房彥山，蘇亮，蘇釗

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

太陽能熱發(fā)電具有發(fā)電穩(wěn)定性優(yōu)于光伏發(fā)電和風力發(fā)電的特點，可以實現規(guī)?；l(fā)電，保證電網穩(wěn)定運行[1-3]，光熱發(fā)電產業(yè)化具有非常長遠的戰(zhàn)略意義[4-5]。

目前大部分光熱電站使用熔鹽儲熱系統(tǒng)[6]。高溫熔鹽儲熱罐的熱流失一部分通過罐側和罐頂的保溫層散發(fā)到大氣環(huán)境中,另一部分通過罐底土壤散發(fā)到大氣環(huán)境中。在運行過程中由于熔鹽儲熱罐內部溫度非常高，同時體量巨大，導致罐底土壤很深范圍內都處于較高的溫度。作為熔鹽儲熱罐的持力層，過高的溫度會使其產生明顯的熱效應，主要表現為巖土熱應力、熱軟化效應，水分汽化造成的物性改變以及其他化學變化[7]，使得基底持力層的承載力和穩(wěn)定性受到很大影響，同時土壤中水分蒸發(fā)也會加劇罐體基礎及罐底金屬的腐蝕。因此，有必要采取一定的措施降低基底土壤的溫度。

目前有效的措施包含在罐底設置熱隔絕層和主動通風隔熱系統(tǒng)2種措施。設置熱隔絕層的材料需要比較低的導熱系數、很高的承載力，但在熔鹽儲熱罐長期運行工況下隔熱效果不佳，而主動通風系統(tǒng)在罐底土壤中埋設通風管道，讓管道中氣體將熱量帶走，使土壤在一定深度內形成1個溫度較低的恒溫層[8]來防止下部土壤溫度過高。

本文對某光熱電站的高溫熔鹽儲熱罐的地下通風系統(tǒng)利用ANSYS軟件進行建模，對通風系統(tǒng)和土壤進行流固耦合傳熱分析，研究其散熱效能及溫度場分布特性，并計算出使罐底1.45 m處土壤溫度降低到90 ℃以下的通風系統(tǒng)的工作參數[6]，為實際工程中風機功率的選擇提供參考。

1 計算模型

1.1 物理模型

熔鹽儲熱罐基礎應具有一定的承載能力和隔熱性能，因此由多層構成?；A由上至下依次為砂墊層、耐熱層、保溫層、冷卻鋼管層及、鋼筋混凝土層等，如圖1所示[9]。也有將圖1中砂墊層、耐熱層和保溫層統(tǒng)一使用陶粒土材料[10]。本文主要研究冷卻鋼管層(即地下通風管道)的散熱效能及其對溫度場的影響，因此將其它層簡化為土壤。

圖1 熔鹽儲熱罐基礎剖面

本文算例中高溫熔鹽儲熱罐的直徑42 m，罐高13.5 m，熔鹽液位1～12.5 m，正常運行時罐底最高溫度為565 ℃。通風系統(tǒng)物理模型如圖2a所示，通風管道平行布置于罐底1.3 m位置的土壤中。管內空氣以強制對流方式帶走土壤中的熱量，使通風管道以下的土壤溫度明顯降低。通風系統(tǒng)的送風口布置在地面以上，通過布置在儲熱罐兩側的總管向地下的通風支管進行分流。為達到比較均勻的散熱效果，相鄰支管的空氣流動方向相反。下支管道間距0.77 m，直徑0.1 m。

對埋地通風管道在土壤中進行的傳熱實現數值求解時，需將半無限大的土壤介質簡化為有限的求解區(qū)域，因此，需引入熱力影響范圍的概念，即認為在熱源附近的區(qū)域內，土壤溫度場受到熱源熱力變化的影響，而在此區(qū)域外，這種影響可以忽略，因此可把半無限空間簡化為矩形或環(huán)形的有限區(qū)域[11]。本文熔鹽罐直徑42 m，因此可將圓柱土體直徑取90 m。圖2b中系統(tǒng)坐標系原點位于熔鹽儲熱罐底部中心，X軸垂直于地下通風管道方向，Y軸平行于地下通風管道方向，Z軸豎直向上。

