5000 m3等级斜温层储热罐接管强度分析

赵宇炜，姜晓霞，王铎，姚亮

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150090）

0 引言

我国北方地区具有丰富的太阳能风能资源，但由于北方地区电厂往往担负着供暖任务，具有热电耦合特性，存在着以热定电现象，造成现有机组调峰能力有限，使得“三北地区”新能源消纳难题已逐步发展成为制约其规模化开发利用的重大瓶颈。2016年6月28日，国家能源局综合司发布通知，将丹东电厂等22个煤电站确定为提升火电灵活性改造试点项目。大型斜温层储热罐等产品被广泛用于热电厂灵活性改造，实现热电解耦，进行深度调峰。有效容积在20 000 m3左右的储热罐常常单独使用，其与热网直接连接，由热网加热器进行储热，比如大唐辽源电厂及华能丹东电厂即采用该种技术。而采用电锅炉配合储热罐使用时，储热罐有效容积一般在5000 m3等级。目前国内对斜温层储热罐的研究多集中在流场分析方面，比如邓育涌[1]分析了斜温层蓄冷槽的换热机理，姜晓霞、姚亮等[2]通过数值模拟的方法，分析了某大型斜温层储热罐项目内部自然分层过程及影响因素，但是对大型斜温层储热罐的具体结构的研究较少，而罐体的结构与储热罐能否安全稳定运行直接相关，尤其是斜温层储罐直径往往较大，其上的开孔是整个罐体应力集中的部位，易发生破坏，因而对于接管部位进行强度校核是必要的，是保障储热罐正常运行，关系人身安全的重要步骤。

本文针对有效容积为5000 m3的斜温层储热罐运行工况复杂的特点，采用数值模拟分析的手段，对接管进行强度校核，是对斜温层储热罐常规设计的验证与有效补充。

1 储热罐模型

某斜温层储热罐项目，储热罐设计有效容积为5000 m3，有效蓄热量250 MWh，常压储水罐，设计温度98℃，介质高温95℃，介质低温50℃，罐体内径为17 m，罐壁高度为26.4 m，设计液位25.67 m，罐壁材料为Q345R，罐壁及接管材料为20钢，项目所在地位于北方。罐壁、接管及管道材料弹性模量、泊松比及导热系数见文献[3]，热膨胀系数见文献[4]，许用应力见文献[5]。

1）模型。依据储热罐外形尺寸建立模型，其中，冷热水接管外径为530 mm，壁厚为16 mm，管道壁厚为12 mm，采用补强板补强，补强板外径为1055 mm，其中，热水管高度为18.7 m，补强板厚为8 mm，冷水管高度为7.7 m，补强板厚度为12 mm。考虑储热罐罐壁为回转体结构，研究部位为接管及接管附近罐壁，因而建模时罐壁只建立接管中心线两侧15°范围壳体。由于壳体直径较大，罐体内部管道长度较长，热位移将不可忽略，按实际长度建立管道模型。在建模时需要一定高度的壳体，以便使得边界条件不影响封头应力的计算结果。根据ASME SEC VIII-2规范[6]，所需最短长度为L=6/β，经计算求得最小壳体距离为1487 mm。

2）边界条件。依据储热罐实际内部结构，采用轴坐标系施加边界条件，管道竖直段上端及壳体下端施加固定约束，壳体左右两侧施加对称约束，壳体上端Z向放开。温度方面初始温度设定20℃，对于热水管模型，热水管温度设定为98℃，壳体设定为50℃；对于冷水管模型，冷水管设定温度为50℃，壳体设定为98℃。

3）荷载。罐体、管道内壁及管道位于壳体内部分外壁施加静水压，接管端部施加接管外力及外力矩：热水管接管力Fx=2 kN，Fy=2 kN，Fz=-52.057 kN，热水管接管力矩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，热水管接管力矩Mx=16.88 kN·m，My=0.8 kN·m，Mz=0.8 kN·m，方向如图1所示。

图1 斜温层储热罐几何参数

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3层，划分后网格如图2所示。

图2 网格示意图

2 计算结果

计算结果如下，为便于观察变形情况，变形比例放大50倍，温度分布如图3所示，与设定边界条件一致，位移分布如图4所示，主要为温差及压力共同作用产生，变形最大区域集中在接管左右两侧壳体处。

图3 温度分布云图

图4 位移分布云图

热水管应力分布如图5所示，冷水管应力分布如图6所示。为便于观察应力集中区域，热水管设定最大值为140 MPa，冷水管设定最大值为220 MPa。从中可以看出接管、接管周边及壳体应力值均较小，内部有局部区域超过了设定值，该区域为应力集中区域，属于危险区域，针对该区域进行线性化。

图5 热水管应力分布云图

图6 冷水管应力分布云图

采用第三强度理论进行校核，结果如表1、表2所示。

表1 热水管强度校核 MPa

表2 冷水管强度校核 MPa

从结果可以看出，线性化结果均满足要求。但线性化路径S1、S5及S6的计算值已经接近允许值，余量较小，这种情况为保证设备的安全性，设计人员可酌情考虑增加接管壁厚或更换更高强度等级材料。

3 结论

本文采用数值模拟分析的方法对有效容积为5000 m3的斜温层储热罐冷热水接管结构进行了计算，得到了冷热水接管结构的温度、位移及应力分布情况，并针对应力集中区域进行了线性化处理，采用第三强度理论进行校核，最终得到如下结论：1）接管模型变形较大区域主要集中在接管左右两侧壳体区域，且冷水管模型位移量更大，壳体与接管的相对位移也更大；2）补强板周围区域应力值较大，冷水管较热水管受力更为恶劣；3）应力集中区域主要位于接管与壳体连接部位，接管内部区域应力值更大，是强度薄弱区域；4）线性化后，冷水管接管已接近许用值，应考虑加厚接管或更换更高强度材料。