斜溫層儲熱調峰系統的數值模擬

崔艷艷

摘 要：如今斜溫層技術在光熱、儲熱方面得到廣泛應用，本文針對儲熱調峰斜溫層技術進行論述，對單罐斜溫層進行數值模擬，得到斜溫層內的溫度分布規律，并選擇合理的布水結構，將斜溫層技術與布水器結合，模擬分析儲熱調峰儲罐內的溫度的分布規律，為提高供熱機組的靈活調峰能力帶來了新的方向。

關鍵詞：斜溫層；儲熱調峰；數值模擬

0 引言

斜溫層的基本原理就是以溫度梯度層隔開冷熱介質。斜溫層單罐系統是一個罐同時儲存高低溫介質，比起傳統冷熱分存的雙罐系統，投資大大降低。目前斜溫層儲熱技術已經應用于光熱發電儲熱、燃煤供熱調峰、供冷電廠儲冷等系統中。

1 斜溫層的應用領域

1.1 光熱斜溫層儲熱系統

光熱發電儲熱系統通常采用冷熱罐雙罐儲熱系統，但是隨著斜溫層儲熱技術的發展，斜溫層儲熱逐漸受到光熱系統用戶的關注。斜溫層光熱系統儲熱不僅降低了系統控制復雜度，減少罐體占地造價，同時降低了儲熱介質耗量，經濟效益顯著。

1.2 斜溫層蓄冷系統

水蓄冷是利用電網的峰谷電價差，夜間采用冷水機組蓄冷，白天放冷而主機避峰運行的節能空調方式。水蓄冷空調是利用電網的峰谷電價差，具有投資小，運行可靠，制冷效果好，經濟效益明顯的特點，每年能為用戶節省可觀的中央空調年運行費用。可以平衡電網負荷，減少電廠投資，凈化環境，符合國家產業政策發展方向。

1.3 燃煤供熱電廠斜溫層儲熱調峰系統

我國隨著新能源電力所占比例不斷加大，對燃煤機組的運行靈活性和深度調峰能力提出了越來越高的要求，通過增加儲熱調峰系統，擴大熱電聯產的運行負荷變化范圍，使機組在用電負荷高供暖負荷低的白天進行熱水儲能，夜間用電負荷低供熱負荷高時由儲能系統進行供熱調峰，可以在保證供熱能力滿足要求的基礎上提高機組運行的靈活度，使熱電聯產機組參與調峰成為可能。

為適應電價的波動，靈活調整熱電配比，增加電站收益。在電價低谷時少發電多儲熱，利用蓄熱系統將電廠廉價的熱能蓄存于水罐內，在電價高位時，多發電，蓄熱罐與熱電廠聯合供熱。既滿足了電網低谷限電的要求，又能充分發揮機組效率，為電廠實現最大收益。

2 斜溫層儲熱調峰系統簡介

儲熱調峰系統由罐體、布水盤、蓄熱泵、放熱泵等設備組成。單罐系統冷熱介質存在一個單罐中，斜溫層罐利用密度與溫度冷熱之間的關系，當高溫介質在罐的頂部被高溫泵抽出，經過換熱器冷卻后，由罐的底部進入罐內時，或者當低溫介質在罐的底部被低溫泵抽出，經過換熱器加熱后，由罐的頂部進入罐內時，在罐的中間會存在一個溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層。

2.1 斜溫層的數值模擬

斜溫層移動：令斜溫層以上介質質量為M，斜溫層之下介質質量為m。蓄熱時，冷介質抽出加熱后回到熱介質側，冷介質側為基準，設某時刻，流出冷介質質量為m1，斜溫層之下冷介質原來蘊含能量為Q1=mh，流出之后能量變為Q2=m2h，顯然Q1>Q2，為了保證冷介質的溫度恒定，則斜溫層向下移動，直至斜溫層到達底部，蓄熱結束。放熱過程則相反。

影響斜溫層的因素：斜溫層的厚度主要跟介質類型，介質進口流速，工作溫差，儲罐長徑比有關。對斜溫層厚度，理論計算很復雜，采用模擬手段直觀方便。

取三維立體建模分析，進出口流體速度均勻一致，流動為非穩定流動，罐內無周向流動和傳熱。計算結果顯示隨著時間的推移，斜溫層厚度逐漸累積，隨著蓄熱過程的發展，斜溫層逐漸下移。下圖1是不同時刻斜溫層位置及累積狀態。

中可以看出隨著時間的累積，斜溫層的厚度越來越厚。也就是說越靠近出口的位置，斜溫層的形成就越難，因此出口的設計要合理，否則出口流速不均勻會導致出口擾動，帶來對斜溫層的影響。在出口處要預留一定的出口距離。距離出口一定位置，斜溫層層流遭到破壞，出口溫度會產生波動。

2.2 儲罐斜溫層儲熱調峰數值模擬

斜溫層效率要靠合理的布水器結構來保證。目前布水器結構包括徑向布水裝置，直管布水裝置以及布水裝置等。合理選用布水結構，減小進出口水流擾動，最大限度降低進出水對斜溫層的影響，保持斜溫層的平流特性。

儲罐斜溫層儲熱計算模型如圖2所示。罐內充滿溫度為323k的低溫流體，在初始時刻t=0s開始，溫度為393k的均勻高溫流體從上部布水器的母管進入，經總管、連接管、噴嘴噴入罐體內，推動罐內低溫熔鹽流體在下部布水器的母管流出。應用CFX流體計算軟件進行數值模擬，從三維模擬結果中可以看出，高溫水緩慢進入罐體，逐步推動低溫水流出罐體，保證了罐內的層流狀態，保持了溫度梯度層的穩定運動。

3 結論

文中通過數值模擬，得到了斜溫層溫度分布規律，選擇合理的布水汽后得到系統熱量隨著時間的變化情況。斜溫層儲熱技術的模擬結果，為提高供熱機組的靈活調峰能力帶來了新的方向。

參考文獻

[1]左遠志，楊曉西，丁靜，等.操作參數對熔融鹽高溫斜溫層蓄熱性能的影響[J].工程熱物理學報，2012，33（5）：868-872.

（作者單位：哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司）