热水储能罐运行状态健康监测的方案设计及工程实践*

徐 潜 王金成 张志谦 王勇奉 金 靖 李雄彦 魏金刚 耿 岩

(1.国核电力设计研究院有限公司，北京 100022；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

为了满足供热需求，缩小峰谷能耗差距，常采用新建热电厂和增建机组等方式，然而，这些传统的措施并不能从根本上减少化石能源的使用和温室气体的排放，同时也增加了初始投资。在夜间低能耗时期，机组容量大于能耗，存在较大的过剩，不能及时消耗，在低负荷运行状态下，导致机组效率偏低。因此，我国在“六五”期间提出“以热定电”的战略，要求供热单位优先保证供热期间的热负荷供应[1]。“以热定电”的运行模式可以达到降低成本，提高经济性的目的。但此运行方式会出现热电耦合的现象，即低负荷时期发电过剩，高峰时期发电不足，该现象无法有效解决电力负荷的温差问题，还将降低机组调峰能力。因此，我国现阶段对用电峰谷差增大的不足也无法有效解决。

目前，国际上为解决上述问题采用的普遍做法是需求侧管理[2-3]。常见的需求侧管理措施包括：1)通过增加峰谷电价差，鼓励用户调整生活生产方式；2)改善电厂的集中供热系统中热电联产技术、储能技术，其中，设置大型热水罐是解决上述问题的有效措施，但国内对大型热水储能罐的研究较少。

热水蓄热技术是将可再生能源产生的暂时不必要的热量或多余的电能在低热耗期转化成热能，同时以水作为载体储存在热水储能罐中，以便在用热高峰期时释放和再利用热量。

蓄热技术[4]不但可以使在时间及空间上的能量供需不匹配问题得到有效解决，还可以带来较好的经济效益。而热水储能罐在有效地解决了用户用热量的峰谷差问题的同时，又能使其建设费用相较与调峰锅炉房的建设费用降低许多。由于国内外行业发展的差异，虽然蓄热技术在国外热电联产电厂中已经相对成熟，但在我国此项技术并未得到广泛的应用，有些问题亟待解决，其中主要包括：

1)热水流入/放出过程中，除去静水压力影响，过渡层移动导致的罐体温度应力变化。

2)罐内液体与罐壁应力、应变的关系。

3)罐内储存不同温度的水时，温度作用对罐体各个部位的影响。解决这个问题，可以有效提高国民经济效益，对建设环境保护型、资源节约型社会意义重大，同时可以实现能源合理分配利用，以提高能源的高效使用。

4)在清洁供暖方面，目前国内鼓励热水储能，因此热水储能罐的应用前景十分广阔。热水储能罐是灵活性改造工程的关键核心结构，其重要性不言而喻。因此，有必要获取蓄热罐关键部位的应力分布情况，并达到对设计的合理性和运行的安全性进行有效检验的目的，这就需要对大型热水储能罐进行运行期健康监测。

5)大型热水储能罐健康监测的重点是对罐体和外壁的应变、应力进行实时监测，收集的实际数据可用于与有限元模拟结果进行对比验证，进而指导其他项目的优化设计，实现降低罐壁厚度、降低工程量、降低工程造价的目的。

1 监测方案介绍

1.1 热水储罐的工程概况

2016年6月14日，国家能源局组织召开了“提升火电灵活性改造示范试点工作启动会”。第一批试点确定了16个项目，其中国家电投有4个试点项目：本溪发电厂、东方发电厂、燕山湖发电厂和白城发电厂。本溪发电厂为新建项目，其他电厂为已投产工程。国内第一个区域供热蓄热罐项目于2005年在左家庄供热厂建设完成，目的是优化北京市供热系统，提高经济运行性和热网运行的可靠性，充分发挥热电联产区域供热的规模经济优势，减小能量损耗。罐体材质为钢材，罐体直径23 m，高度25.2 m，总容积为8 000 m3。根据目前初步计算，东方发电厂需要建设2个20 000 m3的热水储能罐。

