摘要：基于光熱電站熔鹽儲罐結構建立了儲罐的三維計算模型,通過載荷施加及邊界條件設置進行熱應力耦合分析,得到不同斜溫層位置儲罐的熱應力及位移分布情況。根據不同斜溫層厚度、位置獲得儲罐罐壁熱應力變化趨勢。斜溫層厚度越大,儲罐罐壁熱應力越小。斜溫層位置由罐底上升到罐頂,罐壁熱應力先增大后減小。這些結果不僅有助于深入了解儲罐的工作性能和安全性,還為儲罐的優化設計和改進提供了重要的理論依據和實踐指導。

概述

當下,全球對能源的需求持續上升,然而石油等不可再生資源日益短缺,且全球范圍內環境污染問題愈發嚴重。為解決能源及環境問題,實現世界范圍內可持續發展,必須創新技術,發展清潔可再生能源,減少對環境的破壞,同時滿足日益增長的能源需求。太陽能取之不盡用之不竭,作為可再生能源優勢明顯,開發太陽能光熱發電技術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性、間歇性、不穩定性、反調峰特性等天然屬性,對電力系統安全穩定運行提出了巨大挑戰,絕大部分光熱電站需要配置儲熱系統。儲能與新能源發電、電力系統協調優化運行已成為實現雙碳目標的必由之路。

光熱發電增加了儲熱系統,優勢明顯。白天熱量充足時進行熱量的存儲,夜間熱量不足時進行熱量的釋放,從而保證電網24小時不間斷調峰發電需求。熔鹽儲罐具備高儲熱能力和高穩定性,因此在光熱電站的儲熱子系統中,常采用高溫熔鹽儲罐進行儲熱。作為新型儲能性光熱電站的核心設備,熔鹽儲罐為電站連續穩定的蓄熱供氣提供保障。在構建新型電力系統過程中,熔鹽儲罐為解決光伏風電等新能源間歇性問題提供重要助力。

熔鹽儲罐為常壓設備,但是其高度已達到15余米,罐壁受到熔鹽介質的靜壓載荷,且在運行過程中斜溫層上下溫差最高達到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,因此有必要對儲罐罐壁斜溫層附近的熱應力情況進行分析。本文通過有限元分析軟件,采用Coupledtemp-displacement分析步(穩態計算)對模型的熱應力進行數值模擬計算,得到儲罐罐壁熱應力分布情況并進行分析,為儲罐斜溫層設計提供指導,從而保障光熱電站儲熱系統的安全穩定運行。

1設備參數及有限元模型

以某項目工程實例為原型進行分析計算。熔鹽儲罐結構示意圖如圖1所示。

圖1熔鹽儲罐結構示意圖

由于儲罐結構復雜,涉及結構多,建立三維整體模型難度較大。因此根據運行工況結構工藝,為更好地對結構進行建模分析,在不影響計算結果準確性的前提下,盡可能簡化模型,減少計算量。由于熔鹽儲罐結構的對稱性,利用三維軟件建立實體模型的十分之一部分進行數值模擬分析。計算模型如圖2所示。

圖2熔鹽儲罐三維計算模型

2材料物性及載荷邊界

熔鹽儲罐罐壁及罐底材料為S34779,材料標準《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》(GB/T24511-2017)。由于本次分析計算包含溫度參數,故材料屬性設為與溫度相關,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

熔鹽儲罐斜溫層位置計算工況見表2。

表2計算工況

熔鹽儲罐載荷及邊界施加如圖3所示。罐壁內表面施加熔鹽介質靜液壓載荷,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。模型坐標為柱坐標,其中半徑方向R、轉角方向T為極坐標,豎直方向Z為豎坐標;模型上端施加T方向約束,罐底面施加Z方向約束,罐壁對稱面施加T方向對稱約束,罐底中心點處施加固定約束。

圖3熔鹽儲罐載荷及邊界施加示意圖

3儲罐熱應力分析

通過有限元分析軟件對模型進行分析得到儲罐熱應力及位移分布云圖如圖4~圖7所示。

圖4儲罐熱應力分布云圖(工況1)

圖5儲罐位移分布云圖(工況1)

圖6儲罐熱應力分布云圖(工況2)

圖7儲罐位移分布云圖(工況2)

