戈志华(1969),女,博士,教授,研究方向为电站机组运行优化和热电联产系统节能,gezh@ncepu,edu.cn。
0 引言
我国“三北”地区,燃煤热电联产机组占比高,供热季热电联产机组通常以热定电方式运行[1],当热负荷需求大时,供热机组上网电量大,为满足供热需求,使得冬季新能源上网空间有限,导致供热期弃风弃光现象严重,电网对供热机组灵活调峰运行提出迫切要求,配置蓄热罐在一定程度上可实现热电解耦,提高热电联产机组负荷灵活性。大型蓄热水罐主要应用于显热蓄热领域,利用冷热水密度不同的原理,在蓄热水罐内加装布水器,使冷热水分别从罐顶和罐底均匀流入,在冷热水交界处形成稳定的斜温层,使其在蓄热水罐内自然分层,从而完成热水的储存。蓄热水罐的优势为蓄放热快速便捷,成本低。但是由于比热容较小,因此蓄热水罐的体积大占地面积也比较大。为了最大限度利用蓄热水罐进行调峰,需要提高蓄热水罐性能和蓄热效率。自然分层时,斜温层的厚度影响着蓄热效率的高低,而布水器的设计型式则决定了入口水流的掺混程度,从而影响斜温层厚度。因此,研究蓄热水罐及布水器的设计型式对热电机组灵活性调峰及接纳新能源上网有着重要的作用。
电厂内蓄热水罐的应用在德国、丹麦、瑞士、美国、日本、韩国等发达国家较为广泛,而国内大型蓄热水罐的应用尚处于起步阶段。目前,全球最大的蓄热水罐总体积可达到70000m3,在德国和丹麦得到应用。丹麦普遍采用的蓄热水罐体积通常在2000~30000m3[2]。蓄热水罐被许多热电厂广泛用来“削峰填谷”。Biencinto等[3]研究了自然分层蓄热罐的运行方法,研究成果表明,自然分层单罐最好的运行方式是在蓄热过程中,罐体中预留一部分斜温层区域;而在放热的时候,把罐内水流全部排出。Rahman A等[4]构建了一个分层蓄水罐的模型,可进行能量仿真和分布式发电仿真,从而确定分布式发电系统的蓄水罐尺寸和配置,并预测在给定的时间内储热量和放热量。
另外,热电厂安装蓄热装置后经济性受蓄热效率影响,蓄热装置的蓄热效率可通过罐内斜温层厚度直观判断,斜温层越厚,则蓄热效率越低,满足供热温度条件的热水量越少。为降低蓄热水罐中斜温层厚度可以在罐中加装布水器,使入口水流能够均匀地流入罐中,减小冷热水之间的掺混,提高蓄热效率。国外对蓄水罐中布水器的设计和性能的研究非常多。M. W. Wildin等[5]总结了分层型水蓄冷罐的设计准则,并给出了设计准则的无量纲形式,指出了雷诺数Re和弗罗德数Fr是布水器入口侧混合程度的决定因素。William P. Bahnfleth等[6-7]通过数值模拟和试验研究,对安装有八角形布水器的圆柱形水箱进行了计算,得到水箱内温度分层的结果。Jae Dong Chung等[8]对布水器的几何外形进行了重点研究,采用了三维非稳态计算模型,对两种不同外形布水器影响水箱分层的效果进行了计算对比,得出了Re数是影响分层效果主要因素的结论。文献[9-13]中对蓄热系统的能耗量、经济性及各种因素进行了优化分析,并结合环境影响及对可再生能源的接纳方面进行了建模研究。E. Kaloudis等[14]对自然分层蓄热罐进行了大涡模拟,并且用流场和温度场数据对分层和混合程度进行了定量分析,采用的分析参数有斜温层厚度、熵产率和㶲损。
在上述背景下,本文针对热电联产机组配置的斜温层蓄热水罐开展性能研究,通过控制变量法,对不同型式蓄热系统建模,建立不同工况组,并对其进行流场和温度场的仿真模拟,通过计算及后续处理分析,得到各个工况的蓄热性能,并不断进行结构优化。
1 模型建立
本文采用三维机械设计软件SolidWorks进行蓄热水罐及布水器的建模,采用网格划分软件ANSYS ICEM CFD对模型进行网格划分。
1.1 布水器设计
布水器设计时需要遵循一些已有的经验及公式,涉及的重要参数[15]具体叙述如下。
1）佛罗德数
\(Fr=\frac{q}{[\sqrt{\text{g}{{h}^{3}}({{\rho }_{\text{i}}}-{{\rho }_{\text{a}}})}]}\) (1)
式中：
2）雷诺数
\(Re=\frac{q}{\mu }\) (2)
式中：
