5000 m3等級(jí)斜溫層儲(chǔ)熱罐接管強(qiáng)度分析

趙宇煒，姜曉霞，王鐸，姚亮

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150090）

0 引言

我國(guó)北方地區(qū)具有豐富的太陽(yáng)能風(fēng)能資源，但由于北方地區(qū)電廠往往擔(dān)負(fù)著供暖任務(wù)，具有熱電耦合特性，存在著以熱定電現(xiàn)象，造成現(xiàn)有機(jī)組調(diào)峰能力有限，使得“三北地區(qū)”新能源消納難題已逐步發(fā)展成為制約其規(guī)模化開(kāi)發(fā)利用的重大瓶頸。2016年6月28日，國(guó)家能源局綜合司發(fā)布通知，將丹東電廠等22個(gè)煤電站確定為提升火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目。大型斜溫層儲(chǔ)熱罐等產(chǎn)品被廣泛用于熱電廠靈活性改造，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，進(jìn)行深度調(diào)峰。有效容積在20 000 m3左右的儲(chǔ)熱罐常常單獨(dú)使用，其與熱網(wǎng)直接連接，由熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行儲(chǔ)熱，比如大唐遼源電廠及華能丹東電廠即采用該種技術(shù)。而采用電鍋爐配合儲(chǔ)熱罐使用時(shí)，儲(chǔ)熱罐有效容積一般在5000 m3等級(jí)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)斜溫層儲(chǔ)熱罐的研究多集中在流場(chǎng)分析方面，比如鄧育涌[1]分析了斜溫層蓄冷槽的換熱機(jī)理，姜曉霞、姚亮等[2]通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析了某大型斜溫層儲(chǔ)熱罐項(xiàng)目?jī)?nèi)部自然分層過(guò)程及影響因素，但是對(duì)大型斜溫層儲(chǔ)熱罐的具體結(jié)構(gòu)的研究較少，而罐體的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)熱罐能否安全穩(wěn)定運(yùn)行直接相關(guān)，尤其是斜溫層儲(chǔ)罐直徑往往較大，其上的開(kāi)孔是整個(gè)罐體應(yīng)力集中的部位，易發(fā)生破壞，因而對(duì)于接管部位進(jìn)行強(qiáng)度校核是必要的，是保障儲(chǔ)熱罐正常運(yùn)行，關(guān)系人身安全的重要步驟。

本文針對(duì)有效容積為5000 m3的斜溫層儲(chǔ)熱罐運(yùn)行工況復(fù)雜的特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬分析的手段，對(duì)接管進(jìn)行強(qiáng)度校核，是對(duì)斜溫層儲(chǔ)熱罐常規(guī)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證與有效補(bǔ)充。

1 儲(chǔ)熱罐模型

某斜溫層儲(chǔ)熱罐項(xiàng)目，儲(chǔ)熱罐設(shè)計(jì)有效容積為5000 m3，有效蓄熱量250 MWh，常壓儲(chǔ)水罐，設(shè)計(jì)溫度98℃，介質(zhì)高溫95℃，介質(zhì)低溫50℃，罐體內(nèi)徑為17 m，罐壁高度為26.4 m，設(shè)計(jì)液位25.67 m，罐壁材料為Q345R，罐壁及接管材料為20鋼，項(xiàng)目所在地位于北方。罐壁、接管及管道材料彈性模量、泊松比及導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，熱膨脹系數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[4]，許用應(yīng)力見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

1）模型。依據(jù)儲(chǔ)熱罐外形尺寸建立模型，其中，冷熱水接管外徑為530 mm，壁厚為16 mm，管道壁厚為12 mm，采用補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)板外徑為1055 mm，其中，熱水管高度為18.7 m，補(bǔ)強(qiáng)板厚為8 mm，冷水管高度為7.7 m，補(bǔ)強(qiáng)板厚度為12 mm。考慮儲(chǔ)熱罐罐壁為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，研究部位為接管及接管附近罐壁，因而建模時(shí)罐壁只建立接管中心線兩側(cè)15°范圍殼體。由于殼體直徑較大，罐體內(nèi)部管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，熱位移將不可忽略，按實(shí)際長(zhǎng)度建立管道模型。在建模時(shí)需要一定高度的殼體，以便使得邊界條件不影響封頭應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)ASME SEC VIII-2規(guī)范[6]，所需最短長(zhǎng)度為L(zhǎng)=6/β，經(jīng)計(jì)算求得最小殼體距離為1487 mm。