该工程涉及的非锚固热水储罐为30 000 m3的立式圆柱形钢制焊接无锚固热水储能罐，罐壁内径为31 m，整体罐高43.62 m。储水罐主要由罐顶、罐壁、顶部加强圈、中部抗风圈和罐底组成。罐顶厚度为6 mm，材料为Q345R钢材，屈服强度σy=345 MPa。如表1所示，罐壁沿高度方向改变，罐壁最底端厚度为36 mm，从罐壁最底端开始每往上增加2.2 m，厚度就会减小2 mm，到罐壁最顶端厚度为8 mm。

表1 罐壁从下至上信息Table 1 Information of the tank wall from bottom to top

1.2 监测目标

通过监测方案的实施，对大型热水储罐在使用阶段的安全性进行及时、准确的评价。监测系统基本目标为：

1)监测系统应具有人机交互界面，实现可视化监测，并主要面向系统的管理维护人员。其数据库应具备较为完善的数据管理功能(如显示、打印、存储等)。

2)能够远程监控本项目场地内外情况，系统采集数据与分析结果应可以及时地传输到相关技术人员的电脑中。

3)进行实时监控，实现结构长期连续稳定的监测。

4)针对关键部位的温度、应变、倾角以及周边风速尽量采用统一的采集系统，各种不同类型的数据实时同步采集；同步采集难度较大时，在不降低健康监测有效性的前提下，可采用准同步采集。

1.3 应变监测

1.3.1应变计选型

在应变监测中，由于粘贴过程对测量结果影响非常大，且耐久性差，所以推荐选用振弦式应变计[5]。振弦式应变计同时具备温度测量功能，一方面使应变测量考虑了温度补偿，使测量更加准确，另一方面也可与已有的温度测点形成对照。

振弦式应变计通过粘贴的方式固定在罐体表面，根据内部振动原理又分为“自动谐振”和“拔振”两种。“拔振”振弦应变计虽然体积小，但是价格昂贵；“自动谐振”振弦应变计精度也较高，同样可以满足监测要求，考虑到焊接时罐体自然会形成熔池及对氢致裂纹敏感的区域，所以推荐选用粘贴式的方法，选用优质的结构黏接剂，耐久性很好。“拔振”振弦应变计的安装效果如图1所示。

图1 拔振应变计安装效果Fig.1 Installation effect of pulling-vibration strain gauges

常规的振弦式应变计的技术指标如表2所示，虽然常规温度测量范围为80 ℃，但可以经过出厂参数调校，实现100 ℃以内的温度测量。

表2 振弦式应变计的技术指标Table 2 Technical indexes of vibrational chord strain gauges

1.3.2测点布置

测点分为水平测点和竖向测点，水平测点主要监测环向的应变，竖向测点主要监测竖向荷载作用下的应变。在布置中，同时考虑安装的可操作性，沿着爬梯在温度测点附近布置。根据张静对立式储罐有限元分析的结果:下部承受的水压力大于上部，所以下部的传感器布置密集，上部稀疏，逐级递减[6]。

1)对于竖向测点：

S2、S11、S18，大致相隔90°布置一个，以保证不同风向时，不同角度的竖向变化均可监测。

2)对于水平测点：

a.底部1 m高度处，在水压力和水平荷载的共同作用下，该位置受力最大，是最易出现变形过大、屈曲等破坏的地方，故在该位置附近进行加密布置，每1 m布置一个应变测点：S1、S3、S4。

b.在抗风圈(30 m)处是应力和应变较大的位置，罐顶与罐体交界处在风荷载作用下应力、应变最大。所以，该位置布置传感器S19。

c.罐顶在顶部恒荷载、风荷载作用下，受力较大，所以在罐顶相隔90°的两个位置布置测点S23、S25，方向为沿着罐顶径向。

d.其他位置的传感器布置按照图2所示进行，安装坐标可参照温度测点名称及位置。

图2 储水罐传感器布置 mmFig.2 Sensor arrangements of the water storage tank

1.3.3应变计安装

BGK-4000应变计[7]的温度膨胀系数与钢结构的相同，因此，在进行测量时无需进行温度修正，并且内部有温度传感器，可以同时测出安装处的温度值，此振弦式应变计具有良好的防水性和耐腐蚀性，而且在恶劣的环境下依然可以长期稳定监测结构的应变、温度。一般安装在结构的表面，易于操作，简单实用，精确度与灵敏度很高，非常适合在此工程中监测使用。

