固體蓄熱電加熱鍋爐蓄放熱過程數值分析

羅 勇,張艷剛

(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

1 研究背景

固體蓄熱電鍋爐作為“煤改電”政策的推廣設備，既可以減少散煤燃燒供暖鍋爐帶來的環(huán)境污染，又可對電力負荷實施“移峰填谷”，因此具有良好的發(fā)展前景[1-3]。然而鍋爐運行過程中，電加熱絲燒壞的現象時有發(fā)生，嚴重影響設備運行的可靠性。因此，分析這一故障的原因并在設計運行中加以避免，對完善蓄熱電鍋爐的設計具有重要的現實意義。以某實際運行的輸入功率為3 MW、輸入電壓為10 kV的高壓固體蓄熱電加熱鍋爐為研究對象，以典型的供熱運行工況(邊蓄邊放8 h,純放熱16 h，輸出熱功率恒定)為基礎，建立了數值計算模型并進行了數值計算。研究結果顯示了邊蓄邊放8 h、純放熱16 h的過程中蓄熱單元內部的溫度分布，分析了造成這種現象的原因，為同類產品的改進設計提供了有益的參考。

2 計算模型及邊界條件

2.1 鍋爐概況

鍋爐輸入功率3 MW，使用電壓10 kV。鍋爐有3個蓄熱體組，輸入的三相電分別加熱3個蓄熱體組。3個蓄熱體組規(guī)格相同，其長(Y)、寬(X)、高(Z)分別為5.543、1.390、3.300 m，鍋爐共設置4臺并聯(lián)運行的同型號汽-水換熱器及熱風循環(huán)風機。每個蓄熱體組水平和垂直方向分布著6×16個截面積為110 mm×65 mm的換熱通道，通道內布置電加熱絲。原有固體蓄熱電鍋爐結構如圖1所示。

圖1 原有固體蓄熱電鍋爐結構圖(單位：mm)

2.2 循環(huán)風機運行策略

鍋爐在低谷電時段的邊蓄熱邊放熱階段，由于蓄熱體組溫度逐漸升高，為保證恒定的輸出熱功率，循環(huán)風機的轉速會隨蓄熱體溫度的升高自動降低；而在純放熱階段，由于蓄熱體的溫度逐漸降低，為保證恒定的輸出功率，循環(huán)風機的轉速會自動升高。實際運行過程中，為了減少變頻器的頻繁動作，通常設定一個輸出功率的變化范圍，一般控制在額定輸出功率的±5%以內。

循環(huán)風機的轉速由控制系統(tǒng)自動控制，風機型號為WQE，其相關參數見表1。

表1 WQE型風機滿頻(50 Hz)狀態(tài)下性能參數

2.3 計算模型的簡化方法

數值模擬采用CFD軟件。前處理器軟件為Gambit，求解器軟件為Fluent。由于鍋爐尺寸較大，風道尺寸又相對較小，換熱器與風機結構復雜，所以電加熱絲直徑與換熱通道孔徑尺寸相差很大。為保證模擬工作的順利進行，在保證結算結果不失真的條件下，對原有固體蓄熱電鍋爐計算模型進行以下簡化處理：

(1)將電加熱絲的輸入功率等價為所在換熱通道表面熱流密度，計算區(qū)域不再包含電加熱絲部分。

(2)數值模擬過程選擇典型的供暖運行工況，且鍋爐輸出功率為恒定值，即在一個蓄放熱周期內，夜晚低谷電時段的邊蓄邊放過程為8 h，非低谷電時段的純放熱過程為16 h，鍋爐輸出功率恒定為輸入功率的1/3(波動范圍控制在額定輸出功率的±5%以內)。

(3)選取代表性的蓄熱單元代替整個蓄熱體組作為模擬計算的區(qū)域。通過對鍋爐運行過程中蓄熱體組內部不同部位的溫度檢測發(fā)現，蓄熱體組內部水平方向(以下簡稱X方向)溫差較小，而垂直方向(即高度方向，以下簡稱Z方向)和縱向(蓄熱體組換熱通道方向，以下簡稱Y方向)溫差較大。考慮到數值模擬過程對計算機性能的要求，結合上述分析，選擇中間蓄熱體組且位于該蓄熱體組居中的一組蓄熱單元作為數值模擬的三維計算模型。蓄熱單元的輸出熱功率與輸入電功率按比例折算。

