劉 瑞

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蒸汽蓄熱器蓄能、釋能特性研究

劉 瑞

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 南京 210031）

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)蒸汽蓄熱器蓄能、釋能過程進(jìn)行研究。通過分析蒸汽蓄熱器蓄能和釋能的熱力過程，建立蒸汽蓄熱器的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行模擬求解，得到了蓄能、釋能過程動(dòng)態(tài)特性曲線，明確了蒸汽蓄熱器的蓄能和釋能工況。本研究對(duì)蒸汽蓄熱器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要意義。

蒸汽蓄熱器；蓄能特性；釋能特性；數(shù)值模擬

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展的動(dòng)力，能源的大量消耗不僅造成了能源價(jià)格的上漲，還給大自然帶來了極大的破壞[1]。基于當(dāng)前的能源形勢(shì)，節(jié)能技術(shù)已經(jīng)被提到了前所未有的高度。蒸汽蓄熱器是實(shí)現(xiàn)蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)和用汽系統(tǒng)平穩(wěn)連接的橋梁，能夠達(dá)到供需雙方連續(xù)而穩(wěn)定的供、用汽平衡，從而保持系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷均衡，提高燃燒效率，節(jié)約能源。隨著我國能源政策的不斷調(diào)整以及節(jié)能工作的不斷深入，蒸汽蓄熱器將越來越被人們所重視，并且將在工業(yè)企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在蒸汽蓄熱器已廣泛用于工業(yè)鋼鐵生產(chǎn)、電力供應(yīng)以及企業(yè)生活用品生產(chǎn)，比如制糖、釀酒、化學(xué)和印染等行業(yè)，并取得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

蒸汽蓄熱器動(dòng)靜態(tài)特性直接影系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，已有部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2-6]采用數(shù)值模擬方法對(duì)蒸汽蓄熱器的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[7]建立了一小型蒸汽蓄熱器熱力試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)臥式蒸汽蓄熱器的充汽和放汽特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[8]運(yùn)用熱平衡模型以及歐拉算法對(duì)蒸汽蓄熱器放熱過程水空間的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[9]用非熱平衡數(shù)值模型來分析蒸汽蓄熱器的蓄能和釋能過程特性，研究了入口蒸汽焓值對(duì)水量和液面變化的影響。本文通過分析蒸汽蓄熱器蓄能和釋能的熱力學(xué)過程，在假設(shè)容器內(nèi)水和蒸汽熱平衡的基礎(chǔ)上建立了蒸汽蓄熱器的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB等數(shù)學(xué)計(jì)算軟件編寫程序模擬蓄能、釋能過程，并對(duì)不同控制模式下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。本文的結(jié)論對(duì)于蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

蒸汽蓄熱器的運(yùn)行包括蓄能和釋能兩個(gè)過程：蓄能過程是由汽源向容器內(nèi)充入飽和蒸汽或過熱蒸汽的過程；釋能過程是蓄熱器內(nèi)的飽和水降壓自蒸發(fā)，釋放的蒸汽供給用汽側(cè)的過程。根據(jù)蓄能、釋能過程的熱力學(xué)特點(diǎn)建立蒸汽蓄熱器的數(shù)學(xué)模型。

1.1 基本假設(shè)

蒸汽蓄熱器內(nèi)部分為水空間和汽空間，為了簡化分析，對(duì)蒸汽蓄熱器工作過程給出如下假設(shè)：

（1）任意時(shí)刻水空間和汽空間各自狀態(tài)參數(shù)均勻一致，均為汽空間壓力對(duì)應(yīng)的飽和液體和飽和蒸汽，并處于熱平衡狀態(tài)；

（2）忽略蒸汽通過容器壁的做功和向環(huán)境的散熱；

（3）放熱過程中釋放的蒸汽為飽和蒸汽；

（4）水的密度恒定，水蒸汽密度由理想氣體狀態(tài)方程=確定。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)蒸汽蓄熱器蓄能過程或釋能過程進(jìn)行計(jì)算分析，采用的模型如圖1所示。某一時(shí)刻，蓄熱器內(nèi)飽和水的質(zhì)量為M，比焓為h，飽和水蒸汽的質(zhì)量為M，比焓為h；用于充熱的高溫高壓蒸汽質(zhì)量流量為1，比焓為1，放熱過程出口的瞬時(shí)蒸汽質(zhì)量流量為2，比焓為2，蓄熱器內(nèi)水的瞬時(shí)蒸發(fā)速率為3，比焓為3。

圖1 蒸汽蓄熱器模型示意圖

根據(jù)上述模型建立以下守恒方程。

水空間和汽空間質(zhì)量守恒：

水空間和汽空間能量守恒：

蓄能和釋能過程均采用式（1）～（4）進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于在系統(tǒng)中采用與汽源并聯(lián)方式的蒸汽蓄熱器[10]，其蓄能過程數(shù)學(xué)模型中2=0，釋能過程數(shù)學(xué)模型中1=0。

2 數(shù)值求解

2.1 蒸汽蓄熱器蓄能過程特性

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型運(yùn)用MATLAB軟件編程對(duì)蒸汽蓄熱器的蓄能過程進(jìn)行模擬求解[11]。

