蒸汽蓄熱器蓄能、釋能特性研究

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）

采用數值模擬的方法對蒸汽蓄熱器蓄能、釋能過程進行研究。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學模型，運用MATLAB軟件進行模擬求解，得到了蓄能、釋能過程動態(tài)特性曲線，明確了蒸汽蓄熱器的蓄能和釋能工況。本研究對蒸汽蓄熱器的設計與應用具有重要意義。

蒸汽蓄熱器；蓄能特性；釋能特性；數值模擬

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，是推動社會經濟向前發(fā)展的動力，能源的大量消耗不僅造成了能源價格的上漲，還給大自然帶來了極大的破壞[1]。基于當前的能源形勢，節(jié)能技術已經被提到了前所未有的高度。蒸汽蓄熱器是實現蒸汽生產系統和用汽系統平穩(wěn)連接的橋梁，能夠達到供需雙方連續(xù)而穩(wěn)定的供、用汽平衡，從而保持系統運行負荷均衡，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)中得到廣泛的應用?，F在蒸汽蓄熱器已廣泛用于工業(yè)鋼鐵生產、電力供應以及企業(yè)生活用品生產，比如制糖、釀酒、化學和印染等行業(yè)，并取得不錯的經濟效益。

蒸汽蓄熱器動靜態(tài)特性直接影系統運行的經濟性和安全性，已有部分學者進行了相關研究。文獻[2-6]采用數值模擬方法對蒸汽蓄熱器的運行特性進行研究，文獻[7]建立了一小型蒸汽蓄熱器熱力試驗系統，對臥式蒸汽蓄熱器的充汽和放汽特性進行了試驗研究，文獻[8]運用熱平衡模型以及歐拉算法對蒸汽蓄熱器放熱過程水空間的動態(tài)過程進行了分析，文獻[9]用非熱平衡數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過程，在假設容器內水和蒸汽熱平衡的基礎上建立了蒸汽蓄熱器的數學模型，利用MATLAB等數學計算軟件編寫程序模擬蓄能、釋能過程，并對不同控制模式下的模擬結果進行分析。本文的結論對于蓄熱系統的設計及應用具有一定的指導意義。

1 數學模型的建立

蒸汽蓄熱器的運行包括蓄能和釋能兩個過程：蓄能過程是由汽源向容器內充入飽和蒸汽或過熱蒸汽的過程；釋能過程是蓄熱器內的飽和水降壓自蒸發(fā)，釋放的蒸汽供給用汽側的過程。根據蓄能、釋能過程的熱力學特點建立蒸汽蓄熱器的數學模型。

1.1 基本假設

蒸汽蓄熱器內部分為水空間和汽空間，為了簡化分析，對蒸汽蓄熱器工作過程給出如下假設：

（1）任意時刻水空間和汽空間各自狀態(tài)參數均勻一致，均為汽空間壓力對應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 數學模型

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

圖1 蒸汽蓄熱器模型示意圖

根據上述模型建立以下守恒方程。

水空間和汽空間質量守恒：

水空間和汽空間能量守恒：

蓄能和釋能過程均采用式（1）～（4）進行計算，對于在系統中采用與汽源并聯方式的蒸汽蓄熱器[10]，其蓄能過程數學模型中2=0，釋能過程數學模型中1=0。

2 數值求解

2.1 蒸汽蓄熱器蓄能過程特性

根據上述數學模型運用MATLAB軟件編程對蒸汽蓄熱器的蓄能過程進行模擬求解[11]。

從汽源出來的充熱蒸汽是溫度和壓力參數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束時容器內的壓力。取迭代計算的時間步長為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。認為Δ時間內充熱蒸汽質量流量恒定為0，設充熱某一時刻水的體積為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Δ時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。

