石化核電行業所涉及的科學技術領域十分廣泛，涵蓋了當今世界上最先進的科學與工程技術。本期為大家介紹安世中德石化核電行業仿真咨詢與專業定制開發方案。

 

1、石化核電服務方向

 

安世中德為石油石化與核電行業的整個產業鏈提供從工具產品、項目化咨詢、專業化定制開發、培訓與服務、CAE高性能計算咨詢到仿真體系建設等方面的軟件產品與技術服務。

 

專業方向：設備（儲罐、容器、管道等）、土建（地基基礎、建筑結構）、工藝、油氣開采、鉆探機械。

 

技術專題：結構強度、疲勞壽命、剛度、穩定性、損傷容限、施工過程、焊接工藝、預冷工藝、熱工、多相流、流固耦合、水力壓裂、設計優化、規范校核。

 

2、石化核電典型咨詢項目與專業系統列表

 

 

3、專業系統-LNG全容儲罐三維建模與仿真校核系統

 

安世中德針對大型LNG全容儲罐，實施了數個不同容積的咨詢項目。包括16萬方、20萬方、22萬方、27萬方，積累了成熟的LNG全容儲罐全三維建模與分析經驗，在此基礎上，基于ANSYS平臺開發了專用的LNG儲罐全三維建模與仿真分析系統，實現了LNG全容儲罐快速精確建模、高效計算與結果校核。

 

LNG儲罐仿真分析系統的優勢體現在：

 

l  全三維整體建模。模型可包括內外罐以及鋼筋、液體、保冷層、穹頂、吊頂、樁基礎以及其他附屬結構，可考慮樁土相互作用以及各部分結構之間的直接耦合作用；

 

l  全參數化自動建模?；谀０宓慕Y構參數和計算參數描述以及（可交互）全自動建模；

 

l  面向設計需求、基于規范的載荷工況定義與工況計算。可考慮溫度場、預應力、恒載、活載、風載、雪載、LNG液壓、設計正負壓、氣壓試驗、水壓試驗、泄露、地震、爆炸、沖擊、火災等各種工況，進行靜力、動力、穩定性計算，并按照規范和設計要求進行SLS(適用性極限狀態)及ULS(最終極限狀態)荷載組合與評估；

 

l  面向設計需求的結果呈現與校核。包括液面晃動、混凝土與鋼結構的內力（彎矩、剪力、軸力）與應力、穹頂屈曲載荷、裂縫寬度、結構變形、基礎沉降等，可按照圖片、曲線、動畫、數據等形式輸出計算結果，并自動生成計算報告；

 

l  非線性校核計算。抗外物沖擊、儲罐結構失效與斷裂破壞分析，基礎極限承載力分析等；

 

l  結構優化設計。基于全參數化模型與力學計算實現結構參數敏感性分析與優化設計。

 

LNG全容儲罐結構示意和LNG全容儲罐全三維建模與仿真分析系統

 

4、專業系統-LNG接收站儲罐與管道系統預冷過程仿真系統

 

預冷是確保LNG接收站順利投產試運行的重點工作，通過預冷使常溫的LNG輸送管道和儲罐達到溫度較低工作狀態，防止管道和儲罐急劇收縮造成損壞。為了確保LNG 接收站的順利運行，避免發生意外，預冷試驗研究成本太大，通過數值模擬分析接收站預冷過程很有必要。

 

預冷模擬是高難度的的CFD多相流問題，為了克服預冷過程中溫降速率不確定的困難，安世中德克服了諸多技術難點，開發了LNG接收站儲罐與管道系統預冷分析系統。

 

該系統基于ANSYS Fluent軟件開發，可實現計算域快速建模、提供材料庫和載荷工況庫，并針對管道流場特點，對管道網格進行合理布局，系統在快速建模的基礎上，能夠計算長距離LNG輸運管道的預冷；計算LNG相變產生的BOG以及氣液兩相流輸運；計算大容量LNG儲罐的噴淋、LNG儲罐壁面溫降、兩相流分布；計算LNG輸運和存儲設備如槽車、再冷凝器、高壓泵等LNG相變，動態BOG生成。

 

該系統在實際工程中得到了成功應用，計算結果與實驗進行比對，吻合良好。

 

系統啟動界面和儲罐與管道系統預冷過程模擬

 