(4)模型建立過程，將實際熱風循環(huán)方式轉化為開式的計算模型。研究的核心內容是分析典型供暖運行模式下，鍋爐蓄、放熱過程中蓄熱體組內部溫度場隨時間的變化規(guī)律。為保證模擬計算順利進行，同時使模擬計算工況符合鍋爐的實際運行工況，得到較為準確的溫度場，在計算模型建立過程中，將單位時間空氣進、出蓄熱體的焓差作為鍋爐的輸出熱功率。這樣處理簡化了模型換熱器及風機部分，同時也方便數值模擬過程中對循環(huán)空氣質量流量的調整。模擬計算的過程為：首先給定計算模型進口空氣的質量流量及溫度，模擬計算開始運行。當空氣的質量流量與模型比焓差(計算模型出、進口空氣的比焓差)之積超過設定的輸出功率范圍時，暫停計算過程并調整空氣的質量流量賦值，從而使計算模型的輸出功率符合鍋爐的實際運行情況。

(5)計算過程中空氣進口溫度取定值100 ℃。用于冬季供暖的固體蓄熱電鍋爐，出水溫度一般為85 ℃，在蓄熱電鍋爐、汽水換熱器設計以及循環(huán)風機的選型過程中，風機的吸入口空氣溫度一般控制在90～110 ℃之間。為便于數值計算，設定風機吸入口(空氣進口)空氣溫度為100 ℃。

綜上所述，利用Gambit軟件建立了固體蓄熱電鍋爐簡化后模型，如圖2所示。

圖2 原有固體蓄熱電鍋爐簡化后模型

2.4 邊界條件及初始條件

計算模型邊界條件的選取見表2。

表2 計算模型所用邊界條件

計算過程初始條件蓄熱體組所有節(jié)點的溫度均為150 ℃。

2.5 網格數量、時間步長及求解器選擇

采用結構化和非結構化網格。在完成網格以及時間步長無關性驗證的基礎上，最后確定模型網格數量為849 739，時間步長為60 s。選擇PISO算法作為模型數值計算算法。

3 模擬結果及分析

3.1 邊蓄邊放階段蓄熱單元對稱面溫度場速度場分析

圖3為鍋爐邊蓄邊放階段蓄熱單元對稱面(X=0.055 m)上每隔2 h蓄熱體的溫度云圖。圖4為該截面右上角區(qū)域對應時刻空氣的速度矢量圖。

圖3 對稱面(X=0.055 m)上蓄熱體每隔2 h溫度云圖(單位：℃)

圖4 放大區(qū)域每隔2 h空氣的速度矢量圖(單位：m/s)

從圖3可以看出以下幾個現象：

(1)頂部與底部2層蓄熱體的溫度相對于其他區(qū)域蓄熱體溫度均較低，這是由于二者靠近上、下冷空氣風道所致。

(2)出風端(右側)蓄熱體的溫度遠高于進風端(左側)蓄熱體的溫度，原因是沿空氣流動方向空氣逐漸被加熱，從而減小了空氣與周圍蓄熱體的換熱溫差所致。

(3)上部蓄熱體溫度高于下部蓄熱體溫度，并且從2、4、6、8 h的溫度云圖來看，設備運行時間越長現象越明顯。在邊蓄邊放熱階段結束時(圖3(d))時，上下風道出口區(qū)域蓄熱體的最高、最低溫度分別為1 200 ℃和750 ℃左右。這種現象的出現有著深層次的原因，現分析如下：

蓄熱體組內部自下而上各換熱通道內空氣質量流量分配受2種作用壓差的影響：其一是風機的作用壓差(簡稱正作用壓差)，此壓差的作用是使循環(huán)空氣自溫度較低的后風室(左側)沿換熱通道進入前風室(右側)，是熱風循環(huán)所需的壓差；其二是由于前后風室內空氣密度差引起的熱壓壓差(簡稱反作用壓差)，此壓差的作用是使循環(huán)空氣自溫度較高的前風室的上部換熱通道反方向流入后風室，這是設計者不希望出現的現象(也是設計人員容易忽視的問題)。風機在較高轉速區(qū)域運行時(此時對應于邊蓄邊放階段的前期)，因為正作用壓差遠大于反作用壓差，上下通道蓄熱體出口區(qū)域的溫差較小，如圖3(a)所示。隨著過程的延續(xù)，風機在較低轉速區(qū)域運行時[1](此時對應于邊蓄邊放熱階段的后期以及純放熱階段的前期)，因為正作用壓差接近甚至小于反作用壓差，上部風道蓄熱體內空氣的質量流量變得很小，甚至出現反向流動的情況，導致上下風道出口區(qū)域蓄熱體的溫差較大，如圖3(d)所示。這種反向流動的現象在空氣的速度矢量圖中得到了驗證，如圖4(d)所示。

