摘要：基于光熱電站熔鹽儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)建立了儲(chǔ)罐的三維計(jì)算模型,通過載荷施加及邊界條件設(shè)置進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析,得到不同斜溫層位置儲(chǔ)罐的熱應(yīng)力及位移分布情況。根據(jù)不同斜溫層厚度、位置獲得儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力變化趨勢(shì)。斜溫層厚度越大,儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力越小。斜溫層位置由罐底上升到罐頂,罐壁熱應(yīng)力先增大后減小。這些結(jié)果不僅有助于深入了解儲(chǔ)罐的工作性能和安全性,還為儲(chǔ)罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

概述

當(dāng)下,全球?qū)δ茉吹男枨蟪掷m(xù)上升,然而石油等不可再生資源日益短缺,且全球范圍內(nèi)環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。為解決能源及環(huán)境問題,實(shí)現(xiàn)世界范圍內(nèi)可持續(xù)發(fā)展,必須創(chuàng)新技術(shù),發(fā)展清潔可再生能源,減少對(duì)環(huán)境的破壞,同時(shí)滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。太陽能取之不盡用之不竭,作為可再生能源優(yōu)勢(shì)明顯,開發(fā)太陽能光熱發(fā)電技術(shù)是高效利用可再生能源的絕佳途徑。然而太陽能等新能源具有明顯的波動(dòng)性、間歇性、不穩(wěn)定性、反調(diào)峰特性等天然屬性,對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了巨大挑戰(zhàn),絕大部分光熱電站需要配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)。儲(chǔ)能與新能源發(fā)電、電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行已成為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必由之路。

光熱發(fā)電增加了儲(chǔ)熱系統(tǒng),優(yōu)勢(shì)明顯。白天熱量充足時(shí)進(jìn)行熱量的存儲(chǔ),夜間熱量不足時(shí)進(jìn)行熱量的釋放,從而保證電網(wǎng)24小時(shí)不間斷調(diào)峰發(fā)電需求。熔鹽儲(chǔ)罐具備高儲(chǔ)熱能力和高穩(wěn)定性,因此在光熱電站的儲(chǔ)熱子系統(tǒng)中,常采用高溫熔鹽儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)熱。作為新型儲(chǔ)能性光熱電站的核心設(shè)備,熔鹽儲(chǔ)罐為電站連續(xù)穩(wěn)定的蓄熱供氣提供保障。在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中,熔鹽儲(chǔ)罐為解決光伏風(fēng)電等新能源間歇性問題提供重要助力。

熔鹽儲(chǔ)罐為常壓設(shè)備,但是其高度已達(dá)到15余米,罐壁受到熔鹽介質(zhì)的靜壓載荷,且在運(yùn)行過程中斜溫層上下溫差最高達(dá)到235℃。由于斜溫層的存在,罐體面臨著劇烈的溫度變化所帶來的安全隱患,因此有必要對(duì)儲(chǔ)罐罐壁斜溫層附近的熱應(yīng)力情況進(jìn)行分析。本文通過有限元分析軟件,采用Coupledtemp-displacement分析步(穩(wěn)態(tài)計(jì)算)對(duì)模型的熱應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力分布情況并進(jìn)行分析,為儲(chǔ)罐斜溫層設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),從而保障光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1設(shè)備參數(shù)及有限元模型

以某項(xiàng)目工程實(shí)例為原型進(jìn)行分析計(jì)算。熔鹽儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1熔鹽儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖

由于儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜,涉及結(jié)構(gòu)多,建立三維整體模型難度較大。因此根據(jù)運(yùn)行工況結(jié)構(gòu)工藝,為更好地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,在不影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下,盡可能簡(jiǎn)化模型,減少計(jì)算量。由于熔鹽儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,利用三維軟件建立實(shí)體模型的十分之一部分進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2熔鹽儲(chǔ)罐三維計(jì)算模型

2材料物性及載荷邊界

熔鹽儲(chǔ)罐罐壁及罐底材料為S34779,材料標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》(GB/T24511-2017)。由于本次分析計(jì)算包含溫度參數(shù),故材料屬性設(shè)為與溫度相關(guān),具體材料屬性見表1[材料屬性選擇源自《壓力容器》(GB150-2011)]。