(a)地下通風管道模型

1.2 計算單元

為了便于分析，做以下假設：

(1)流體介質的熱物理模型性質為常數。

(2)土壤物性均勻一致。

(3)土壤的傳熱為純導熱，不考慮水分的熱濕遷移。

(4)管道壁為鋼材，較薄可忽略。

土壤采用SOLID70單元，該單元有8個節(jié)點，且每個節(jié)點上只有1個溫度自由度，具有3個方向的傳熱能力，能實現勻速熱流的傳遞，可用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析[12]。

管內流體采用FLUID116單元，該單元可以在2個節(jié)點間進行熱傳導和流體傳輸的三維單元。其熱流量取決于流體的傳導和質量流速。該單元可通過參數定義來實現管道的壓力局部損失和沿程損失[12]。

土壤為固體傳熱，傳熱以導熱方式進行；管內流體傳熱方式以對流方式為主；管道流體單元和土壤單元在界面上的對流耦合換熱，采用SURF152單元配合APDL命令流來實現，并定義與流體的流速有關的膜層換熱系數[12]。

1.3 邊界條件

管道模型中位于兩側總管中部的送風口為壓力入口，溫度為大氣溫度40.5 ℃(采用最高日平均氣溫)。

從周期性大地自然溫度隨時間和深度的變化關系可知[13]，距離地表較淺處的土壤溫度隨季節(jié)變化的趨勢比較明顯，工程所在地年平均氣溫15 ℃，一年內日平均最高溫度40.5 ℃。如圖3所示，當深度超過12 m時，保持在15 ℃左右。考慮到熔鹽罐底溫度較高，取圓柱土體高度為50 m。

圖3 土壤溫度隨深度變化

地面為對流傳熱邊界，綜合考慮地面的實際情況，對流換熱系數為16.5 W/(m2·℃)。

土壤圓柱體側面為絕熱邊界。

2 模擬分析

2.1 無通風系統(tǒng)時的土壤溫度數值模擬

如圖4所示為熔鹽罐底部溫度為565 ℃時，達到穩(wěn)態(tài)傳熱時溫度場分布。從圖中可以看出，溫度場由熔鹽罐底部向下逐漸遞減，溫度等值線呈橢圓形，這是因為土壤的上部存在對流換熱，部分熱量通過地面散失到空氣中，導致土壤較高的溫度部位向下移動。

圖4 溫度場分布

在系統(tǒng)坐標系中，當y=0時，沿X軸取3個點(x=0 m、x=10 m和x=20 m)，分別做出這3個點隨土壤深度的溫度變化曲線(曲線a、曲線b、曲線c)，如圖5所示。

圖5 土壤溫度隨深度變化曲線

從圖5可以看出，熔鹽罐底部土壤的溫度隨深度變化逐漸升高，同一深度處，中間溫度高，往兩邊溫度低。10 m深度處，曲線a溫度為335 ℃，曲線c溫度為205.5 ℃。

在系統(tǒng)坐標系中，當z=-1.45 m(即熔鹽罐底1.45 m處)時，沿Y軸取3個點(y=0 m、y=10 m和y=20 m)，分別做出這3個點沿X軸(水平方向)的溫度變化曲線(曲線a、曲線b、曲線c)，如圖6。圖6中以曲線a為例，由罐底中心至11 m的范圍內溫度下降較為平緩，距中心11 m至21 m的范圍內溫度下降較快。最高溫度為529.6 ℃，最低溫度為303.5 ℃。由此可見，罐底一定范圍內土壤的溫度很高，遠遠超過水的汽化溫度，巖土熱效應不容忽視。

圖6 土壤溫度沿水平方向變化曲線

2.2 有通風系統(tǒng)時的土壤溫度數值模擬

2.2.1 計算方法

在其他邊界條件已知的情況下，計算管內空氣的對流換熱系數是關鍵點。低粘度流體空氣在圓形管道內作強制對流，空氣沿管道被加熱，其與壁面的對流換熱系數可通過式(1)至或(3)得到：

Nu=0.023Re0.8Prn

(1)

(2)

(3)

式中：Nu—努塞爾特數；

Re—雷諾數；

Pr—普朗特數；

a—對流換熱系數；

n—常數0.4；

Cp—空氣比熱容；

μ—空氣粘度；

λ—空氣導熱系數；

d—管道直徑。

本文先通過數模計算得到管道內流體單元的平均流速，從而得到流體與管道的對流換熱系數。以上計算過程通過APDL命令流施加于換熱計算，由ANSYS自動完成單元膜層換熱系數的計算。