5、專業系統-加氫反應器蠕變疲勞分析系統

 

加氫反應器是煉油行業中加氫裝置的關鍵設備，操作條件十分苛刻。加氫反應器的高溫部件長期運行時，除了要承受蠕變引起的破壞之外，還要承受由于工況變化所引起的疲勞破壞，其壽命損耗是在蠕變-疲勞交互作用下的損傷累積過程。因此，在高溫強度研究中，了解蠕變-疲勞交互作用對高溫構件損傷的影響并評估這種耦合效應引起的破壞，對于壓力容器的高溫強度設計和安全評估來說有著重要的意義。

 

目前針對蠕變-疲勞耦合壽命的預測方法較多，其中Omega方法在評定蠕變壽命評估方面更具優越性。因此，加氫反應器蠕變疲勞分析系統是安世中德在全面理解ASME規范CASE 2605-1及利用ANSYS進行有限元仿真流程的基礎上，通過對ANSYS軟件的定制開發而實現的，系統以ASME規范code case 2605-1為基礎，在ANSYS環境中開發Omega材料蠕變模型，并針對加氫反應器的關鍵部位，進行模型的全參數化建模，然后按照規范的要求及步驟開展蠕變疲勞分析，最終形成加氫反應器蠕變疲勞分析計算系統。

加氫反應器蠕變疲勞分析系統界面

 

6、專業系統-脫硫吸收塔工藝仿真分析系統

 

脫硫吸收塔是對工業廢氣進行脫硫處理的設備，采用濕法煙氣脫硫環保技術的核心工藝都是在脫硫吸收塔內實現的。通過CFD流場計算的數值仿真技術，可以準確模擬脫硫過程中的換熱反應、相變反應和化學反應，成為脫硫吸收塔設計的重要手段。

 

安世中德針對脫硫吸收塔等環保設備，基于ANSYS Workbench平臺開發了專用脫硫吸收塔三維建模與仿真計算工具，實現了脫硫吸收塔的快速精確建模、高效計算與結果報告。

脫硫吸收塔仿真計算工具的優勢體現在：

 

l  三維參數化整體建模。包含塔外形、塔煙氣進出口、噴淋層結構、增效內構件結構等的基于部件的全三維交互式參數化建模；模板中的設計參數和計算參數的對應描述；

 

l  實用噴嘴布局工具?？梢暬瘒娮觳季?，針對多層噴嘴布置的圓形噴嘴布局和矩形噴嘴布局算法，詳細的噴嘴參數設置，自動生成Fluent腳本文件；

 

l  高度自動化的網格化分。極少的參數控制，生成高質量的六面體主導的模型網格；

 

l  友好的面向設計人員的計算設置。數值計算本身固化后置于后臺，工藝設計相關參數置于前臺；

 

l  定制化結果顯示。根據實際要求，可以給出塔內不同物理場合不同位置的結果圖顯示，并可以給出客戶關注的數據信息；

 

l  自動化生成仿真報告。后臺獲取模型、網格、計算設置、結果后處理等參數，根據客戶要求，自動生成指定格式的仿真報告。  

 

脫硫吸收塔工藝仿真系統工作場景

 

7、專業系統-壓力容器疲勞計算系統

 

壓力容器在石化、冶金、航空航天及通用機械工業中廣泛使用，在其設計、制造等各環節都有非常嚴格的行業標準和規范，如美國的ASME規范、我國的GB4732規范等。針對非常規的壓力容器一般采用“按分析設計”方法，需要對壓力容器進行全面的應力分析和疲勞分析，按照設計規范對不同區域采用不同的評估準則，從而使設計結果更加合理。 壓力容器疲勞分析系統是基于ASMEⅧ-2規范中的疲勞分析要求，在ANSYS上進行二次開發形成的專業應用系統，該系統將壓力容器應力和疲勞分析過程標準化，模板化，大大降低了壓力容器疲勞分析的難度和工作量。

 

 

8、專業系統-核電設備抗震計算與應力評定系統

 

核電廠設備在設計、建造、運營中對其抗震功能性和結構完整性提出了嚴格的要求，國內外相關規范對核電廠設備抗震的設計原則和方法都提出了明確的規定，如IEEE-344，GB 50267，以及設備抗震設計相關的原則性文件，APP-GW-G1-003，CAP-GX-G1-003。因此，對核電設備抗震能力進行計算與評定非常必要。