入口雷诺数对斜温层形成之后的流体混合程度影响很大,其值要尽量保持在较低范围内,如100~850[6]。
3）理查德数
\(Ri=\frac{g\beta \Delta TL}{u}\) (3)
式中：
理查德数是佛罗德数的倒数的二次方,可以表示罐内冷热水密度的不同,与入口水流掺混强度密切相关。
1.2 模型建立
本文中有3种尺寸的蓄热罐,如
本文采用的是水平双侧开孔布水器,如
图1
3种尺寸蓄热罐对比
Fig. 1
Comparison of three types of heat storage tanks
图2
布水器模型
Fig. 2
Model of water distributor
数及布置高度的设计需综合考虑雷诺数
表1
布水器设计参数
Tab. 1
Design parameters of water distributor
布水器在蓄热水罐中的安装位置如
本文蓄热水罐的模拟过程为不可压缩的三维非稳态流动。相应的算法及取值等计算条件设定如
表2
计算模型及相应算法、取值
Tab. 2
Calculation model and corresponding algorithm and value
采用流体仿真软件ANSYS FLUENT对模型进行温度场和流场的模拟[19-21]。
图3
网格划分质量
Fig. 3
Quality of grid partition
本文对140万网格数上下的网格生成结果分别进行了模拟,发现当网格数大于140万后,结果精度不再发生大的变化,因此取140万网格数作为最终网格生成结果。
2 评价指标
1）斜温层厚度。
斜温层厚度[5]是评价蓄热水罐分层效率的一个常用指标,通过限定无量纲温度的值来考虑斜温层区域。无量纲温度表达式为
\(\Theta =\frac{T-{{T}_{\text{c}}}}{{{T}_{\text{h}}}-{{T}_{\text{c}}}}\) (4)
式中：
在冷热水分隔区域(斜温层)内,
图4
无量纲温度下的斜温层厚度
Fig. 4
The thickness of thermocline under the dimensionless temperature
2）㶲分析。
采用无量纲㶲损的形式来描述由于冷热水混合及导热引起的可用热能损失[14]。蓄热罐瞬态㶲表达式为
\(\Xi =\int_{\Omega }{\xi \rho \text{d}\Omega }\) (5)
式中：
无量纲㶲
\(\zeta =1-\frac{\Xi -{{\Xi }_{\text{mix}}}}{{{\Xi }_{\text{str}}}-{{\Xi }_{\text{mix}}}}\) (6)
式中：
从式(6)中可以得出,当冷热水完全分层时,
假设水的密度和比热为常数,则自然分层和完全混合之间的瞬时㶲差值约为
\(\Xi -{{\Xi }_{\text{mix}}}={{C}_{\text{p}}}[({{T}_{\text{avg}}}-{{T}_{\text{mix}}})-{{T}_{0}}\ln (\frac{{\tilde{T}}}{{{T}_{\text{mix}}}})]\rho \Omega \) (7)
式中：
\({{T}_{\text{avg}}}=\frac{1}{\Omega }\sum\limits_{cv}{{{\Omega }_{\text{i}}}{{T}_{\text{i}}}}\) (8)
\(\tilde{T}=\exp (\frac{1}{\Omega }\sum\limits_{cv}{{{\Omega }_{\text{i}}}\ln {{T}_{\text{i}}}})\) (9)
式中：
同样,完全分层和完全混合之间的瞬时㶲差值约为
\({{\Xi }_{\text{str}}}-{{\Xi }_{\text{mix}}}={{C}_{\text{p}}}[({{T}_{\text{avg,str}}}-{{T}_{\text{mix}}})-{{T}_{0}}\ln (\frac{{{{\tilde{T}}}_{\text{str}}}}{{{T}_{\text{mix}}}})]\rho \Omega \) (10)