1)应变计验收。收到应变计后,对其进行测试检查，确保读数在正常范围内。

2)电缆连接加长。电缆安装前应根据现场情况连接和加长[8]，电缆长度的变化不会影响振弦仪输出信号的频率，对采集数据值没有影响。但要注意避免电缆接头埋在土壤中，若无法避免，也应该使用防水接头。有接头时，焊接后，为避免接头处出现短路、开路等问题必须测量芯线间电缆的电阻，并用读数仪器进行读数检查，排除异常。

3)传感器的粘贴。在粘贴前，应在罐体表面粘贴处做好标记。打磨掉垫块要粘贴位置的涂层，用酒精擦拭，使表面平整光滑；将结构胶涂于垫块的粘贴面，然后在胶水表面迅速喷一次促进剂，加速黏接，其次迅速将垫块粘贴于指定位置，可用长165 mm、直径12 mm的安装杆进行定位。

a.两个垫块黏接好后，将应变杆穿入其中。b.将线圈卡在应变计中部，固定卡箍。c.先将应变计的一端用螺钉固定，然后固定另一端螺丝，此时应变测量范围默认在(-1.5～1.5)×10-3。d.根据需要设置保护罩，避免应变计破坏。保护罩粘贴于罐体表面、应变计外侧，防止外部挤压变形。

4)应变计编号。应变计安装就位后，应按照图2的编号顺序，在线的端部贴上对应的编号标签，以便于连接采集仪时与通道对应。

5)读数检查。BGK-4000应变计读数R0范围一般在(0.4～1.2)×10-3，按照经验应该在0.8×10-3左右。

6)现场安装。首先对应变计测点定位、打磨，然后使用结构胶粘贴至罐体表面，待粘贴牢固后安装保护壳，将线连接至采集仪器即可。

1.4 风速监测

风速与罐体表面受力及罐体与环境的对流换热密切相关，监测风速有利于掌握当日的气象条件，如果风荷载超出设计荷载，就需要运营人员及时采取措施，对罐体进行保护，防止灾害发生，保证储罐健康运行。

1.4.1风速计的选择

风速的测量拟采用二维机械螺旋桨式风速仪。二维机械螺旋桨式风速仪采用EL15-1A风速计和EL15-2D风向计。EL15-1A风速计的优点是响应快、灵敏性高、启动风速低。三个轻质锥形风杯组成风速计的感应部分，在工作范围内能提供良好的线性，最大风速能达到60 m/s。主要技术参数见表3。

表3 风速仪的主要技术参数Table 3 Main technical parameters of anemometer

1.4.2风速计的安装和使用

安装前应该对风速感应器进行运转测试，保证安装的风速计是正常的，才可进行安装。测风仪器需安装在开阔的地方，要求安装平稳、不倾斜。风速计应定期维护，工作时间长了，轴承就会出现磨损而造成测量值不准确。仪器或受到严重污染，使得转动部件与静止部件的缝隙堵塞，从而加大摩擦，故需对积聚的污垢进行定期清除。

1.5 数据采集与传输系统

1.5.1数据采集

BGK-Micro-40自动化数据采集仪，不仅可以实现应变采集，还可以附加一个信号转换模块，进行倾角计的数据采集。本工程推荐使用其作为数据采集系统。

BGK-Micro-40数据采集系统[9]采用最新的数据采集技术，是基于现代通信技术推出的新一代工程安全自动化监测系统。整个系统由振弦式应变计、传感器、BGK-Micro-40自动化数据采集仪、基康云平台、数据远程采集软件等组成，如图3所示。在采集仪上增加了无线传输模块，可完成此类工程的自动测量采集、数据处理、图表制作等工作。此外，电源、通信接口及每个测量通道都具有防雷功能。