工況1斜溫層位于儲罐上部,由圖5位移分布云圖可以看出,最大變形位于儲罐頂部,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應力分布云圖可以看出,由于溫差存在,斜溫層下端附近熱應力較大,最大應力位于模型原點處,此處受固定約束的影響,最大應力值為300MPa。

工況2斜溫層位于儲罐下部,由圖7位移分布云圖可以看出,最大變形位于儲罐頂部,最大變形量為180mm;由圖6應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力較大,最大應力位于模型原點處,此處受固定約束的影響,最大應力值為297MPa。

由圖5與圖7結果對比可知,斜溫層靠近儲罐底部的工況,儲罐變形更大。

根據《鋼制壓力容器———分析設計標準》(JB/T4732-1995),對儲罐罐壁進行線性化及熱應力判定,結果如表3所示。

表3儲罐罐壁熱應力判定———S34779材料

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

為探討斜溫層厚度大小對儲罐罐壁的熱應力影響情況,對斜溫層厚度分別為0.2m、0.4m、0.8m、1.4m、2m工況下儲罐進行熱應力耦合分析。結果如表4所示。

表4儲罐不同斜溫層厚度熱應力

圖8不同斜溫層厚度熱應力曲線

由圖8可知,斜溫層厚度為0.2m時,儲罐斜溫層位置所受熱應力為285MPa;斜溫層厚度為0.4m時,儲罐斜溫層位置所受熱應力為235MPa;斜溫層厚度為0.8m時,儲罐斜溫層位置所受熱應力為165MPa;斜溫層厚度為1.4m時,儲罐斜溫層位置所受熱應力為133MPa;斜溫層厚度為2m時,儲罐斜溫層位置所受熱應力為96MPa。由此可見,斜溫層厚度越大,儲罐罐壁所受熱應力越小,且斜溫層位置處的罐壁所受熱應力隨著斜溫層厚度的增加呈近線性降低。因此斜溫層越厚,對于儲罐的結構安全性越有利。熔鹽儲罐最佳斜溫層厚度的設計,需綜合考慮儲罐的成本與系統整體效率及經濟性。

除斜溫層厚度外,斜溫層在儲罐中位置也會對儲罐罐壁的熱應力有一定影響。當斜溫層厚度為2m時,不同位置斜溫層對儲罐罐壁熱應力影響結果如表5所示。

表5儲罐不同位置斜溫層熱應力

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的間隔進行數值模擬計算,并對斜溫層位置儲罐罐壁所受熱應力進行對比分析。儲罐罐壁熱應力隨斜溫層位置不同的變化趨勢如圖9所示。

圖9不同位置斜溫層熱應力曲線

由圖9可知,斜溫層位置由罐底上升到罐頂,罐壁熱應力先增大后減小,最大熱應力的斜溫層位置在距離罐底2m處附近。分析原因為斜溫層越靠近罐底,所受徑向溫差引起的熱應力與熔鹽高度方向帶來的靜壓載荷之和越大,因此儲罐底部熱應力值越高。另外,由于儲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罐壁厚較厚,起到了強度加強的作用,因此該處儲罐罐壁所受熱應力較小。

在斜溫層下邊緣距離罐底2m、4m、6m、8m四個位置處,儲罐罐壁熱應力分別出現峰值。分析原因為這四個位置分別為罐壁壁厚變化的分界處,斜溫層邊緣受網格影響會出現應力波動,隨著斜溫層位置不斷升高,熱應力持續減小,直至罐頂附近,熱應力逐漸減小到100MPa以下。

4結論

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

(1)對于不同斜溫層位置,斜溫層靠近熔鹽儲罐底部的工況下,儲罐罐壁變形更大。斜溫層厚度2m、溫差235℃工況下,對熔鹽儲罐材料為S34779進行熱應力判定,結果顯示儲罐罐壁強度校核通過。

(2)斜溫層厚度越大,儲罐罐壁熱應力越小。

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

本文通過數值模擬分析光熱電站熔鹽儲罐熱應力及位移分布情況,并根據不同斜溫層厚度、位置獲得儲罐罐壁熱應力變化趨勢,為光熱電站熔鹽儲罐斜溫層的設計提供參考。

作者：哈爾濱汽輪機廠有限責任公司：田永蘭，崔艷艷，洪增元。