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

        2021-05-20 00:40:22趙宇煒姜曉霞
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年12期
        關(guān)鍵詞:鹽罐罐底罐壁

        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能源利用組成的主體,即便我國近幾年新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,但根據(jù)國家能源局2021 年1 月發(fā)布的我國2020 年全國電力工業(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)定與國家安全,我國已經(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)合理簡化后建立模型,幾何參數(shù)見圖1??紤]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,未能通過評(píng)定。上述結(jié)果說明儲(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淼臏夭钣绊懚l(fā)生破壞??梢酝ㄟ^加厚罐壁來降低斜溫層厚度,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,說明通過增加斜溫層厚度來降低罐壁應(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評(píng)定,說明斜溫層厚度對(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。

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