從汽源出來的充熱蒸汽是溫度和壓力參數(shù)均已確定的飽和蒸汽或過熱蒸汽，其壓力高于蒸汽蓄熱器充熱結(jié)束時(shí)容器內(nèi)的壓力。取迭代計(jì)算的時(shí)間步長為Δ，已知蒸汽蓄熱器的容積為，充熱蒸汽壓力為0，溫度為0，比焓為0。認(rèn)為Δ時(shí)間內(nèi)充熱蒸汽質(zhì)量流量恒定為0，設(shè)充熱某一時(shí)刻水的體積為1，壓力和溫度分別為1、1，水和蒸汽的比焓分別為h1、h1，水和蒸汽的密度分別為ρ1、ρ1；經(jīng)Δ時(shí)間充熱后水的體積變?yōu)?，壓力和溫度分別為2、2，水和蒸汽的比焓分別為h2、h2，水和蒸汽的密度分別為ρ2、ρ2。

對(duì)蒸汽蓄熱器充熱Δ時(shí)間前后建立以下方程式。

質(zhì)量守恒：

能量守恒：

飽和水、飽和水蒸汽的焓值分別采用已有文獻(xiàn)中給出的飽和水、飽和水蒸氣焓值隨溫度變化的函數(shù)[12]：

式（5）和式（6）中飽和水和飽和充熱蒸汽的比焓，可用根據(jù)水和水蒸汽表中的數(shù)據(jù)擬合得到某一壓力范圍內(nèi)比焓關(guān)于飽和壓力的函數(shù)關(guān)系式（7）和式（8）計(jì)算，過熱充熱蒸汽的比焓則是關(guān)于壓力和溫度變化的因變量。式中水的密度為定值，水蒸汽的密度由理想氣體狀態(tài)方程確定。因此，相關(guān)熱力參數(shù)均可寫成壓力或溫度的函數(shù)。給定充熱初始時(shí)刻水體積占容器容積的比值和初始?jí)毫?，模擬計(jì)算得到不同條件下蓄能過程容器內(nèi)壓力的逐時(shí)變化曲線。

采用上述蓄能過程數(shù)學(xué)模型求解方法，分析不同充熱蒸汽參數(shù)對(duì)蒸汽蓄熱器充熱特性的影響，主要考慮充熱蒸汽壓力和蒸汽流量這兩個(gè)因素。

2.1.1 流量不變，改變充熱蒸汽壓力

模擬用壓力在1MPa～6MPa范圍內(nèi)的飽和蒸汽對(duì)蒸汽蓄熱器進(jìn)行充熱的過程。蓄熱器內(nèi)初始?jí)毫鶠?00kPa，充熱蒸汽流量均為3kg/s，保持充熱蒸汽流量恒定，采用不同飽和壓力的蒸汽充熱時(shí)蓄熱器內(nèi)逐時(shí)壓力變化如圖2所示。

充熱蒸汽進(jìn)入水空間冷凝放熱給液態(tài)飽和水，一部分冷凝熱用于提高水自身的參數(shù)，另一部分則用于水的汽化。充熱飽和蒸汽的壓力越高，冷凝為相同壓力的飽和水時(shí)所釋放的能量越多，加快了水的汽化和飽和水的蓄熱，因此容器內(nèi)壓力上升得越快。隨著充熱的進(jìn)行，能量以高壓飽和水的形式儲(chǔ)存在容器中，充熱結(jié)束時(shí)容器內(nèi)的壓力必須低于充熱蒸汽壓力。

圖2 恒定入口蒸汽流量充熱過程蓄熱器內(nèi)壓力變化

2.1.2 充熱蒸汽壓力不變，充熱流量變化

實(shí)際運(yùn)行過程中，汽源供應(yīng)用汽側(cè)后剩余的蒸汽進(jìn)入蒸汽蓄熱器進(jìn)行充熱，由于用汽側(cè)需求的變化，充入蓄熱器的蒸汽流量也會(huì)發(fā)生變化。圖3所示為模擬充熱蒸汽流量線性變化時(shí)蓄熱器的工作過程得到的結(jié)果，充熱蒸汽壓力恒定為1MPa的飽和蒸汽，充熱初始蒸汽流量為3kg/s。隨著流量的增加，容器內(nèi)壓力上升的速率加快，因而表現(xiàn)為曲線。

圖3 充熱蒸汽流量線性變化蓄能過程

在實(shí)際的蓄能過程中，汽源和用汽側(cè)的變化都會(huì)影響蓄熱器的入口蒸汽參數(shù)，充熱蒸汽流量和壓力可能同時(shí)發(fā)生變化，并且不可能線性變化那么簡單。因此，蓄熱器蓄能工作過程的壓力曲線通常也是無規(guī)則的。