同理,可得
\({{T}_{\text{avg,str}}}=\frac{1}{\Omega }\sum\limits_{cv}{{{\Omega }_{\text{i}}}{{T}_{\text{str,i}}}}\) (11)
\({{\tilde{T}}_{\text{str}}}=\exp (\frac{1}{\Omega }\sum\limits_{cv}{{{\Omega }_{\text{i}}}\ln {{T}_{\text{str,i}}}})\) (12)
无量纲㶲损参数可以很好地量化蓄热罐中自然分层的程度及冷热水的混合程度,因此可采用此参数对布水器分层效果进行评价。
3 结果及分析
3.1 工况分类
1）不同开口个数下不同开孔直径的工况模拟。
在流量和开孔直径一定时,布水器开孔个数的多少会影响进口水流的速度,在流量和开孔个数一定时,布水器开孔直径的大小也会影响进口水流速度,本文通过改变布水器的开孔个数和开孔直径,模拟分析这两个变量对罐体性能的影响。具体工况设计参数如
2）布水器直径对蓄热罐性能的影响。
布水器在罐内的直径大小会影响布水器开孔距离罐壁的距离及内侧开孔相对的距离,进而对斜温层的厚度造成影响。通过对开孔直径为800、
表3
不同开口个数下不同开孔直径的工况模拟参数
Tab. 3
Simulation parameters of different opening diameters under different opening numbers
1000、1200mm的布水器进行模拟,探究开孔直径对蓄热罐性能的影响。具体参数见
表4
不同布水器直径的工况模拟参数
Tab. 4
Simulation parameters of the diameter of different water distributor
3）罐体高径比对蓄热罐性能的影响。
罐体高径比即罐体高度
表5
不同高径比的蓄热罐工况参数
Tab. 5
Operating parameters of regenerator tank with different height to diameter ratio
3.2 模拟结果
1）布水器开口个数及开孔直径的影响。
以
图5
不同布水器开孔直径蓄热罐放热过程曲线
Fig. 5
Heat release curve of regenerator with different openings diameter of water distributor
看出,斜温层中间温度梯度最大,而两侧温度分界的一小部分,其温度梯度很小,且随时间推移,两侧温度梯度在逐渐减小,即斜温层的厚度在逐渐 增加。
这是因为：在密度差的作用下虽然能够一定程度上抑制冷热流体的对流而形成稳定的斜温层,但竖直方向的轴向导热依然存在。随着时间的推移,较高温度的水不断把热能传递给较低温度的水,斜温层逐渐扩大增厚。
另外,从160min的时间节点(即
对
图6
0.8kg/s流量下,孔口速度与斜温层厚度的耦合关系
Fig. 6
The coupling relationship between the hole velocity and the thickness of the thermocline under 0.8kg/s flow
2）布水器直径的影响。
在尺寸为2000mm × 2000mm的蓄热水罐中,分别布置直径为800、1000 和1200mm的布水器。显然布水器直径越大,外侧开孔距离蓄热罐壁面的距离越小,而内侧开孔之间的距离越大。
通过对
图7
放热20min时罐内涡流俯视图
Fig. 7
An overhead view of vortex in the tank at 20min of heat release
别为80、100个)的情况下,初始掺混强度与布水器直径大小有一定关系。布水器直径太小,引起的掺混强度较大,合适的布水器直径可以减小掺混强度。
图8
放热40min时斜温层厚度随布水器直径变化曲线
