光熱電站熔鹽儲(chǔ)熱罐地下通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值仿真

房彥山，蘇亮，蘇釗

(中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)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(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)電，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]，光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化具有非常長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[4-5]。

目前大部分光熱電站使用熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)[6]。高溫熔鹽儲(chǔ)熱罐的熱流失一部分通過罐側(cè)和罐頂?shù)谋貙由l(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(yùn)行過程中由于熔鹽儲(chǔ)熱罐內(nèi)部溫度非常高，同時(shí)體量巨大，導(dǎo)致罐底土壤很深范圍內(nèi)都處于較高的溫度。作為熔鹽儲(chǔ)熱罐的持力層，過高的溫度會(huì)使其產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，主要表現(xiàn)為巖土熱應(yīng)力、熱軟化效應(yīng)，水分汽化造成的物性改變以及其他化學(xué)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(shí)土壤中水分蒸發(fā)也會(huì)加劇罐體基礎(chǔ)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(shè)置熱隔絕層和主動(dòng)通風(fēng)隔熱系統(tǒng)2種措施。設(shè)置熱隔絕層的材料需要比較低的導(dǎo)熱系數(shù)、很高的承載力，但在熔鹽儲(chǔ)熱罐長期運(yùn)行工況下隔熱效果不佳，而主動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)在罐底土壤中埋設(shè)通風(fēng)管道，讓管道中氣體將熱量帶走，使土壤在一定深度內(nèi)形成1個(gè)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(chǔ)熱罐的地下通風(fēng)系統(tǒng)利用ANSYS軟件進(jìn)行建模，對通風(fēng)系統(tǒng)和土壤進(jìn)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(jì)算出使罐底1.45 m處土壤溫度降低到90 ℃以下的通風(fēng)系統(tǒng)的工作參數(shù)[6]，為實(shí)際工程中風(fēng)機(jī)功率的選擇提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

熔鹽儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)應(yīng)具有一定的承載能力和隔熱性能，因此由多層構(gòu)成?；A(chǔ)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(fēng)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(chǔ)熱罐基礎(chǔ)剖面

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

對埋地通風(fēng)管道在土壤中進(jìn)行的傳熱實(shí)現(xiàn)數(shù)值求解時(shí)，需將半無限大的土壤介質(zhì)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(rèn)為在熱源附近的區(qū)域內(nèi)，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(biāo)系原點(diǎn)位于熔鹽儲(chǔ)熱罐底部中心，X軸垂直于地下通風(fēng)管道方向，Y軸平行于地下通風(fēng)管道方向，Z軸豎直向上。

(a)地下通風(fēng)管道模型

1.2 計(jì)算單元

為了便于分析，做以下假設(shè)：

(1)流體介質(zhì)的熱物理模型性質(zhì)為常數(shù)。

(2)土壤物性均勻一致。

(3)土壤的傳熱為純導(dǎo)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(gè)節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有1個(gè)溫度自由度，具有3個(gè)方向的傳熱能力，能實(shí)現(xiàn)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(nèi)流體采用FLUID116單元，該單元可以在2個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行熱傳導(dǎo)和流體傳輸?shù)娜S單元。其熱流量取決于流體的傳導(dǎo)和質(zhì)量流速。該單元可通過參數(shù)定義來實(shí)現(xiàn)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(dǎo)熱方式進(jìn)行；管內(nèi)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(shí)現(xiàn)，并定義與流體的流速有關(guān)的膜層換熱系數(shù)[12]。

1.3 邊界條件

管道模型中位于兩側(cè)總管中部的送風(fēng)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(shí)間和深度的變化關(guān)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(nèi)日平均最高溫度40.5 ℃。如圖3所示，當(dāng)深度超過12 m時(shí)，保持在15 ℃左右?？紤]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(shí)際情況，對流換熱系數(shù)為16.5 W/(m2·℃)。

土壤圓柱體側(cè)面為絕熱邊界。

2 模擬分析

2.1 無通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)的土壤溫度數(shù)值模擬

如圖4所示為熔鹽罐底部溫度為565 ℃時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)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?yàn)橥寥赖纳喜看嬖趯α鲹Q熱，部分熱量通過地面散失到空氣中，導(dǎo)致土壤較高的溫度部位向下移動(dòng)。

