賀志寶，江 力，周 衛(wèi)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

在碳中和背景下，構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的方向，而儲(chǔ)能技術(shù)是重要的支撐技術(shù)。太陽(yáng)能光熱發(fā)電與光伏發(fā)電相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于可增加儲(chǔ)熱系統(tǒng)，使系統(tǒng)在資源波動(dòng)較大的時(shí)候，仍能保證電能的持續(xù)穩(wěn)定輸出，利于太陽(yáng)能發(fā)電的大規(guī)模利用。在火電調(diào)峰改造項(xiàng)目中，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)也是扮演著重要角色，使得機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻的解決方案更加靈活多樣[1]。同時(shí)，隨著新能源發(fā)展，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的應(yīng)用模式越來(lái)越多[2]。

熔鹽儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，儲(chǔ)罐設(shè)備本體不僅決定了系統(tǒng)的蓄熱能力，而且對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行也有重要影響。早在2012年Carlos等人就建立了儲(chǔ)罐的熱力學(xué)模型，通過(guò)熱力學(xué)模型計(jì)算來(lái)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。2018年，Iranzo等人[3]對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的分配環(huán)混合特性進(jìn)行了研究，提出了采用噴嘴的分配環(huán)能夠具備更好的混合特性，并研究了噴嘴的尺寸和噴射角度。2020年，崔凱平等[4]通過(guò)數(shù)值模擬證明了利用再循環(huán)管道和分配環(huán)進(jìn)行擾動(dòng)可以有效改善熔鹽儲(chǔ)罐熱分層現(xiàn)象，分析了采用再循環(huán)管道和分配環(huán)進(jìn)行擾動(dòng)產(chǎn)生的熱分層破壞現(xiàn)象，用以減少罐體長(zhǎng)時(shí)間停用導(dǎo)致的溫差過(guò)大問(wèn)題。避免因溫差應(yīng)力導(dǎo)致的設(shè)備故障隱患，以新月沙丘項(xiàng)目為例，儲(chǔ)罐泄漏后造成了系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的停機(jī)維修處理，每個(gè)月的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)400萬(wàn)美元左右。而國(guó)際上有研究人員分析認(rèn)為該次泄漏有可能是因?yàn)榫植繎?yīng)力集中導(dǎo)致[5]。因此，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)過(guò)程，不僅需要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、施工安全、運(yùn)行工況的影響，還需要在細(xì)節(jié)上關(guān)注運(yùn)行過(guò)程中，罐體內(nèi)部的介質(zhì)狀態(tài)[6]。

儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度場(chǎng)平衡對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義，對(duì)熔鹽儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及散熱損失也具有一定的影響[7-8]。本文以某實(shí)際熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目的熔鹽儲(chǔ)罐內(nèi)布液環(huán)為研究對(duì)象，采用分層液位計(jì)算方案，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，對(duì)儲(chǔ)罐的布液系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究罐體布液環(huán)結(jié)構(gòu)在不同液位條件下，罐內(nèi)熔鹽的混合情況和出口液體噴射高度，以期為后續(xù)工程上熔鹽儲(chǔ)罐布液裝置的設(shè)計(jì)與選擇提供參考。

1 模型及方法

1.1 熔鹽儲(chǔ)罐及布液環(huán)結(jié)構(gòu)

某實(shí)際熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目的熔鹽儲(chǔ)罐直徑為10 m，高度為10.516 m，如圖1所示。布液環(huán)環(huán)管中心安裝高度為距離儲(chǔ)罐底部0.21 m處，布液環(huán)出口支管分布在環(huán)管上，支管開(kāi)口均向上并與儲(chǔ)罐軸向偏離一定角度。

圖1 熔鹽儲(chǔ)罐整體布置

布液環(huán)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。布液環(huán)入口管及環(huán)管內(nèi)徑為203.1 mm。出口支管內(nèi)徑均為61.9 mm，共6個(gè)，分布如圖，依次為CK1～6。出口支管結(jié)構(gòu)如圖 2～3，支管出口CK1～6向內(nèi)偏角為45°。

圖2 布液環(huán)結(jié)構(gòu)

1.2 介質(zhì)參數(shù)

介質(zhì)參數(shù)選用高溫使用參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 介質(zhì)參數(shù)

2 布液環(huán)流場(chǎng)計(jì)算

為了分析熔鹽從布液環(huán)進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，以及布液環(huán)進(jìn)口支管處流體的噴射狀態(tài)，建立包含布液環(huán)、儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行流場(chǎng)分析。