對蒸汽蓄熱器充熱Δ時間前后建立以下方程式。

質量守恒：

能量守恒：

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

式（5）和式（6）中飽和水和飽和充熱蒸汽的比焓，可用根據水和水蒸汽表中的數據擬合得到某一壓力范圍內比焓關于飽和壓力的函數關系式（7）和式（8）計算，過熱充熱蒸汽的比焓則是關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，相關熱力參數均可寫成壓力或溫度的函數。給定充熱初始時刻水體積占容器容積的比值和初始壓力，模擬計算得到不同條件下蓄能過程容器內壓力的逐時變化曲線。

采用上述蓄能過程數學模型求解方法，分析不同充熱蒸汽參數對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范圍內的飽和蒸汽對蒸汽蓄熱器進行充熱的過程。蓄熱器內初始壓力均為600kPa，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蓄熱器內逐時壓力變化如圖2所示。

充熱蒸汽進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，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，因此容器內壓力上升得越快。隨著充熱的進行，能量以高壓飽和水的形式儲存在容器中，充熱結束時容器內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壓力變化

2.1.2 充熱蒸汽壓力不變，充熱流量變化

實際運行過程中，汽源供應用汽側后剩余的蒸汽進入蒸汽蓄熱器進行充熱，由于用汽側需求的變化，充入蓄熱器的蒸汽流量也會發(fā)生變化。圖3所示為模擬充熱蒸汽流量線性變化時蓄熱器的工作過程得到的結果，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，容器內壓力上升的速率加快，因而表現為曲線。

圖3 充熱蒸汽流量線性變化蓄能過程

在實際的蓄能過程中，汽源和用汽側的變化都會影響蓄熱器的入口蒸汽參數，充熱蒸汽流量和壓力可能同時發(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

對蒸汽蓄熱器放熱Δ′時間前后建立以下方程式。

質量守恒：

能量守恒：

式（9）～（10）中，水和蒸汽的溫度、密度參數均可通過與對應狀態(tài)壓力的變化關系求得，飽和水和飽和蒸汽的比焓，可用根據式（7）和式（8）計算，過熱充熱蒸汽的比焓則是關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，相關熱力參數均可寫成壓力或溫度的函數。給定放熱初始時刻水體積占容器容積的比值和初始壓力，可模擬計算得到不同條件下釋能過程蓄熱器內壓力的逐時變化曲線。

蓄熱器的出口與蒸汽用戶相連，其放熱過程根據用戶需求進行控制，常采用質量流量控制和壓力控制兩種模式。采用上述釋能過程數學模型求解方法，分析不同控制模式對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果如圖5所示。壓力隨時間的遞減速率均相同，而初始壓力在0.8MPa～1.3MPa范圍內取不同值（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

隨著容器內壓力的降低，出口蒸汽流量會逐漸增大，且呈現遞增速率加快的趨勢。分析飽和水的比焓與對應飽和壓力的關系可知，比焓隨壓力變化關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象[3]。給定的放熱初始壓力越高，同一時刻出口蒸汽流量越小，同樣可用飽和水的比焓與對應飽和壓力的關系曲線特點解釋。因此，蒸汽蓄熱器的釋能量與放熱初始壓力和工作壓差有關，放熱初始壓力越高，相同工作壓差所釋放的蒸汽量越少。

3 結論

本文通過分析蒸汽蓄熱器蓄能和釋能的熱力學過程，在假設容器內水和蒸汽熱平衡的基礎上建立了蒸汽蓄熱器的數學模型，根據數學模型分別對蓄能、釋能過程進行模擬求解，得到蓄能、釋能動態(tài)特性。通過對模擬結果的分析可得出如下結論：

（1）蒸汽蓄熱器的蓄能過程容器內壓力逐時增大；

（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，充熱蒸汽流量越大、壓力越高，容器的蓄熱速率就越大，達到相同充熱壓力所需的時間就越少；

（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雖然逐時減小，但出口蒸汽流量逐時增大；

（4）蒸汽蓄熱器的釋能量與放熱初始壓力和工作壓差有關，放熱初始壓力越高，相同工作壓差所釋放的蒸汽量越少。

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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，高級工程師，E-mail：19057407@qq.com