)表面施加隨高度變化的熔鹽靜壓，罐底上表面施加恒定熔鹽靜壓，并對儲罐整體施加重力加速度；最后在罐底下表面施加軸向(如圖2中的Y方向)位移約束。

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

4.1 溫度場分析

圖3為儲罐整體的溫度場分布云圖。為了便于觀察結(jié)果，圖3只給出了3/4儲罐的溫度場分布云圖。圖中，MX為最大應(yīng)力值；MN為最小應(yīng)力值。圖4為沿罐壁第5筒節(jié)的壁厚AA路徑的溫度分布曲線圖。

根據(jù)圖3、圖4 可以發(fā)現(xiàn)：1)罐體內(nèi)壁溫度接近300 ℃，保溫層外壁溫度約為-25 ℃，接近環(huán)境溫度-27.7 ℃；2)罐壁外側(cè)溫度也接近300℃，表明金屬罐壁內(nèi)外溫差小，且這一溫度接近于冷熔鹽介質(zhì)的溫度；3)罐體金屬層(AA路徑的0～9 mm)的溫降慢，而保溫層(AA路徑的10～409 mm)溫降快，這是由于保溫層的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬層Q345R材料的熱傳率，符合熱傳導(dǎo)規(guī)律。

4.2 溫度應(yīng)力分析

僅考慮溫度荷載，而不施加任何機(jī)械荷載(熔鹽靜壓、罐體自重)，可以得到罐體的von Mises等效應(yīng)力云圖和等效位移云圖，分別如圖5、圖6所示。

通過圖5、圖6可以看出，由于溫度荷載引起的罐體熱應(yīng)力非常小，最大值僅約為7.17 MPa，這是由于罐壁的內(nèi)外壁溫差過小所導(dǎo)致的。

由于罐體溫度高(接近300 ℃)，易發(fā)生熱膨脹，通過圖6可以看出，罐體最大膨脹等效位移約為75.78 mm，發(fā)生在罐體上部。因此，在選擇保溫層材料時(shí)，需考慮此部分變形對保溫層的影響。

4.3 綜合應(yīng)力分析

綜合考慮溫度荷載、熔鹽靜壓荷載和罐體自重荷載，得到罐體整體結(jié)構(gòu)的von Mises 等效應(yīng)力云圖和等效位移云圖，分別如圖7、圖8所示。

通過圖7、圖8可知，儲罐由于熔鹽靜壓和罐體自重荷載引起的von Mises等效應(yīng)力最大值可達(dá)到163.85 MPa，超過了Q345R材料在400℃時(shí)的許用應(yīng)力125 MPa。最大應(yīng)力發(fā)生在罐底與罐壁的焊接位置，這是由于罐體在該位置結(jié)構(gòu)不連續(xù)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。雖然該局部高應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度危害性較小，但對該位置的疲勞壽命存在一定的負(fù)面影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)局部加強(qiáng)。罐頂和罐壁焊接處雖然存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)，但應(yīng)力小，可以滿足強(qiáng)度要求。

從圖8中還可以看出，罐體的最大等效位移為75.99 mm，發(fā)生在罐頂與罐壁焊接處，即罐體上部位置，大的位移值主要是由于熱變形引起的。

罐體高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布情況如圖9所示。

圖9a是罐體縱向截面應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐底與罐壁的焊接位置，最大von Mises等效應(yīng)力(基于第四強(qiáng)度理論)為163.85 MPa。由于儲罐在運(yùn)行過程中，受力最為復(fù)雜的地方為罐壁與罐底交接的地方，沿著第1筒節(jié)焊接位置的NN路徑，可得到基于第三強(qiáng)度理論下的應(yīng)力強(qiáng)度(SINT)分布曲線，如圖9b所示?？梢钥闯觯畲笾禐?79.8 MPa，內(nèi)外壁應(yīng)力大，中間應(yīng)力小，表明薄膜應(yīng)力小，內(nèi)外壁所受到的彎矩應(yīng)力大。

利用ANSYS軟件的路徑線性化功能，即可對NN路徑下SINT進(jìn)行分類，得到的各類應(yīng)力值如表5所示。根據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中5.3節(jié)的規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度評價(jià)，高應(yīng)力區(qū)NN路徑的各類應(yīng)力值均小于許用極限值，表明該位置強(qiáng)度足夠，滿足JB 4732-1995標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 NN 路徑的應(yīng)力分類及強(qiáng)度校核結(jié)果Table 5 Checked stress classification and strength on the NN path

5 小結(jié)及建議

1)通過對儲罐整體結(jié)構(gòu)溫度場的計(jì)算，可以得到儲罐保溫層外側(cè)的熱通量約為56.4 W/m2，小于絕熱層表面最大允許熱損失量167 W/m2，表明儲罐罐體保溫層的保溫效果滿足要求。

2)通過對儲罐整體結(jié)構(gòu)在儲罐自重荷載、熔鹽靜壓荷載、溫度荷載作用下的應(yīng)力場進(jìn)行計(jì)算，可以得到罐體總體薄膜應(yīng)力值始終在90 MPa以下，小于Q345R材料在400 ℃時(shí)的許用應(yīng)力125 MPa，表明罐體整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度足夠。另外，根據(jù)JB 4732-1995標(biāo)準(zhǔn)對該儲罐罐壁與罐底的焊接位置高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行評定，各類應(yīng)力值均小于許用極限值，表明該位置的強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。罐體整體結(jié)構(gòu)最大等效位移為75.99 mm，發(fā)生在罐頂與罐壁焊接處。

3)儲罐罐體在高溫下會(huì)產(chǎn)生較為明顯的熱膨脹變形，因此對罐體及保溫層進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)對儲罐的擴(kuò)張變形進(jìn)行充分考慮，以免因?yàn)閺?qiáng)約束引起變形不協(xié)調(diào)而破壞結(jié)構(gòu)。

4)罐體強(qiáng)度計(jì)算發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐底和罐壁焊接處，因此建議在確保該位置的焊接質(zhì)量的同時(shí)，也要確保該焊縫與罐壁要平滑過渡。

6 結(jié)論

本文以青海省某塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目為例，對其直徑25 m的熔鹽儲罐(冷罐)進(jìn)行了溫度場及應(yīng)力場分析，并采用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合分析方法進(jìn)行了儲罐熱力耦合的計(jì)算，精確得出了熔鹽儲罐罐頂、罐壁及罐底熱變形和熱應(yīng)力的分布規(guī)律。本文結(jié)論對后續(xù)的大直徑冷熔鹽儲罐設(shè)計(jì)、施工具有一定的指導(dǎo)意義。