图3 数据采集系统示意Fig.3 The schematic diagram of the data acquisition system

1.5.2数据采集方式

数据采集系数既可以通过RS485串口直接连接电脑获取数据，也可以增加无线通信模块，使用基康云平台，网页浏览器登录在线接收数据，实现远程监控。

无线远程监控的优势在于可以无须在现场就能监测到数据变化，及时发现数据或采集仪异常。

1.5.3采集仪设置

与BGK-4000应变计搭配使用的读数仪采用BGK-408型[10]，读数时使用“℃”档。应变算式如式(1)：

ε=GC(R1-R0)

(1)

式中：ε为应变；G为仪器标准系数，3.7×10-6；C为平均修正系数(通常在0.95～1.05，由率定表给定)；R1为当前读数，字；R0为初始读数。

安装在钢结构表面的应变计，因为钢弦与钢板之间膨胀系数相同，通常不用再进行温度修正。因此，在参数设定中，应先读取应变计出厂参数中的G值和C值，然后计算G×C，作为软件中的G值，软件中C值为0，K为0，R0、T0为读数初值。

1.5.4线缆布置

线缆布置根据现场要求，因地制宜。走线形式类似于“扎辫子”的方式，沿着已布置的温度传感器的线槽，环向走线，使线缆平整，走向明确，彼此之间不交叉，采集仪布置于管廊附近的框架上，减少线材的消耗。

2 监测过程介绍与数据采集

大型热水储能罐健康监测的重点是对罐体外壁的应变、应力进行实时监测，收集的实际数据可用于与模拟结果的对比验证，结果可用于其他项目的优化，从而降低罐壁厚度，降低工程量，从而降低工程造价。

为了检验储罐设计的合理性，以及储罐运行过程中的安全性，进行现场应力、应变测试，采集的应力、应变数据可以反映出蓄热罐的应力分布情况，通过数据处理，可以得到罐壁沿高度方向的应力、应变情况和温度变化情况，以及温度对测点位置应变的影响，也可与有限元模拟结果对比，验证理论分析是否正确。

1)首先设计一套合理的方案是前提，监测应变、温度、风速，本方案首先设计不同的测点，测点分为水平测点和竖向测点，水平测点主要监测环向的应变，竖向测点主要监测竖向荷载作用下的应变。在布置传感器时，考虑到安装的可操作性，沿着爬梯在温度测点附近布置。根据其他学者对储罐的力学特性研究，下部承受的水压力大于上部，所以总体上，下部的传感器布置密集，上部稀疏，逐级递减。然后安装应变计和传感器，便于后期数据的采集。

2)数据采集系统选用BGK-Micro-40自动化数据采集仪。完成系统安装之后，经过一段时间的连接调试，使系统的采集系统、传输系统和罐区监控中心监测设备连接成整套系统。

3)采集周期设置为30 min一次，应变温度同步采集，从11月供暖期开始监测到3月供暖期结束为一个采集周期。将采集来的数据进行提取分析，整理分类，然后从处理后的数据中找出规律，掌握罐壁应力分布状态并与有限元结果进行比较，通过监测数据得出的客观规律去验证模拟分析的可行性，为储罐的设计提供一定的参考。

3 实测值与有限元模拟对比验证

3.1 实测值分析

利用前文所述监测方案，对通辽热水储能罐项目进行了现场监测，得到了不同时间段内罐壁应力沿高度变化的曲线如图4所示，其中各数值均为以天为单位所取的取平均值。同时，在罐底也布置了相应测点，以监测这两处竖向应力和环向应力的变化规律，结果如图5所示。

2月26—3月11日；2月11—25日；1月26—2月10日；1月11—25日；12月26—1月10日；12月1—14日；11月10—30日。图4 罐壁环向应力随高度变化曲线Fig.4 Variation curves of hoop stress in the tank wall along height

a—罐底环向应力；b—罐底竖向应力。图5 罐底实测应力Fig.5 Measured stress of the tank bottom

由图4 可知:在11月10—30日，罐壁环向应力基本为0，上部约为15 MPa，这是由于此阶段属于空罐状态，之后才慢慢注水到正常运行；储罐在正常运行阶段，沿罐壁方向，罐壁底部环向应力是85 MPa左右，环向应力最大值在170～190 MPa波动，出现在距离罐底2.2 m左右的位置，随着高度增加，应力波动减小，罐壁顶部应力在40 MPa左右。