2.2.2 數值模擬結果及分析

圖7為總送風風量8.4 kg/s，土壤達到穩(wěn)態(tài)傳熱時的溫度場分布。從圖中可以看出，溫度場由熔鹽罐底部向下逐漸遞減，熔鹽罐底面和地下管道之間的土層溫度梯度較大，溫度等值線呈水平直線。地下通風管道以下的土壤溫度等值線呈橢圓形，在同一深度內，中間溫度高，兩側溫度低。

圖7 溫度場分布

從圖8中可以看出，管道內的空氣逐漸被加熱，其中中間管道的空氣由40.5 ℃逐漸被加熱到87.6 ℃，溫差達47.1 ℃。最外側管道由40.5 ℃被加熱到46.2 ℃，溫差為5.7 ℃。

圖8 管道內流體溫度

從圖9可以看出，緊靠埋管的土壤溫度沿管徑方向逐漸升高，相鄰管道間的溫度等值線呈明顯的波浪形，說明在此工況下相鄰埋管在換熱時，其間距在其對周圍土壤的有效影響半徑范圍內。

圖9 管道周圍溫度等值線

在系統(tǒng)坐標系中，當z=-1.45 m時，沿X軸取2個點(x=0.385 m、x=10.395 m)，分別做出這2個點沿Y軸的溫度變化曲線(曲線a、曲線b)，如圖10。圖10中，曲線a的溫度在49.4 ℃和85.8 ℃之間，曲線b的溫度在46.2 ℃和81.7 ℃之間。

圖10 沿管道方向的溫度曲線

在系統(tǒng)坐標系中，當z=-1.45 m時，沿Y軸取3個點(y=0 m、y=10 m和y=20 m)，分別做出這3個點沿X軸的溫度變化曲線(曲線a、曲線b、曲線c)，如圖11。圖11中，曲線a的溫度在48.4 ℃和81.5 ℃之間，曲線b的溫度在56.6 ℃和81.6 ℃之間，曲線c的處溫度在47.9 ℃和85.1 ℃之間。相鄰管道底部溫度相差較大，溫差達37.2 ℃。這是因為相鄰管道流向相反，在端部1個管道的冷空氣剛流入，相鄰管道內已經被加熱到比較高的溫度的空氣要流出，2根管道內空氣溫差較大。因此，此處的溫度降也不同。由圖中的3根曲線可知，管道底部0.1 m處土壤的溫度都控制在90 ℃以內。

圖11 垂直管道方向的溫度曲線

如圖12，在系統(tǒng)坐標系中，當y=0時，沿X軸取3個點(x=0、x=10 m和x=20 m)，分別做出這3個點隨土壤深度的溫度變化曲線(曲線a、曲線b、曲線c)；當x=0時，沿Y軸取2個點(y=10 m和y=20 m)，分別做出這2個點隨土壤深度的溫度變化曲線(曲線d、曲線e)。由圖12可知，在深度為0到1.3 m范圍內土壤溫度迅速降低，并在1.3 m處形成拐點，1.3 m以下溫度緩慢下降。由此可見降溫效果非常明顯。

圖12 溫度隨土壤深度變化曲線

3 結 論

本文以某光熱電站中的高溫熔鹽儲熱罐為例，通過ANSYS數模軟件分別對無通風系統(tǒng)和有通風系統(tǒng)時的土壤溫度進行數值模擬研究，對比分析了2種工況下土壤的溫度分布規(guī)律，得出以下結論：

(1)在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，溫度場由熔鹽罐底部向下逐漸遞減，溫度等值線呈橢圓形。埋設地下通風管道時，土壤的溫度梯度主要集中在罐底和管道之間，且溫度等值線呈直線分布。

(2)通過設置罐底的通風系統(tǒng)，可以明顯降低通風系統(tǒng)以下的土壤溫度在90 ℃以下，從而有效地保護基底持力層的穩(wěn)定性。

(3)實際工程中應配合設置一些輔助的溫度監(jiān)控點，可以及時進行監(jiān)控，通過對進風量的調整，靈活地控制通風隔熱效果。

(4)由于主管道空氣入口和各支管道出口在同一側，因此為保證流入空氣的溫度，在工程中建議將支管的出口設置高一些，使排出去的高溫空氣能夠及時排走。