2）邊界條件。依據(jù)儲(chǔ)熱罐實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用軸坐標(biāo)系施加邊界條件，管道豎直段上端及殼體下端施加固定約束，殼體左右兩側(cè)施加對(duì)稱約束，殼體上端Z向放開(kāi)。溫度方面初始溫度設(shè)定20℃，對(duì)于熱水管模型，熱水管溫度設(shè)定為98℃，殼體設(shè)定為50℃；對(duì)于冷水管模型，冷水管設(shè)定溫度為50℃，殼體設(shè)定為98℃。

3）荷載。罐體、管道內(nèi)壁及管道位于殼體內(nèi)部分外壁施加靜水壓，接管端部施加接管外力及外力矩：熱水管接管力Fx=2 kN，F(xiàn)y=2 kN，F(xiàn)z=-52.057 kN，熱水管接管力矩Mx=0.8 kN·m，My=0.8 kN·m，Mz=40.17 kN·m；冷水管接管力Fx=1 kN，F(xiàn)y=1 kN，F(xiàn)z=-21.46 kN，熱水管接管力矩Mx=16.88 kN·m，My=0.8 kN·m，Mz=0.8 kN·m，方向如圖1所示。

圖1 斜溫層儲(chǔ)熱罐幾何參數(shù)

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3層，劃分后網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格示意圖

2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如下，為便于觀察變形情況，變形比例放大50倍，溫度分布如圖3所示，與設(shè)定邊界條件一致，位移分布如圖4所示，主要為溫差及壓力共同作用產(chǎn)生，變形最大區(qū)域集中在接管左右兩側(cè)殼體處。

圖3 溫度分布云圖

圖4 位移分布云圖

熱水管應(yīng)力分布如圖5所示，冷水管應(yīng)力分布如圖6所示。為便于觀察應(yīng)力集中區(qū)域，熱水管設(shè)定最大值為140 MPa，冷水管設(shè)定最大值為220 MPa。從中可以看出接管、接管周邊及殼體應(yīng)力值均較小，內(nèi)部有局部區(qū)域超過(guò)了設(shè)定值，該區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，屬于危險(xiǎn)區(qū)域，針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行線性化。

圖5 熱水管應(yīng)力分布云圖

圖6 冷水管應(yīng)力分布云圖

采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 熱水管強(qiáng)度校核 MPa

表2 冷水管強(qiáng)度校核 MPa

從結(jié)果可以看出，線性化結(jié)果均滿足要求。但線性化路徑S1、S5及S6的計(jì)算值已經(jīng)接近允許值，余量較小，這種情況為保證設(shè)備的安全性，設(shè)計(jì)人員可酌情考慮增加接管壁厚或更換更高強(qiáng)度等級(jí)材料。

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5000 m3的斜溫層儲(chǔ)熱罐冷熱水接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，得到了冷熱水接管結(jié)構(gòu)的溫度、位移及應(yīng)力分布情況，并針對(duì)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，最終得到如下結(jié)論：1）接管模型變形較大區(qū)域主要集中在接管左右兩側(cè)殼體區(qū)域，且冷水管模型位移量更大，殼體與接管的相對(duì)位移也更大；2）補(bǔ)強(qiáng)板周圍區(qū)域應(yīng)力值較大，冷水管較熱水管受力更為惡劣；3）應(yīng)力集中區(qū)域主要位于接管與殼體連接部位，接管內(nèi)部區(qū)域應(yīng)力值更大，是強(qiáng)度薄弱區(qū)域；4）線性化后，冷水管接管已接近許用值，應(yīng)考慮加厚接管或更換更高強(qiáng)度材料。