从图5a 中可以看出:在正常运行情况下，罐底的环向应力在78～95 MPa (受拉) 之间波动，受风荷载、温度、测点位置等众多因素影响，波动是正常的，平均值在85 MPa(受拉)左右，取作参考值。图5b 中显示竖向应力在9～33 MPa(受拉)范围内，平均值为25 MPa(受拉)左右，取作参考值。由于受罐底约束，罐壁最大环向应力在距离罐底高度2.2 m左右，此处向外变形膨胀，导致罐壁底部竖向受拉。

3.2 有限元模拟验证

图6为刚性约束、绑定约束和弹性接触三种不同底部约束条件下罐壁环向应力和竖向应力模拟值。由图6a可以看出，对于三种不同约束的模型，罐壁的环向应力最大值都为170 MPa左右，在距离罐底面高度2.2 m左右的位置，与实测值较为接近，虽然由于模型罐壁上部没有抗风圈、加强圈，使得模拟应力值偏大，但整体上与环向应力实测值变化规律一致。对于罐底部的环向应力，底部刚性约束下为98 MPa(受拉)，比实测值大15%左右；底部绑定约束下，环向应力为94 MPa，比实测值大10%；而在底部摩擦约束的条件下，底部环向应力89 MPa，与实测值最为接近。

由图6b可以看出，底部刚性约束条件下，距离罐底较近位置竖向应力(受拉)为123 MPa，在高度2.2 m左右位置竖向应力(受压)为66 MPa左右，即罐壁底部应力发生很大突变；底部绑定约束情况下，距离底部较近位置竖向应力(受拉)为105 MPa，距地面2.2 m处竖向应力最大值(受压)为65 MPa；底部摩擦接触约束在罐壁底部较近处竖向应力(受拉)为23 MPa，2.2 m高度处最大值达到63 MPa，因此在摩擦接触约束下的模拟值与实测值比较接近。

a—罐壁环向应力模拟值；b—罐壁竖向应力模拟值。底部摩擦接触约束；底部绑定约束；底部刚定约束。图6 罐壁应力模拟值Fig.6 Simulation values of stress in the tank wall

图7为三种不同约束条件下，ABAQUS有限元模型的罐底变形情况，可以看出，在罐底采用摩擦接触建模的情况下，罐底的变形更符合实际翘曲情况，而其他两者建模，底部变形情况均未能得到较好体现。

a—底部刚定约束；b—底部摩擦接触约束；c—底部绑定约束。图7 不同约束条件底部变形Fig.7 The bottom deformation in different constraint cases

综上所述可知，当罐底约束条件为摩擦接触时，应力模拟值和罐底变形与实际情况更为接近，为此，建议选用底部摩擦接触约束模型进行储能罐力学特性的模拟分析。

4 结束语

基于通辽储水罐项目设计了相应的健康监测方案，并将实测数据与相应有限元模拟结果进行了对比分析，得出以下结论：

1)在满足监测目的的前提下，要保证传感器监测点的数量是足够的，任何测点的布设都是有意义的；不仅节省仪器设备、减少通信量、避免人力财力浪费，而且还使监测工作重点突出。

2)监测点的布置应能测量结构的最大位移以及最大应力、应变，反映结构的受力特性。为保证观测结果的可靠性，有必要布置一定数量的校核性监测点。监测点布置要求观测点与储水罐结构牢固结合，并且能长期稳定监测。

3)罐壁和罐底应力实测值与底部约束为摩擦接触的有限元模拟结果最为接近，且该约束条件下的罐底变形更符合实际情况，因此，对于此类非锚固立式储罐的有限元建模宜采用摩擦接触约束，建议摩擦系数取0.2，同时也验证了健康监测方案的合理性和有限元模型的正确性。

4)根据监测结果，可对储能罐特定部位进行优化设计、合理减少用钢量，降低工程造价，提高工程建设企业在该领域的综合竞争力，对我国储能罐的设计提供参考价值。