圖4 溫度場分布

在系統(tǒng)坐標(biāo)系中，當(dāng)y=0時(shí)，沿X軸取3個(gè)點(diǎn)(x=0 m、x=10 m和x=20 m)，分別做出這3個(gè)點(diǎn)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(biāo)系中，當(dāng)z=-1.45 m(即熔鹽罐底1.45 m處)時(shí)，沿Y軸取3個(gè)點(diǎn)(y=0 m、y=10 m和y=20 m)，分別做出這3個(gè)點(diǎn)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(nèi)溫度下降較為平緩，距中心11 m至21 m的范圍內(nèi)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(nèi)土壤的溫度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水的汽化溫度，巖土熱效應(yīng)不容忽視。

圖6 土壤溫度沿水平方向變化曲線

2.2 有通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)的土壤溫度數(shù)值模擬

2.2.1 計(jì)算方法

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

Nu=0.023Re0.8Prn

(1)

(2)

(3)

式中：Nu—努塞爾特?cái)?shù)；

Re—雷諾數(shù)；

Pr—普朗特?cái)?shù)；

a—對流換熱系數(shù)；

n—常數(shù)0.4；

Cp—空氣比熱容；

μ—空氣粘度；

λ—空氣導(dǎo)熱系數(shù)；

d—管道直徑。

本文先通過數(shù)模計(jì)算得到管道內(nèi)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(shù)。以上計(jì)算過程通過APDL命令流施加于換熱計(jì)算，由ANSYS自動(dòng)完成單元膜層換熱系數(shù)的計(jì)算。

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖7為總送風(fēng)風(fēng)量8.4 kg/s，土壤達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)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(fēng)管道以下的土壤溫度等值線呈橢圓形，在同一深度內(nèi)，中間溫度高，兩側(cè)溫度低。

圖7 溫度場分布

從圖8中可以看出，管道內(nèi)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(dá)47.1 ℃。最外側(cè)管道由40.5 ℃被加熱到46.2 ℃，溫差為5.7 ℃。

圖8 管道內(nèi)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(shí)，其間距在其對周圍土壤的有效影響半徑范圍內(nèi)。

圖9 管道周圍溫度等值線

在系統(tǒng)坐標(biāo)系中，當(dāng)z=-1.45 m時(shí)，沿X軸取2個(gè)點(diǎn)(x=0.385 m、x=10.395 m)，分別做出這2個(gè)點(diǎn)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(biāo)系中，當(dāng)z=-1.45 m時(shí)，沿Y軸取3個(gè)點(diǎn)(y=0 m、y=10 m和y=20 m)，分別做出這3個(gè)點(diǎn)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(dá)37.2 ℃。這是因?yàn)橄噜徆艿懒飨蛳喾?，在端?個(gè)管道的冷空氣剛流入，相鄰管道內(nèi)已經(jīng)被加熱到比較高的溫度的空氣要流出，2根管道內(nèi)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(nèi)。

圖11 垂直管道方向的溫度曲線

如圖12，在系統(tǒng)坐標(biāo)系中，當(dāng)y=0時(shí)，沿X軸取3個(gè)點(diǎn)(x=0、x=10 m和x=20 m)，分別做出這3個(gè)點(diǎn)隨土壤深度的溫度變化曲線(曲線a、曲線b、曲線c)；當(dāng)x=0時(shí)，沿Y軸取2個(gè)點(diǎn)(y=10 m和y=20 m)，分別做出這2個(gè)點(diǎn)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(nèi)土壤溫度迅速降低，并在1.3 m處形成拐點(diǎn)，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(jié) 論

本文以某光熱電站中的高溫熔鹽儲(chǔ)熱罐為例，通過ANSYS數(shù)模軟件分別對無通風(fēng)系統(tǒng)和有通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)的土壤溫度進(jìn)行數(shù)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(jié)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(shè)地下通風(fēng)管道時(shí)，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(shè)置罐底的通風(fēng)系統(tǒng)，可以明顯降低通風(fēng)系統(tǒng)以下的土壤溫度在90 ℃以下，從而有效地保護(hù)基底持力層的穩(wěn)定性。

(3)實(shí)際工程中應(yīng)配合設(shè)置一些輔助的溫度監(jiān)控點(diǎn)，可以及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，通過對進(jìn)風(fēng)量的調(diào)整，靈活地控制通風(fēng)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(cè)，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(shè)置高一些，使排出去的高溫空氣能夠及時(shí)排走。