羅文海 管留日 朱海明
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能源緊缺及供需不平衡問題日益突出,當(dāng)前國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)能源政策,確保了民生保障、市場(chǎng)供應(yīng),為穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了良好支撐。國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》,要求進(jìn)一步完善目錄分時(shí)電價(jià)機(jī)制,更好引導(dǎo)用戶削峰填谷、改善電力供需狀況、促進(jìn)新能源消納,其中“三、強(qiáng)化分時(shí)電價(jià)機(jī)制執(zhí)行”的“(一)明確分時(shí)電價(jià)機(jī)制執(zhí)行范圍”提出:鼓勵(lì)工商業(yè)用戶通過配置儲(chǔ)能、開展綜合能源利用等方式降低高峰時(shí)段用電負(fù)荷、增加低谷用電量,通過改變用電時(shí)段來降低用電成本?!蛾P(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》,明確提出了積極支持用戶側(cè)儲(chǔ)能多元化發(fā)展,鼓勵(lì)聚合利用不間斷電源、電動(dòng)汽車、用戶側(cè)儲(chǔ)能等分散式儲(chǔ)能設(shè)施。
冰蓄冷作為一種儲(chǔ)能技術(shù),實(shí)現(xiàn)了夏季空調(diào)降溫負(fù)荷時(shí)段性、靈活性的調(diào)節(jié),既有利于降低用戶空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本,又有利于促進(jìn)電力移峰填谷。部分學(xué)者從冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的組成形式、運(yùn)行工況、控制策略等方面進(jìn)行了研究運(yùn)用[1-3],為實(shí)現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在乙二醇系統(tǒng)保護(hù)方面,對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中載冷劑乙二醇的腐蝕性機(jī)理做了深入分析探討,提出了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的防護(hù)措施[4-5]。
乙二醇的物理性質(zhì)決定了其受溫度變化影響具有較大的熱脹冷縮特性,體現(xiàn)在以乙二醇作為載冷劑的蓄冰空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間管道內(nèi)壓力出現(xiàn)周期性膨脹現(xiàn)象。目前對(duì)乙二醇膨脹現(xiàn)象的研究相對(duì)較少,本文結(jié)合實(shí)際工程,對(duì)乙二醇膨脹效應(yīng)進(jìn)行淺析總結(jié),供有關(guān)同行參考。
以華南地區(qū)某綜合樓的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,由2 臺(tái)雙工況冷水機(jī)組、2 臺(tái)蓄冰槽、3 臺(tái)乙二醇泵、3 臺(tái)冷凍泵、3 臺(tái)冷卻泵、2 臺(tái)板式換熱器以及2 臺(tái)冷卻塔組成,其中乙二醇泵和冷凍泵分別位于板式換熱器的乙二醇水溶液側(cè)和冷凍水側(cè)。運(yùn)行過程中因溫度變化導(dǎo)致的乙二醇體積膨脹或縮小,會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)的壓力過高或不足,為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,采用了定壓補(bǔ)液泵加膨脹罐對(duì)該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行定壓補(bǔ)液和膨脹釋壓。整個(gè)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。
圖1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖
冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)采用質(zhì)量濃度為25%的乙二醇水溶液(以下簡(jiǎn)稱乙二醇)。乙二醇主要存在于管道(圖1 中粗線所示)以及蓄冰槽內(nèi),各部分乙二醇初始充裝容量及占比如表1 所示。
