5000m3 等级斜温层厚度对斜温层储盐罐影响分析

2021-05-20赵宇炜姜晓霞

科学技术创新 2021年12期

赵宇炜王铎姜晓霞姚亮

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150090）

化石能源是全世界各国能源利用组成的主体，即便我国近几年新能源产业发展迅猛，但根据国家能源局2021 年1 月发布的我国2020 年全国电力工业统计数据[1]显示，发电装机容量仍以火电为主。能源结构单一不利于社会稳定与国家安全，我国已经建立并投产了多个光热发电项目，为了保证发电的连续性，常常设置储盐罐。目前双罐方案较为成熟，国内应用较多，但与斜温层储罐方案相比，具有占地面积大、成本高、系统控制复杂的缺点。本文以有效容积5000m3的斜温层储盐罐为研究对象，采用数值模拟的方法分析斜温层厚度对罐壁的影响，希望能为斜温层储盐罐的设计与研究提供参考。

1 斜温储盐罐模型

斜温层储盐罐设计有效容积5000m3，常压，设计温度580℃，介质高温565℃，介质低温365℃，罐体内径30m，罐壁高度13.6m，设计液位12.42m，罐体材料为S34779。

1.1 模型。依据设计条件，按照GB50341-2014 进行罐体设计并适当合理简化后建立模型，几何参数见图1。考虑储盐罐为回转体结构，边界及载荷均为轴对称形式，因而建模时只建30°范围壳体。

1.2 边界条件。依据储盐罐轴对称结构形式，采用轴坐标系施加边界条件，罐底轴线处施加固定约束，罐顶轴线处仅允许Z向位移；罐底下表面施加Z 向位移约束，壳体左右两侧施加对称约束。温度方面初始温度设定10℃，罐底及罐底以上1m 高度罐壁温度为365℃，斜温层以上罐壁设定为565℃。考虑常见的斜温层厚度位于1m 到2m 区间，本次分别针对1m、1.25m、1.5m、1.75m、2m、2.25m、2.5m、2.75m 和3m 厚度进行分析。斜温层厚度内，通过导热温度呈线性分布。

1.3 荷载。罐底及罐壁施加熔盐产生的静压，随高度变化。

1.4 网格。采用六面体+楔形单元进行网格划分，单元类型选择强度热位移耦合单元，板厚方向网格数量不少于三层。

2 计算结果

计算后，为便于观察变形情况，变形比例放大10 倍，温度分布示意见图2。从图中可以看出，斜温层区间，温度线性变化。

图2 温度分布示意图

绘制径向位移最大值Rmax 及斜温层径向位移差DR 与斜温层厚度δ 关系曲线见图3。可以看出，斜温层厚度对径向位移极值大小基本没有影响，位移差随斜温层厚度增加而增大，但增加趋势趋缓。

图3 温度梯度高度与斜温层厚度关系

应力分布见图4 所示，应力极值Smax 与斜温层厚度关系曲线见图5。从曲线中可以看出，随厚度增加，应力极值初期下降较快，后期较为平缓，但均已超过S34779 在设计温度下许用应力值Sm=87MPa。从应力云图中可以看出，应力集中区域主要位于靠近罐底的罐壁处与罐壁斜温层下边界位置附近，属于危险区域，针对该区域进行线性化，路径为S1 及S2，并采用第三强度理论进行校核。

图4 应力分布云图

图5 斜温层厚度与罐体应力极值关系曲线

根据计算结果，分别绘制S1 及S2 各类应力随斜温层厚度变化曲线见图6。

图6 S1&S2 随斜温层厚度变化关系曲线

从曲线可以看出，除S1- SⅡ外，各类应力均随着斜温层厚度增加而减小，初期降低的速度较快，后期趋缓。对于S1 路径的SⅡ及SⅣ，各斜温层厚度对应值均位于1.5Sm线及3Sm线之下，虽然该路径靠近罐底与罐壁连接处，属于结构不连续位置，但线性化结果满足要求，结构安全；对于S2路径，各斜温层厚度对应SⅣ值基本位于3Sm之下，显示安全，但小于2500mm 斜温层厚度对应的SⅠ值位于Sm之上，未能通过评定。上述结果说明储盐罐斜温层厚度对罐壁强度存在较大影响，虽然罐壁按照参考标准设计，但由于不能考虑斜温层厚度温差的影响，无法保证安全。更不能为了提高储盐效率而一味的降低斜温层厚度，否则罐壁将会因为斜温层带来的温差影响而发生破坏。可以通过加厚罐壁来降低斜温层厚度，但会引起重量的增加，导致成本的增加，需综合考虑。此外，由于图6 中曲线后期已经较为平缓，说明通过增加斜温层厚度来降低罐壁应力强度的效果已经不十分明显。