Fig. 8
The variation of the thickness of the thermocline with the diameter of the distributor during exothermic 40min
完全分层状态是指入口水流与罐内预存水之间不发生任何掺混,它们在密度差的作用下,在罐内分别位于一上一下的位置,此时斜温层的厚度为0。
实际为自然分层状态,在密度差的作用下,入
图9
不同布水器直径下
口水流与罐内预存水最后也位于一上一下的位置,但是由于冷热水的对流及速度场的扰动,此时斜温层厚度大于0。
而完全混合状态是指入口水流与罐内预存水发生极强的扰动,导致罐内的水温均匀一致,没有温差。完全分层状态和完全混合状态是理想状态,实际较难达到,但与实际分层状态一样,同样随放热时间变化而变化,是时间的函数。
在蓄热罐放热初期,冷热水混合强烈,此时罐内的实际㶲值更接近完全混合状态,因此㶲损较大,
3）不同高径比蓄热罐工况对比分析。
为对比分析不同高径比蓄热罐之间的放热性能,以工况3所用的布水器型式继续进行仿真模拟,得到了工况14、15的仿真结果。
由
图10
工况3放热过程温度变化云图
Fig. 10
Nephogram of temperature change of heat release process for the case3
开始加剧,但是与放热初期相比,强度较小。
图11
工况14放热过程温度变化云图
Fig. 11
Nephogram of temperature change of heat release process for the case14
图12
工况15放热过程温度变化云图
Fig. 12
Nephogram of temperature change of heat release process for the case15
工况15的罐体直径最小,同样在其整体斜温层可能较薄或至多与工况3、14厚度相同的情况下,其热水掺混量最小。
为了定量探究3种尺寸蓄热水罐的性能,进一步计算得到斜温层厚度及上布水器出口水流温度随时间变化的结果。如
表6
不同高径比斜温层厚度随时间的变化
Tab. 6
Comparison of the thickness of thermocline varying with time on different ratios of height to disaster
分析
为了判断工况14与15的放热性能优劣,本文通过计算,得到不同高径比出口温度随时间变化曲线,如
图13
不同高径比出口温度随时间变化曲线
Fig. 13
Curves of outlet temperature varying with time at different height to diameter ratios
4 结论
对带有布水器的斜温层蓄热水罐进行流场及温度场模拟,研究不同工况下蓄热罐蓄热特性,通过优化罐体结构和布水器型式,使得斜温层厚度不断减小,提高蓄热罐蓄热性能。主要结论如下：
1）对开孔直径及开孔个数的工况组模拟,发现开孔个数为100,开孔直径为8mm的工况,其斜温层厚度最薄,蓄热性能最好。同时发现孔口流速大小与斜温层厚度有一定程度的耦合关系：开孔个数越多、开孔直径越大、孔口流速越小,形成的斜温层厚度越薄。
2）布水器直径的大小对某一确定型式的蓄热罐性能有较大影响,在所模拟的2m × 2m蓄热罐工况中,布水器直径为1200mm工况形成的斜温层厚度最小,蓄热性能最好。得出布水器外侧开孔到罐壁的距离应该小于布水器半径,此时蓄热罐蓄热性能较好。
3）蓄热罐高径比变化影响蓄热罐的放热性能。瘦高型蓄热罐的蓄热性能要强于矮胖型。
4）根据无量纲㶲的计算结果,放热初期罐内冷热水之间的扰动最大,随着斜温层的成型,扰动强度降到最低,此时斜温层厚度的增加主要受导热的影响,而随着斜温层逐渐靠近上出口,扰动又会逐渐加强,此时主要受出口水流的影响,直至斜温层排出罐体。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]