表1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)乙二醇容量
冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí),管路最高點(diǎn)不應(yīng)倒空;當(dāng)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的壓力最低點(diǎn)不應(yīng)發(fā)生汽化。定壓裝置的定壓點(diǎn)位于乙二醇泵入口前端位置,最低定壓壓力pdmin要求可表示為:
式中:ps為乙二醇最小飽和壓力,Pa;ρ 為乙二醇的密度,kg/m3;h 為定壓點(diǎn)與乙二醇管路最高點(diǎn)之間的高差,m;Δ勻?yàn)槎▔狐c(diǎn)與乙二醇泵入口之間的壓損,Pa;p0為系統(tǒng)運(yùn)行安全余量,可取0.03~0.05 MPa。
乙二醇密度隨溫度變化的關(guān)系可參考文獻(xiàn)[6],并做適當(dāng)變形得到:
式中:ρ1為乙二醇溫度t1時(shí)的密度,kg/m3;ρ2為乙二醇溫度t2時(shí)的密度,kg/m3;0.0007 為乙二醇的熱膨脹系數(shù),1/℃。
乙二醇膨脹前后,總質(zhì)量守恒:
式中:V1為乙二醇溫度t1時(shí)的體積,m3;V2為乙二醇溫度t2時(shí)的體積,m3。
溫度變化引起的體積變化率η:
滿液鋼管內(nèi)液體溫度變化時(shí)的壓力變化值Δp:
式中:Δp 為乙二醇對(duì)應(yīng)溫度變化Δt 時(shí)的壓力變化值,Pa;β 為乙二醇水溶液膨脹系數(shù),1/℃;β0鋼材膨脹系數(shù),1/℃;α 為乙二醇溶液壓縮系數(shù),1/Pa;Ω 為壓力升高時(shí)鋼管容積增大系數(shù),1/Pa;Δt 為乙二醇溶液溫度變化值,Δt=t2-t1,℃。
定壓點(diǎn)的最低定壓壓力應(yīng)保證系統(tǒng)壓力在乙二醇溫度最高時(shí)不小于飽和壓力,Ps可取0.005 MPa。密度ρ 按系統(tǒng)運(yùn)行乙二醇最低溫度-5.6 ℃和最高溫度10 ℃的平均值計(jì)算,為1043 kg/m3;h 按實(shí)際值,為3.5 m;定壓點(diǎn)與乙二醇泵入口很近,可取Δ勻?yàn)? Pa。根據(jù)式(1)有:Pdmin≥0.07~0.09 MPa。
根據(jù)式(2)~(4)有:η=0.91%。
查取鋼管和25%濃度乙二醇水溶液的物性參數(shù),β=0.0007,1/℃;α=0.0041,1/Pa;β0=12 ×10-6,1/℃;Ω=4.74×10-10,1/Pa。根據(jù)式(5)有:Δp=0.21 MPa。
考慮到乙二醇長(zhǎng)期接觸空氣時(shí)會(huì)發(fā)生吸氧酸化反應(yīng)[7],盡量避免乙二醇與空氣接觸。根據(jù)計(jì)算得到的最小定壓壓力和溫度變化引起的壓力變化值,系統(tǒng)的理論最低運(yùn)行定壓壓力為0.07 MPa、理論最高運(yùn)行定壓壓力為0.30 MPa。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中壓力最高點(diǎn)位于乙二醇泵出口處,其壓力為水泵揚(yáng)程與定壓壓力之和。乙二醇泵揚(yáng)程為24 m,結(jié)合理論計(jì)算的最高運(yùn)行定壓壓力,此時(shí)系統(tǒng)中理論壓力最高點(diǎn)值pmax為0.54 MPa,此壓力未超過設(shè)計(jì)工作壓力0.60 MPa。
為探究冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行壓力隨溫度的變化情況,需要保證乙二醇流量基本不變或在一定變化范圍內(nèi)。該綜合樓在過渡季節(jié)夜間和白天的空調(diào)負(fù)荷較為接近,選取3 月16 日的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖2 給出了乙二醇流量及流量偏差在一天24 h內(nèi)的變化情況。可以看出,全天內(nèi)乙二醇流量變化不大,流量最大值為1457 m3/h,最小值為1325 m3/h,平均值為1390 m3/h,流量偏差最大值為4.84%,偏差最小值為-4.66%,流量偏差值均不大于5%。因此,認(rèn)為乙二醇流量變化范圍滿足探究系統(tǒng)運(yùn)行壓力變化的要求。
圖2 系統(tǒng)乙二醇流量及偏差隨時(shí)間變化圖
冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在0:00~7:40 蓄冰,在7:40~0:00融冰。結(jié)合圖3 和圖4 分析,在蓄冰和融冰切換時(shí)間點(diǎn)上,定壓點(diǎn)乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力均急劇變化。在時(shí)刻0:00,由融冰切換至蓄冰后的第27 分鐘內(nèi),乙二醇溫度由8.39 ℃迅速降低至-3.71 ℃,壓力則由0.33 MPa 迅速降低至0.07 MPa。在時(shí)刻7:40,由蓄冰切換至融冰后的第28 分鐘內(nèi),乙二醇溫度由-5.19 ℃迅速升高至9.51 ℃,壓力則由0.07 MPa 迅速升高至0.36 MPa。而在蓄冰和融冰期間,定壓點(diǎn)乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力均較為平穩(wěn),幾乎沒有變化。
圖3 定壓點(diǎn)乙二醇溫度隨時(shí)間變化圖
圖4 系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化圖
可以發(fā)現(xiàn),定壓點(diǎn)乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力變化基調(diào)相似。建立定壓點(diǎn)乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力的關(guān)系散點(diǎn)圖,并進(jìn)行關(guān)系曲線擬合,如圖5 所示。結(jié)果顯示,定壓點(diǎn)乙二醇溫度和系統(tǒng)壓力并非線性關(guān)系,但存在系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力隨乙二醇溫度升高而增大、降低而減小的規(guī)律。
圖5 系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力與乙二醇溫度的關(guān)系圖
采用Boltzmann 方程進(jìn)行關(guān)系曲線擬合可以得到較好的擬合方程:
由擬合方程可知,系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力與乙二醇溫度的關(guān)系是一條關(guān)于指數(shù)e 的曲線函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的最低溫度-5.6 ℃、最高溫度10 ℃分別算得,系統(tǒng)定壓點(diǎn)最低運(yùn)行壓力為0.07 MPa、系統(tǒng)定壓點(diǎn)最高運(yùn)行壓力為0.36 MPa。
由擬合曲線算得的定壓點(diǎn)最低運(yùn)行定壓壓力與理論值相同,但算得的系統(tǒng)定壓點(diǎn)最高運(yùn)行壓力比理論值0.30 MPa 要大。為保障系統(tǒng)安全,取系統(tǒng)定壓點(diǎn)最高運(yùn)行壓力為0.36 MPa,據(jù)此校核冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)最高壓力pmax為0.60 MPa,與設(shè)計(jì)工作壓力0.60 MPa相同,滿足使用要求。
為防止乙二醇與空氣過多接觸,乙二醇定壓裝置的設(shè)定參數(shù)應(yīng)避免反復(fù)對(duì)乙二醇補(bǔ)液、泄液。按啟停壓力間隔0.05 MPa 考慮,因此,乙二醇定壓裝置的補(bǔ)液泵開啟壓力設(shè)定為0.07 MPa、補(bǔ)液泵停止壓力設(shè)定為0.12 MPa,超壓泄壓開啟壓力設(shè)定為0.36 MPa、泄壓停止壓力設(shè)定為0.31 MPa。
1)對(duì)于全年運(yùn)行的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng),管道內(nèi)乙二醇?jí)毫哂须S蓄冰和融冰周期性變化膨脹的特點(diǎn),變化周期為蓄冰與融冰時(shí)間之和。
2)在蓄冰和融冰切換時(shí)間點(diǎn)上,乙二醇溫度和系統(tǒng)壓力均急劇變化,溫度變化最大可達(dá)14.7 ℃,壓力變化最大可達(dá)0.29 MPa。而在蓄冰和融冰期間,乙二醇溫度和系統(tǒng)壓力則較為平穩(wěn),幾乎沒有變化。
3)系統(tǒng)壓力和乙二醇溫度并非線性關(guān)系,是一條關(guān)于乙二醇溫度的指數(shù)e 的曲線函數(shù),存在系統(tǒng)壓力隨乙二醇溫度升高而增大、降低而減小的規(guī)律。根據(jù)擬合曲線計(jì)算結(jié)果,乙二醇定壓裝置的補(bǔ)液泵開啟壓力設(shè)定為0.07 MPa、補(bǔ)液泵停止壓力設(shè)定為0.12 MPa,超壓泄壓開啟壓力設(shè)定為0.36 MPa、泄壓停止壓力設(shè)定為0.31 MPa。