2.1 模型與CFD網(wǎng)格劃分

2.1.1模型建立

基于不同液面高度0.55、2、8 m，分別建立3套模型。如圖3為2 m液位時(shí)結(jié)構(gòu)圖，虛線框外徑為罐體結(jié)構(gòu)外廓，兩層虛線框間距為罐體內(nèi)液面高度，實(shí)體部分為布液環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖3 布液環(huán)流域結(jié)構(gòu)

2.1.2網(wǎng)格無(wú)關(guān)性劃分

基于ANSYS Meshing 網(wǎng)格劃分模塊，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，布液環(huán)及罐體設(shè)置邊界層為5 層，對(duì)布液環(huán)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分網(wǎng)格，布液環(huán)及罐體與布液環(huán)接觸面網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm?；? m液位進(jìn)行罐體網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，分別采用不同規(guī)格尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 儲(chǔ)罐整體網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

采用算例3設(shè)置網(wǎng)格，對(duì)布液環(huán)及儲(chǔ)罐與布液環(huán)壁面交接處進(jìn)行網(wǎng)格加密，0.55 m液位時(shí)得到總體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 684 061個(gè)，單元數(shù)為7 129 062個(gè)；2 m液位時(shí)得到總體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 960 543個(gè)，單元數(shù)為8 801 150個(gè)；8m液位時(shí)得到總體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 029 831個(gè)，單元數(shù)為9 146 379個(gè)。

2.1.3網(wǎng)格劃分

基于ANSYS Meshing 網(wǎng)格劃分模塊，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，設(shè)置邊界層為5 層，對(duì)布液環(huán)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分網(wǎng)格，如圖4 所示。在環(huán)局部進(jìn)行了網(wǎng)格加密，分別在0.55 m液位、2 m液位、8 m液位進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖4 布液環(huán)流域網(wǎng)格示意

2.2 算法與邊界條件

根據(jù)上述初步估算結(jié)果，基于ANSYS Workbench 流場(chǎng)分析模塊CFX，對(duì)布液環(huán)內(nèi)熔鹽流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)K-e模型進(jìn)行模擬計(jì)算，選用穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

表3 布液環(huán)與儲(chǔ)罐整體流場(chǎng)邊界條件設(shè)置

2.3 CDF模擬計(jì)算

為了研究罐體熔鹽充裝到不同高度時(shí)熔鹽在罐體內(nèi)的流動(dòng)情況，選取冷熔鹽充裝到液面高度為0.55、2 m 和8 m 時(shí)的3種情況，分別從布液環(huán)各支管噴嘴流動(dòng)均勻性、布液環(huán)出口支管對(duì)于罐體熔鹽攪動(dòng)以及布液環(huán)出口支管熔鹽噴射高度評(píng)估3個(gè)方面進(jìn)行。在上述模型的基礎(chǔ)上，取入口位置為0位置，出口與入口的距離差為9 577 mm，基于質(zhì)量流量平均法(即單位質(zhì)量流上，壓力、流速、能力的平均值)分析布液環(huán)各出口支管的均勻性。冷熱鹽布液環(huán)各出口支管及進(jìn)口位置，流量、流速、靜壓等分布如表4所示。

表4 布液環(huán)(冷鹽)各出口支管流動(dòng)參數(shù)

由表4可知，由于熔鹽在布液環(huán)管及出口支管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)均處于完全湍流狀態(tài)，且二者結(jié)構(gòu)相同，CK1～6流動(dòng)均勻性的分布規(guī)律一致，但由于熔鹽屬性以及進(jìn)口流速不同，二者有微小差別?？傮w冷熱鹽布液環(huán)管出口支管CK2～6流量偏差在3%以內(nèi)，CK1由于靠近入口，流量偏差較大在9%以內(nèi)。

圖5 分別為0.55、2、8 m液位罐體不同液位時(shí)罐體內(nèi)熔鹽流動(dòng)狀態(tài)。圖6為不同液位罐體內(nèi)中間剖面熔鹽流動(dòng)狀態(tài)：

圖5 不同充裝液位罐體內(nèi)熔鹽流動(dòng)狀態(tài)

圖6 不同充裝液位罐體內(nèi)熔鹽流動(dòng)狀態(tài)(罐體中間剖面)