2.2 蒸汽蓄熱器釋能過程特性

對(duì)蒸汽蓄熱器放熱Δ′時(shí)間前后建立以下方程式。

質(zhì)量守恒：

能量守恒：

式（9）～（10）中，水和蒸汽的溫度、密度參數(shù)均可通過與對(duì)應(yīng)狀態(tài)壓力的變化關(guān)系求得，飽和水和飽和蒸汽的比焓，可用根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算，過熱充熱蒸汽的比焓則是關(guān)于壓力和溫度變化的因變量。式中水的密度為定值，水蒸汽的密度由理想氣體狀態(tài)方程確定。因此，相關(guān)熱力參數(shù)均可寫成壓力或溫度的函數(shù)。給定放熱初始時(shí)刻水體積占容器容積的比值和初始?jí)毫?，可模擬計(jì)算得到不同條件下釋能過程蓄熱器內(nèi)壓力的逐時(shí)變化曲線。

蓄熱器的出口與蒸汽用戶相連，其放熱過程根據(jù)用戶需求進(jìn)行控制，常采用質(zhì)量流量控制和壓力控制兩種模式。采用上述釋能過程數(shù)學(xué)模型求解方法，分析不同控制模式對(duì)蒸汽蓄熱器釋能特性的影響，即出口流量控制模式和壓力控制模式。

2.2.1 出口流量控制模式

圖4 出口蒸汽流量線性變化釋能過程

2.2.1 壓力控制模式

壓力控制模式即控制蓄熱器出口蒸汽壓力變化，本文模擬在簡單的出口壓力線性變化情況下蒸汽蓄熱器的運(yùn)行情況，取一定的蓄熱器壓降速率，可得到水量和出口蒸汽流量的逐時(shí)變化曲線，釋放的總蒸汽量可由流量積分得到。采用壓力控制模式的放熱過程模擬結(jié)果如圖5所示。壓力隨時(shí)間的遞減速率均相同，而初始?jí)毫υ?.8MPa～1.3MPa范圍內(nèi)取不同值（如圖5（a）所示），得到圖5（b）所示的蒸汽蓄熱器出口蒸汽流量逐時(shí)變化情況。

（a）控制壓力線性變化

（b）蓄熱器出口蒸汽流量變化

圖5 出口壓力線性變化釋能過程

Fig.5 Linear variation of outlet steam pressure during the process of discharging

隨著容器內(nèi)壓力的降低，出口蒸汽流量會(huì)逐漸增大，且呈現(xiàn)遞增速率加快的趨勢(shì)。分析飽和水的比焓與對(duì)應(yīng)飽和壓力的關(guān)系可知，比焓隨壓力變化關(guān)系曲線的斜率隨壓力的減小而增大，因此隨著釋能過程的進(jìn)行，單位壓降所釋放的能量逐漸增大，能使更多的飽和水蒸發(fā)，由此可解釋出口蒸汽流量隨壓力降低而增大的現(xiàn)象[3]。給定的放熱初始?jí)毫υ礁?，同一時(shí)刻出口蒸汽流量越小，同樣可用飽和水的比焓與對(duì)應(yīng)飽和壓力的關(guān)系曲線特點(diǎn)解釋。因此，蒸汽蓄熱器的釋能量與放熱初始?jí)毫凸ぷ鲏翰钣嘘P(guān)，放熱初始?jí)毫υ礁?，相同工作壓差所釋放的蒸汽量越少?/p>

3 結(jié)論

本文通過分析蒸汽蓄熱器蓄能和釋能的熱力學(xué)過程，在假設(shè)容器內(nèi)水和蒸汽熱平衡的基礎(chǔ)上建立了蒸汽蓄熱器的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型分別對(duì)蓄能、釋能過程進(jìn)行模擬求解，得到蓄能、釋能動(dòng)態(tài)特性。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析可得出如下結(jié)論：

（1）蒸汽蓄熱器的蓄能過程容器內(nèi)壓力逐時(shí)增大；

（2）蒸汽蓄熱器的蓄熱速率與充熱蒸汽流量和充熱蒸汽壓力有關(guān)，充熱蒸汽流量越大、壓力越高，容器的蓄熱速率就越大，達(dá)到相同充熱壓力所需的時(shí)間就越少；

（3）蒸汽蓄熱器的釋能過程所釋放的蒸汽壓力和溫度等參數(shù)雖然逐時(shí)減小，但出口蒸汽流量逐時(shí)增大；

（4）蒸汽蓄熱器的釋能量與放熱初始?jí)毫凸ぷ鲏翰钣嘘P(guān)，放熱初始?jí)毫υ礁?，相同工作壓差所釋放的蒸汽量越少?/p>

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Dynamic Characteristics of the Steam Accumulator Charging and Discharging

Liu Rui

( CRRC Nanjing Puzhen Co., Ltd, Nanjing, 210031 )

The thermodynamic processes of steam accumulator was analyzed in this paper, and the mathematical model of steam accumulator was established based on the mass and energy balance equations for each phase. By using MALTAB to simulate the process of charging and discharging, and the dynamic characteristics of the steam accumulator charging and discharging were obtained. This research has an important significance in the design and application of the steam accumulator.

Steam accumulator; Charging characteristics; Discharging characteristics; Numerical simulation

1671-6612（2017）05-537-05

TK223.3

A

2016-12-19

作者（通訊作者）簡介：劉 瑞（1977-），女，本科，高級(jí)工程師，E-mail：19057407@qq.com