表1S34779材料屬性表

熔鹽儲(chǔ)罐斜溫層位置計(jì)算工況見表2。

表2計(jì)算工況

熔鹽儲(chǔ)罐載荷及邊界施加如圖3所示。罐壁內(nèi)表面施加熔鹽介質(zhì)靜液壓載荷,模型高度為14m,液位高度12.9m,罐底面載荷為0.2379MPa。初始溫度設(shè)置為20℃,斜溫層溫度載荷為330~565℃,斜溫層厚度2m,斜溫層位置由下至上分別為0.8~2.8m及9.1~11.1m。模型坐標(biāo)為柱坐標(biāo),其中半徑方向R、轉(zhuǎn)角方向T為極坐標(biāo),豎直方向Z為豎坐標(biāo);模型上端施加T方向約束,罐底面施加Z方向約束,罐壁對(duì)稱面施加T方向?qū)ΨQ約束,罐底中心點(diǎn)處施加固定約束。

圖3熔鹽儲(chǔ)罐載荷及邊界施加示意圖

3儲(chǔ)罐熱應(yīng)力分析

通過有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析得到儲(chǔ)罐熱應(yīng)力及位移分布云圖如圖4~圖7所示。

圖4儲(chǔ)罐熱應(yīng)力分布云圖(工況1)

圖5儲(chǔ)罐位移分布云圖(工況1)

圖6儲(chǔ)罐熱應(yīng)力分布云圖(工況2)

圖7儲(chǔ)罐位移分布云圖(工況2)

工況1斜溫層位于儲(chǔ)罐上部,由圖5位移分布云圖可以看出,最大變形位于儲(chǔ)罐頂部,罐壁受溫度影響沿半徑方向膨脹,最大變形量為159.8mm;由圖4應(yīng)力分布云圖可以看出,由于溫差存在,斜溫層下端附近熱應(yīng)力較大,最大應(yīng)力位于模型原點(diǎn)處,此處受固定約束的影響,最大應(yīng)力值為300MPa。

工況2斜溫層位于儲(chǔ)罐下部,由圖7位移分布云圖可以看出,最大變形位于儲(chǔ)罐頂部,最大變形量為180mm;由圖6應(yīng)力分布云圖可以看出,由于溫差存在,且斜溫層靠近底部,斜溫層下端附近及罐壁底部熱應(yīng)力較大,最大應(yīng)力位于模型原點(diǎn)處,此處受固定約束的影響,最大應(yīng)力值為297MPa。

由圖5與圖7結(jié)果對(duì)比可知,斜溫層靠近儲(chǔ)罐底部的工況,儲(chǔ)罐變形更大。

根據(jù)《鋼制壓力容器———分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T4732-1995),對(duì)儲(chǔ)罐罐壁進(jìn)行線性化及熱應(yīng)力判定,結(jié)果如表3所示。

表3儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力判定———S34779材料

由表3計(jì)算結(jié)果可知,熔鹽儲(chǔ)罐高度14m,斜溫層厚度2m,斜溫層溫差235℃工況下,斜溫層分別位于儲(chǔ)罐上部距離罐底9.1m及儲(chǔ)罐底部距離罐底0.8m處,儲(chǔ)罐罐壁所受熱應(yīng)力均能通過強(qiáng)度校核。斜溫層靠近儲(chǔ)罐底部的工況,儲(chǔ)罐所受熱應(yīng)力更大。

為探討斜溫層厚度大小對(duì)儲(chǔ)罐罐壁的熱應(yīng)力影響情況,對(duì)斜溫層厚度分別為0.2m、0.4m、0.8m、1.4m、2m工況下儲(chǔ)罐進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析。結(jié)果如表4所示。

