CN109726514B - 塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法，将吸热塔视为单质点体系，其自振周期T的计算公式为：
Figure DDA0001961621070000011
本发明给出了M和δst的计算方法。本发明的应用，可以籍由输入吸热塔尺寸、材料参数、吸热器质量和质心高度等参数，可快速计算出吸热塔结构的自振周期，便于进一步计算作用在吸热塔结构上的风荷载和地震荷载。

Description

塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法
技术领域
本发明涉及光热发电技术领域，特别涉及塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法。
背景技术
光热发电是通过吸收太阳的热能然后利用热能发电的一种利用太阳能发电的模式。目前光热发电主要有塔式光热、槽式光热、菲涅尔式光热和蝶式光热，其中塔式光热由于聚热效果好，熔盐温度高，特别适用于大容量的光热发电站，目前国内已经有数个光热电站采用塔式光热发电模式。
塔式光热发电是利用镜场将太阳光聚焦到吸热塔上的吸热器上，给吸热器内的熔盐进行加热，以熔盐为载体，将高温熔盐通过换热产生高温高压蒸汽，从而驱动汽轮机发电，由于被加热的熔盐可以进行存储，因此光热发电是带有储能性质的新能源利用方式。
吸热塔作为塔式光热发电站的核心构筑物，具有高度高、顶部重量重的特点，与目前已有的结构相差较大，例如相比传统的水塔结构，一是吸热塔结构高度一般可以达到200米,在某些场合甚至更高，顶部吸热器系统往往重达数千吨，因此吸热塔截面一般采用变截面以降低成本；而多数水塔不超过100m，由于高度较小，一般其支撑结构采用等截面筒体。
吸热塔的自振周期与风荷载计算和地震计算关系密切，尤其是在初步确定吸热塔结构尺寸时。目前尚无吸热塔结构自振周期的计算公式，而如果直接套用类似结构如水塔、烟囱的周期又会来带较大的误差，因此有必要研究吸热塔结构的自振周期计算方法。
精确计算吸热塔结构可以采用有限单元法，但这种方法需要建立有限元模型，截面尺寸修改不方便，对计算机硬件也有一定的要求，在初步确定吸热塔结构尺寸时采用此方法往往效率很低。故而急需一种快速、精度较高的计算方法，同时这种方法必须能考虑吸热塔结构截面沿高度减小这一特点。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法，实现的目的之一是通过输入吸热塔尺寸以及其上吸热器质量及质心高度，可通过公式快算计算出该吸热塔结构的自振周期，从而为吸热塔结构设计提供依据。
为实现上述目的，本发明公开了塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法，所述吸热塔的结构为筒形结构，截面为圆环结构，且直径沿高度线性变化，所述吸热塔底部外圆半径为r1，顶部外圆半径为r2，壁厚为t；
所述吸热塔采用钢筋混凝土或钢结构，弹性模量为E，密度为ρ；
所述吸热塔的塔顶设有吸热器；所述吸热器的总质量为m，所述吸热器的质心到所述吸热塔底部固定端距离为h，到吸热塔顶部距离为h1；
所述吸热塔自振周期T的计算公式如下：
Figure BDA0001961621050000021
/>
公式(1)中δst根据以下公式计算：
Figure BDA0001961621050000022
公式(2)中的函数A和函数B的关系式如下：
Figure BDA0001961621050000023
Figure BDA0001961621050000024
在公式(3)和公式(4)中，r为函数的自变量，是所述吸热塔不同高度处的筒壁外半径；
公式(1)中的M根据以下公式计算：
M＝m+0.15ρV (5)
其中，V为塔筒壁材料的总体积。
优选的，所述混凝土吸热塔塔筒材料密度为ρ的取值为2500kg/m3。
优选的，所述吸热塔的所述直径随着高度的增加逐渐缩小。
本发明的有益效果：