圖5為邊蓄熱邊放熱階段，不同時刻、不同換熱通道空氣質量流量分布情況。圖5中，M1～M16代表自下而上16個換熱通道。

圖5 每隔2 h不同換熱通道空氣質量流量

從圖5可以看出，在各個時刻，都存在下部風道空氣的質量流量大、而上部風道空氣的質量流量小的趨勢，并且在蓄熱階段的后期這種趨勢更明顯。因為隨著蓄熱時間的延續(xù)，蓄熱體溫度逐漸升高，在輸出熱功率恒定時所需的空氣質量流量必然減小。在6、8 h時右上角區(qū)域空氣質量流量出現負值，表明此處出現回流。此時熱壓引起的反作用壓差已主導了該區(qū)域空氣的流動方向。

3.2 純放熱階段蓄熱單元對稱面溫度場分析

圖6為鍋爐純放熱階段(8～24 h)蓄熱單元對稱面(X=0.055 m)上每隔4 h蓄熱體的溫度云圖。

圖6 對稱面(X=0.055 m)上蓄熱體每隔4 h溫度云圖(單位：℃)

從圖6可以看出以下幾個現象：

上部蓄熱體溫度高于下部蓄熱體溫度的趨勢一直持續(xù)到純放熱階段結束。換言之，在整個蓄、放熱周期(24 h)內始終延續(xù)了這種現象。值得注意的是，在上述分析的完整蓄、放熱周期內，蓄熱單元各點的初始溫度均設定為150 ℃，由于運行過程放熱的不均勻性導致一個周期結束時，在蓄熱單元內部已積累了很大的溫差。可以想象在下一個運行周期內，蓄熱單元內溫度的不均勻性將更為嚴重。

電加熱絲與蓄熱體的溫差與電加熱絲的熱流密度以及周邊蓄熱體的溫度有關，采用文獻[4]、文獻[5]所介紹的計算方法及相關公式可以計算得到：當電加熱絲表面熱流密度為1.875(W/cm2)、爐絲發(fā)射率為0.41、風道發(fā)射率為0.8時，如果蓄熱體表面溫度分別為700、800、900 ℃時，電加熱絲與蓄熱體的溫差分別為183、147、119 ℃?？梢姡娂訜峤z的溫度比蓄熱體的溫度高100～200 ℃。因此，蓄熱體的溫度可以從側面反映電加熱絲工作時的溫度。這種溫度的不均勻性其結果只有2個：其一是在蓄熱鍋爐設計過程中人為降低蓄熱體的最高設定溫度，其結果必將導致鍋爐蓄熱量不足的問題(當然為了滿足蓄熱量的要求可以增大蓄熱體的數量)；其二是時常出現電加熱絲燒斷的故障。為了提高蓄熱體的蓄熱完善度[2]，同時保證蓄熱鍋爐運行的可靠性，就需要精心設計,減小鍋爐運行過程中蓄熱體組內部溫度的不一致性。

4 結論

針對固體蓄熱電鍋爐電加熱絲經常燒壞的問題，利用CFD軟件對鍋爐運行過程、蓄熱體組內部流場和溫度場進行了數值模擬，得到如下結論：

(1)蓄熱體組內部溫度不均勻是電加熱絲燒壞的主要原因，而蓄熱體組在蓄熱、放熱過程中溫升、溫降的不一致性是蓄熱體組內部溫度不均勻的原因。沿空氣流動方向(自后風室到前風室)，因空氣自身溫度逐漸升高，導致其與換熱通道表面的溫差逐漸減小，換熱量逐漸減小，最終造成在此方向蓄熱體組溫升、溫降的不一致。沿高度方向各換熱通道內空氣質量流量分配不均勻是蓄熱體組溫升、溫降不一致的原因。空氣質量流量較小的換熱通道，相應通道蓄熱體的溫度較高。

(2)沿高度方向風道內空氣的質量流量不均勻是因為不同風道兩端空氣的作用壓差不相等所致。空氣流動的作用壓差是風機的正作用壓差和熱壓引起的反作用壓差共同作用的結果。在邊蓄邊放階段，由于風機轉速逐漸降低，循環(huán)空氣的正作用壓差逐漸減小。與此同時，由于蓄熱體的溫度逐漸升高，熱壓引起的反作用壓差逐漸增大，兩者的共同作用導致上部風道內空氣的質量流量逐漸減小。當正作用壓差小于反作用壓差時，甚至會出現前風室熱空氣回流、反方向進入換熱通道的現象。對于熱壓作用，在鍋爐設計中應給予高度重視。