 

安世中德在ANSYS軟件的基礎上開發了核電設備抗震分析與應力評定的專用計算系統，將抗震分析經驗進行總結歸納，固化現有的核電廠設備抗震分析基本方法，實現了流程化的抗震分析步驟，結合規范和法規要求自動對計算結果進行初步評定，將有限元分析的結果匯總反饋到軟件界面上，以方便用戶查閱。

 

l  抗震等級：核電廠抗震I類、抗震II類以及一些非抗震類但有抗震要求的設備；

 

l  安全等級：核2級設備、核3級設備；

 

l  評定對象：聚焦殼型、線型、螺栓模型、焊縫；

l  計算范圍：即以外部導入的模型或用戶在ANSYS環境自行建立的模型為基礎進行系統的應用；

 

l  規范體系：ASME相關章節，AG相關章節，AISC相關章節。

 

核電設備抗震計算與應力評定系統環境

 

9、專業系統-蒸汽發生器分析法設計系統

 

核電廠蒸汽發生器屬核安全一級設備，根據設計要求，必須滿足ASME BPVC-III分析法設計要求。

 

安世中德在現有分析經驗和能力的基礎上開發了一套面向蒸汽發生器分析法設計的力學分析計算系統，該系統針對蒸汽發生器的關鍵分析對象，提供對應的快速建模、多工況計算以及數據處理與評定三大塊內容，向用戶提供向導式的可視化操作界面，指導用戶按照預設模板和流程進行蒸汽發生器各部件的力學分析，并在后臺進行求解返回結果，生成分析報告。

 

蒸汽發生器分析法設計系統界面

 

10、專業系統-水力壓裂模擬分析系統

 

水力壓裂是低滲油氣田、煤層氣、頁巖氣開發的核心增產技術，為了達到最佳的壓裂效果，需要對水力壓裂進行優化 ，使得改造體達到最佳經濟產量的要求。

 

水力壓裂模擬系統是是目前唯一可以對三維節理巖體水力壓裂過程進行仿真模擬并計算改造體，從而對水力壓裂措施和儲層產量進行優化與預測的軟件技術。運用三維非線性有限元流固耦合算法對水力壓裂過程的瞬態滲流以及復雜節理網絡與完整巖石的斷裂擴展進行模擬，并基于實測數據（ISIP，BHP，MSE）對不確定輸入地質參數進行反演優化，保證模擬精度，可用于頁巖氣開采、煤層氣、石油開采、地熱能開發等領域，進行水力壓裂措施優化、產量預測與優化等，為綠色能源開發服務。

 

頁巖氣儲層改造水力壓裂模擬

 

11、再冷凝器與管道系統建模與分析

 

實現再冷凝器與復雜管道系統從一維模型到三維模型的參數化自動建模，并考慮熱工、安裝、振動、運行等載荷進行整體分析與局部細節模擬，對其剛度、強度、疲勞壽命進行校核。

再冷凝器與管道系統整體計算與局部計算

 

12、儲液罐實程地震分析

 

采用流固耦合算法計算給定儲水箱在地震在和靜力載荷綜合作用下的應力響應，用于儲水箱抗震分析和應力評定。包括液晃、液固耦合地震響應、基于RCC-M規范的應力評定。

 

儲液罐地震分析（液晃與罐體響應）

 

13、新組件廠內運輸桶熱工分析

 

基于Fluent軟件，建立了運輸桶熱工計算的共軛傳熱模型，包括固體以及內部流體區域，考慮燃料棒發熱、內部自然對流、輻射以及外部對流換熱條件，對運輸桶工作狀態的溫度場進行了計算，為設計改進提供了依據。

 

廠內運輸筒CFD模型與溫度場

 

14、新組件廠內運輸桶跌落分析

 

建立了運輸桶及其內部組件的三維結構模型，包括桶體主體區域主要的承載結構件、仿輻射夾層材料、底部泡沫鋁緩沖材料、燃料棒以及套筒等，采用LS-Dyna軟件對運輸桶21m高度的跌落碰撞進行了分析，分析結果預測了跌落強度破壞區域，為設計改進提供了依據。

 

廠內運輸筒跌落