本发明籍由输入吸热塔尺寸、材料参数、吸热器质量和质心高度等参数，可快速计算出吸热塔结构的自振周期，便于进一步计算作用在吸热塔结构上的风荷载和地震荷载。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例中吸热塔的外形结构示意图。
图2示出吸热塔的1-1处横截面结构示意图。
具体实施方式
实施例
如图1和图2所述，以某圆筒形吸热塔为例，吸热塔截面沿高度线性变化，底部圆环外半径r1＝8.5m，顶部圆环外半径r2＝5m，吸热塔壁厚均匀，厚度t＝0.4m，塔顶吸热器总质量m＝3000000kg，吸热器质心离吸热塔固定端高度h＝228m，吸热器质心离吸热塔顶端距离h1＝20m，采用混凝土材料，弹性模量E＝3×1010Pa，混凝土密度ρ＝2500kg/m3，根据前述计算方法：
第一步：确定吸热塔相关参数:
r1＝8.5m，r2＝5m，t＝0.4m；
第二步：确定吸热塔顶部吸热器质量m及吸热器离吸热塔固定端和顶端高度h和h1
m＝3000000kg，h＝228m，h1＝20m
第三步：确定吸热塔材料参数
采用C30混凝土，此时弹性模量E＝3×1010Pa，钢混混凝土密度ρ＝2500kg/m3。
第四步：计算吸热塔周期
将上述参数代入到计算公式(2)～(4)，得到
M＝4407454(kg)
δst＝2.7141×10-7(m)
其中A(r1)＝5.411，B(r1)＝86.82，B(r2)＝48.93。
将以上结果代入式(1)，则
Figure BDA0001961621050000041
对本算例中吸热塔自振周期计算结果与有限元分析结果、水塔规范计算结果进行对比，如下表1所示。
表1不同方法计算算例中吸热塔自振周期对照表
Figure BDA0001961621050000042
采用有限单元法分析吸热塔自振周期精度较高，但建模和计算较复杂，本算例采用有限单元法计算得到的自振周期结果，可作为参考依据，从表1可以看到，本文方法与有限单元法的误差较小，在2％以内，而采用水塔结构设计规范的公式，则误差达到了30％，说明对于塔筒截面沿高度线性减小的圆筒形吸热塔，采用水塔结构设计规范公式计算自振周期将带来较大误差，而本文方法计算结果精度相对较好。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法，所述吸热塔的结构为筒形结构，截面为圆环结构，且直径沿高度线性变化，所述吸热塔底部外圆半径为r1，顶部外圆半径为r2，壁厚为t；
所述吸热塔采用钢筋混凝土或钢结构，弹性模量为E，密度为ρ；
所述吸热塔的塔顶设有吸热器；所述吸热器的总质量为m，所述吸热器的质心到所述吸热塔底部固定端距离为h，到吸热塔顶部距离为h1；
所述吸热塔自振周期T的计算公式如下：
Figure FDA0003878162440000011
Figure FDA0003878162440000012
Figure FDA0003878162440000013
Figure FDA0003878162440000014
M＝m+0.15ρV (10)
其中，r为所述吸热塔不同水平高度的筒壁外半径，单位为:m；
V为塔筒壁材料总体积，单位为:m3；
ρ为塔筒材料的密度，单位为:kg/m3；
M为等效质量，单位为:kg；
E为塔筒材料的弹性模量，单位为:Pa；
δst为吸热塔质心位置在单位力作用下产生的位移，单位为:m；
A(r)和B(r)为r的函数，是计算δst的中间变量；A(r1)和B(r1)为将r＝r1代入A(r)和B(r)中计算得到，B(r2)为将r＝r2代入B(r)中得到。
2.根据权利要求1所述的塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法，其特征在于，所述密度为ρ的取值为2500kg/m3。
3.根据权利要求1所述的塔式光热圆筒形吸热塔自振周期的计算方法，其特征在于，所述吸热塔的所述直径随着高度的增加逐渐缩小。
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