由圖5～6并結(jié)合相關(guān)射流特性可以看出，當(dāng)熔鹽入口流速為最大2.4 m/s時(shí)，不論多高液位在布液環(huán)支管出口，均會(huì)產(chǎn)生一定的高速流動(dòng)，局部最高速度與罐體液位無(wú)關(guān)，與入口壓力以及流速有關(guān)，均在6 m/s左右。

布液環(huán)支管出口位置處由于入口壓力以及重力的作用，產(chǎn)生較高的流速，當(dāng)熔鹽從布液環(huán)出口進(jìn)入罐體后，在罐內(nèi)流體阻力以及各股流體的擾動(dòng)作用下，流速逐漸降低；當(dāng)液位低于在0～2 m時(shí)，從布液環(huán)出來(lái)的熔鹽，流動(dòng)角度近似與布液環(huán)實(shí)際安裝角度相同，并成擴(kuò)散狀態(tài)；由圖(a)可知，當(dāng)液位大于2.2 m時(shí)，布液環(huán)出來(lái)的熔鹽水平速度降低為0，由于熔鹽物性差別，如果布液環(huán)內(nèi)的熔鹽溫度略高于罐體內(nèi)熔鹽，二者存在一定的密度差，熔鹽在在慣性、浮力、阻力的綜合作用下，速度進(jìn)一步變化，匯流在一起進(jìn)一步向液面上層流動(dòng)。

由圖可知，在布液環(huán)進(jìn)口中間軸面上，由布液環(huán)支管產(chǎn)生兩股流體，在同一平面內(nèi)兩股流體相互沖擊，帶動(dòng)罐體內(nèi)熔鹽產(chǎn)生旋渦，在不同液位時(shí)罐體內(nèi)均可以產(chǎn)生不同形狀的渦流，進(jìn)而通過(guò)射流攪拌作用，使得罐體內(nèi)熔鹽溫度趨于一致。

圖7分別為0.55、2、8 m液位罐體不同液位時(shí)罐體液位頂部液體流動(dòng)速度云圖。

圖7 不同液位罐體頂部液位表面速度分布

由圖7可知，隨著液位的增加，罐體內(nèi)熔鹽與保護(hù)氣接觸面上的最大流速逐漸降低；隨著液位的增加，液面水平X、Z方向上，速度逐漸接近于0，熔鹽在液面水平方向上，逐漸靜止，對(duì)于罐壁的沖擊碰撞逐漸降低；在低液位時(shí)，由于液面水平X、Z方向上熔鹽還有一定的流速，會(huì)使得液面向波浪一樣沖擊罐體壁面，但由于布液環(huán)流量相對(duì)于罐體內(nèi)熔鹽體積過(guò)小，因此沖擊能力很?。煌瑫r(shí)由于布液環(huán)內(nèi)流體與罐體內(nèi)流體始終存在溫度差，即使在最高液位8 m時(shí)，熔鹽液會(huì)噴出液面，但噴出高度很低。

表5 不同液位時(shí)熔鹽局部最大噴射高度

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目熔鹽儲(chǔ)罐布液環(huán)在不同液位下的流動(dòng)情況CFD分析，可以得出:

(1)按照現(xiàn)有布液環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在最大流速狀態(tài)時(shí)，布液環(huán)出口支管CK2～6具有很好的均勻性，CK1由于距離入口較近，流量略大，其中冷、熱鹽布液環(huán)CK1出口流量均約為CK2～6的1.09倍。

(2)在最大流速、不同液位時(shí)，該型布液環(huán)均可對(duì)熔鹽儲(chǔ)罐內(nèi)的熔鹽產(chǎn)生較好的攪動(dòng)作用，從本文模擬結(jié)果看，提高罐內(nèi)熔鹽混合效果的方式還可以考慮將噴嘴在圓周方向設(shè)置一定角度或者在罐內(nèi)分層布置噴嘴等方案，不同的內(nèi)部布置方式，可能對(duì)罐體內(nèi)部產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，可能造成罐體失穩(wěn)，因此在具體應(yīng)用時(shí)，需進(jìn)一步進(jìn)行分析。

(3)布液環(huán)出口支管處平均流速為3.9～4.46 m/s。

(4)通過(guò)對(duì)熔鹽罐0.55、2、8 m液位進(jìn)行計(jì)算，分析不同液位時(shí)，熔鹽的噴射高度，在熔鹽進(jìn)口流速2.4 m/s時(shí)，8 m液位熔鹽局部最高噴射高度0.007 m；2 m液位時(shí)，熔鹽局部最高噴射高度0.018 m；0.55 m液位時(shí)，熔鹽局部最高噴射高度0.576 m。