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        斜溫層儲(chǔ)熱調(diào)峰系統(tǒng)的數(shù)值模擬

        2017-05-30 10:48:04崔艷艷
        科技尚品 2017年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬

        崔艷艷

        摘 要:如今斜溫層技術(shù)在光熱、儲(chǔ)熱方面得到廣泛應(yīng)用,本文針對(duì)儲(chǔ)熱調(diào)峰斜溫層技術(shù)進(jìn)行論述,對(duì)單罐斜溫層進(jìn)行數(shù)值模擬,得到斜溫層內(nèi)的溫度分布規(guī)律,并選擇合理的布水結(jié)構(gòu),將斜溫層技術(shù)與布水器結(jié)合,模擬分析儲(chǔ)熱調(diào)峰儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度的分布規(guī)律,為提高供熱機(jī)組的靈活調(diào)峰能力帶來了新的方向。

        關(guān)鍵詞:斜溫層;儲(chǔ)熱調(diào)峰;數(shù)值模擬

        0 引言

        斜溫層的基本原理就是以溫度梯度層隔開冷熱介質(zhì)。斜溫層單罐系統(tǒng)是一個(gè)罐同時(shí)儲(chǔ)存高低溫介質(zhì),比起傳統(tǒng)冷熱分存的雙罐系統(tǒng),投資大大降低。目前斜溫層儲(chǔ)熱技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于光熱發(fā)電儲(chǔ)熱、燃煤供熱調(diào)峰、供冷電廠儲(chǔ)冷等系統(tǒng)中。

        1 斜溫層的應(yīng)用領(lǐng)域

        1.1 光熱斜溫層儲(chǔ)熱系統(tǒng)

        光熱發(fā)電儲(chǔ)熱系統(tǒng)通常采用冷熱罐雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng),但是隨著斜溫層儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展,斜溫層儲(chǔ)熱逐漸受到光熱系統(tǒng)用戶的關(guān)注。斜溫層光熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱不僅降低了系統(tǒng)控制復(fù)雜度,減少罐體占地造價(jià),同時(shí)降低了儲(chǔ)熱介質(zhì)耗量,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

        1.2 斜溫層蓄冷系統(tǒng)

        水蓄冷是利用電網(wǎng)的峰谷電價(jià)差,夜間采用冷水機(jī)組蓄冷,白天放冷而主機(jī)避峰運(yùn)行的節(jié)能空調(diào)方式。水蓄冷空調(diào)是利用電網(wǎng)的峰谷電價(jià)差,具有投資小,運(yùn)行可靠,制冷效果好,經(jīng)濟(jì)效益明顯的特點(diǎn),每年能為用戶節(jié)省可觀的中央空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)用。可以平衡電網(wǎng)負(fù)荷,減少電廠投資,凈化環(huán)境,符合國家產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展方向。

        1.3 燃煤供熱電廠斜溫層儲(chǔ)熱調(diào)峰系統(tǒng)

        我國隨著新能源電力所占比例不斷加大,對(duì)燃煤機(jī)組的運(yùn)行靈活性和深度調(diào)峰能力提出了越來越高的要求,通過增加儲(chǔ)熱調(diào)峰系統(tǒng),擴(kuò)大熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行負(fù)荷變化范圍,使機(jī)組在用電負(fù)荷高供暖負(fù)荷低的白天進(jìn)行熱水儲(chǔ)能,夜間用電負(fù)荷低供熱負(fù)荷高時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行供熱調(diào)峰,可以在保證供熱能力滿足要求的基礎(chǔ)上提高機(jī)組運(yùn)行的靈活度,使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與調(diào)峰成為可能。

        為適應(yīng)電價(jià)的波動(dòng),靈活調(diào)整熱電配比,增加電站收益。在電價(jià)低谷時(shí)少發(fā)電多儲(chǔ)熱,利用蓄熱系統(tǒng)將電廠廉價(jià)的熱能蓄存于水罐內(nèi),在電價(jià)高位時(shí),多發(fā)電,蓄熱罐與熱電廠聯(lián)合供熱。既滿足了電網(wǎng)低谷限電的要求,又能充分發(fā)揮機(jī)組效率,為電廠實(shí)現(xiàn)最大收益。