表4儲(chǔ)罐不同斜溫層厚度熱應(yīng)力

圖8不同斜溫層厚度熱應(yīng)力曲線

由圖8可知,斜溫層厚度為0.2m時(shí),儲(chǔ)罐斜溫層位置所受熱應(yīng)力為285MPa;斜溫層厚度為0.4m時(shí),儲(chǔ)罐斜溫層位置所受熱應(yīng)力為235MPa;斜溫層厚度為0.8m時(shí),儲(chǔ)罐斜溫層位置所受熱應(yīng)力為165MPa;斜溫層厚度為1.4m時(shí),儲(chǔ)罐斜溫層位置所受熱應(yīng)力為133MPa;斜溫層厚度為2m時(shí),儲(chǔ)罐斜溫層位置所受熱應(yīng)力為96MPa。由此可見,斜溫層厚度越大,儲(chǔ)罐罐壁所受熱應(yīng)力越小,且斜溫層位置處的罐壁所受熱應(yīng)力隨著斜溫層厚度的增加呈近線性降低。因此斜溫層越厚,對(duì)于儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)安全性越有利。熔鹽儲(chǔ)罐最佳斜溫層厚度的設(shè)計(jì),需綜合考慮儲(chǔ)罐的成本與系統(tǒng)整體效率及經(jīng)濟(jì)性。

除斜溫層厚度外,斜溫層在儲(chǔ)罐中位置也會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐罐壁的熱應(yīng)力有一定影響。當(dāng)斜溫層厚度為2m時(shí),不同位置斜溫層對(duì)儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力影響結(jié)果如表5所示。

表5儲(chǔ)罐不同位置斜溫層熱應(yīng)力

由表5可以看到,分別選取斜溫層位置距離罐底0.8~9.1m處,以0.5m的間隔進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并對(duì)斜溫層位置儲(chǔ)罐罐壁所受熱應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力隨斜溫層位置不同的變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖9不同位置斜溫層熱應(yīng)力曲線

由圖9可知,斜溫層位置由罐底上升到罐頂,罐壁熱應(yīng)力先增大后減小,最大熱應(yīng)力的斜溫層位置在距離罐底2m處附近。分析原因?yàn)樾睖貙釉娇拷薜?所受徑向溫差引起的熱應(yīng)力與熔鹽高度方向帶來的靜壓載荷之和越大,因此儲(chǔ)罐底部熱應(yīng)力值越高。另外,由于儲(chǔ)罐壁厚由上到下逐漸加厚,距離罐底0.8m處的斜溫層所在位置儲(chǔ)罐壁厚較厚,起到了強(qiáng)度加強(qiáng)的作用,因此該處儲(chǔ)罐罐壁所受熱應(yīng)力較小。

在斜溫層下邊緣距離罐底2m、4m、6m、8m四個(gè)位置處,儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力分別出現(xiàn)峰值。分析原因?yàn)檫@四個(gè)位置分別為罐壁壁厚變化的分界處,斜溫層邊緣受網(wǎng)格影響會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng),隨著斜溫層位置不斷升高,熱應(yīng)力持續(xù)減小,直至罐頂附近,熱應(yīng)力逐漸減小到100MPa以下。

4結(jié)論

本文基于光熱電站熔鹽儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)建立了熔鹽儲(chǔ)罐的有限元分析模型,通過載荷施加及邊界條件設(shè)置進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析,求解得到不同斜溫層位置、厚度工況下的儲(chǔ)罐熱應(yīng)力分布及位移分布。分布結(jié)果分析表明：

(1)對(duì)于不同斜溫層位置,斜溫層靠近熔鹽儲(chǔ)罐底部的工況下,儲(chǔ)罐罐壁變形更大。斜溫層厚度2m、溫差235℃工況下,對(duì)熔鹽儲(chǔ)罐材料為S34779進(jìn)行熱應(yīng)力判定,結(jié)果顯示儲(chǔ)罐罐壁強(qiáng)度校核通過。

(2)斜溫層厚度越大,儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力越小。

(3)斜溫層位置由罐底上升到罐頂,罐壁熱應(yīng)力先增大后減小,最大熱應(yīng)力的斜溫層位置在距離罐底2m處附近。

本文通過數(shù)值模擬分析光熱電站熔鹽儲(chǔ)罐熱應(yīng)力及位移分布情況,并根據(jù)不同斜溫層厚度、位置獲得儲(chǔ)罐罐壁熱應(yīng)力變化趨勢(shì),為光熱電站熔鹽儲(chǔ)罐斜溫層的設(shè)計(jì)提供參考。

作者：哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司：田永蘭，崔艷艷，洪增元。