斜溫層儲熱調(diào)峰系統(tǒng)的數(shù)值模擬

崔艷艷

摘 要：如今斜溫層技術(shù)在光熱、儲熱方面得到廣泛應(yīng)用，本文針對儲熱調(diào)峰斜溫層技術(shù)進(jìn)行論述，對單罐斜溫層進(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，模擬分析儲熱調(diào)峰儲罐內(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)是一個罐同時儲存高低溫介質(zhì)，比起傳統(tǒng)冷熱分存的雙罐系統(tǒng)，投資大大降低。目前斜溫層儲熱技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于光熱發(fā)電儲熱、燃煤供熱調(diào)峰、供冷電廠儲冷等系統(tǒng)中。

1 斜溫層的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 光熱斜溫層儲熱系統(tǒng)

光熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)通常采用冷熱罐雙罐儲熱系統(tǒng)，但是隨著斜溫層儲熱技術(shù)的發(fā)展，斜溫層儲熱逐漸受到光熱系統(tǒng)用戶的關(guān)注。斜溫層光熱系統(tǒng)儲熱不僅降低了系統(tǒng)控制復(fù)雜度，減少罐體占地造價，同時降低了儲熱介質(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，每年能為用戶節(jié)省可觀的中央空調(diào)年運(yùn)行費用?？梢云胶怆娋W(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)行熱水儲能，夜間用電負(fù)荷低供熱負(fù)荷高時由儲能系統(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)電價的波動，靈活調(diào)整熱電配比，增加電站收益。在電價低谷時少發(fā)電多儲熱，利用蓄熱系統(tǒng)將電廠廉價的熱能蓄存于水罐內(nèi)，在電價高位時，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，為電廠實現(xiàn)最大收益。

2 斜溫層儲熱調(diào)峰系統(tǒng)簡介

儲熱調(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，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，在罐的中間會存在一個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：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，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，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，儲罐長徑比有關(guān)。對斜溫層厚度，理論計算很復(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，流動為非穩(wěn)定流動，罐內(nèi)無周向流動和傳熱。計算結(jié)果顯示隨著時間的推移，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是不同時刻斜溫層位置及累積狀態(tài)。

中可以看出隨著時間的累積，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)計要合理，否則出口流速不均勻會導(dǎo)致出口擾動，帶來對斜溫層的影響。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，出口溫度會產(chǎn)生波動。

2.2 儲罐斜溫層儲熱調(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，最大限度降低進(jìn)出水對斜溫層的影響，保持斜溫層的平流特性。

儲罐斜溫層儲熱計算模型如圖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。

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)熱量隨著時間的變化情況。斜溫層儲熱技術(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)對熔融鹽高溫斜溫層蓄熱性能的影響[J].工程熱物理學(xué)報，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）