        2 斜溫層儲(chǔ)熱調(diào)峰系統(tǒng)簡介

        儲(chǔ)熱調(diào)峰系統(tǒng)由罐體、布水盤、蓄熱泵、放熱泵等設(shè)備組成。單罐系統(tǒng)冷熱介質(zhì)存在一個(gè)單罐中,斜溫層罐利用密度與溫度冷熱之間的關(guān)系,當(dāng)高溫介質(zhì)在罐的頂部被高溫泵抽出,經(jīng)過換熱器冷卻后,由罐的底部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí),或者當(dāng)?shù)蜏亟橘|(zhì)在罐的底部被低溫泵抽出,經(jīng)過換熱器加熱后,由罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí),在罐的中間會(huì)存在一個(gè)溫度梯度很大的自然分層,即斜溫層。

        2.1 斜溫層的數(shù)值模擬

        斜溫層移動(dòng):令斜溫層以上介質(zhì)質(zhì)量為M,斜溫層之下介質(zhì)質(zhì)量為m。蓄熱時(shí),冷介質(zhì)抽出加熱后回到熱介質(zhì)側(cè),冷介質(zhì)側(cè)為基準(zhǔn),設(shè)某時(shí)刻,流出冷介質(zhì)質(zhì)量為m1,斜溫層之下冷介質(zhì)原來蘊(yùn)含能量為Q1=mh,流出之后能量變?yōu)镼2=m2h,顯然Q1>Q2,為了保證冷介質(zhì)的溫度恒定,則斜溫層向下移動(dòng),直至斜溫層到達(dá)底部,蓄熱結(jié)束。放熱過程則相反。

        影響斜溫層的因素:斜溫層的厚度主要跟介質(zhì)類型,介質(zhì)進(jìn)口流速,工作溫差,儲(chǔ)罐長徑比有關(guān)。對(duì)斜溫層厚度,理論計(jì)算很復(fù)雜,采用模擬手段直觀方便。

        取三維立體建模分析,進(jìn)出口流體速度均勻一致,流動(dòng)為非穩(wěn)定流動(dòng),罐內(nèi)無周向流動(dòng)和傳熱。計(jì)算結(jié)果顯示隨著時(shí)間的推移,斜溫層厚度逐漸累積,隨著蓄熱過程的發(fā)展,斜溫層逐漸下移。下圖1是不同時(shí)刻斜溫層位置及累積狀態(tài)。

        中可以看出隨著時(shí)間的累積,斜溫層的厚度越來越厚。也就是說越靠近出口的位置,斜溫層的形成就越難,因此出口的設(shè)計(jì)要合理,否則出口流速不均勻會(huì)導(dǎo)致出口擾動(dòng),帶來對(duì)斜溫層的影響。在出口處要預(yù)留一定的出口距離。距離出口一定位置,斜溫層層流遭到破壞,出口溫度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

        2.2 儲(chǔ)罐斜溫層儲(chǔ)熱調(diào)峰數(shù)值模擬

        斜溫層效率要靠合理的布水器結(jié)構(gòu)來保證。目前布水器結(jié)構(gòu)包括徑向布水裝置,直管布水裝置以及布水裝置等。合理選用布水結(jié)構(gòu),減小進(jìn)出口水流擾動(dòng),最大限度降低進(jìn)出水對(duì)斜溫層的影響,保持斜溫層的平流特性。

        儲(chǔ)罐斜溫層儲(chǔ)熱計(jì)算模型如圖2所示。罐內(nèi)充滿溫度為323k的低溫流體,在初始時(shí)刻t=0s開始,溫度為393k的均勻高溫流體從上部布水器的母管進(jìn)入,經(jīng)總管、連接管、噴嘴噴入罐體內(nèi),推動(dòng)罐內(nèi)低溫熔鹽流體在下部布水器的母管流出。應(yīng)用CFX流體計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,從三維模擬結(jié)果中可以看出,高溫水緩慢進(jìn)入罐體,逐步推動(dòng)低溫水流出罐體,保證了罐內(nèi)的層流狀態(tài),保持了溫度梯度層的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

        3 結(jié)論

        文中通過數(shù)值模擬,得到了斜溫層溫度分布規(guī)律,選擇合理的布水汽后得到系統(tǒng)熱量隨著時(shí)間的變化情況。斜溫層儲(chǔ)熱技術(shù)的模擬結(jié)果,為提高供熱機(jī)組的靈活調(diào)峰能力帶來了新的方向。

        參考文獻(xiàn)

        [1]左遠(yuǎn)志,楊曉西,丁靜,等.操作參數(shù)對(duì)熔融鹽高溫斜溫層蓄熱性能的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2012,33(5):868-872.

        (作者單位:哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司)

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