某大型斜溫層儲(chǔ)水罐布水器設(shè)計(jì)

高良軍, 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱150028;2.哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱150090）

0 引言

2016年6月28日，國(guó)家能源局綜合司發(fā)布《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于下達(dá)火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知》[1]，將丹東電廠等16個(gè)煤電站確定為提升火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目。拉開了我國(guó)燃煤供暖電站調(diào)峰改造的序幕。斜溫層儲(chǔ)水技術(shù)作為靈活性改造的一個(gè)重要的技術(shù)方向，對(duì)調(diào)峰改造系統(tǒng)有著積極的作用[2]。

但是由于技術(shù)起步晚，斜溫層儲(chǔ)熱罐在我國(guó)尚屬前沿技術(shù)，無(wú)應(yīng)用實(shí)例。斜溫層儲(chǔ)水系統(tǒng)將冷熱水存在一個(gè)單罐中，在蓄熱[3]和放熱過程中，冷介質(zhì)和熱介質(zhì)會(huì)相互接觸，在接觸區(qū)域形成一個(gè)溫度斜溫層。上部熱介質(zhì)與下部冷介質(zhì)分別保持溫度的恒定。換熱過程中罐的中間會(huì)存在一個(gè)溫度梯度很大的自然分層，使得斜溫層以上流體保持高溫，斜溫層以下流體保持低溫[4]。隨著換熱過程的進(jìn)行，斜溫層會(huì)上下移動(dòng)，以確保抽出的介質(zhì)能夠保持恒溫。當(dāng)斜溫層到達(dá)罐的頂部或底部時(shí)，抽出的熔融鹽液的溫度會(huì)發(fā)生顯著變化，為了維持罐內(nèi)溫度梯度分層，就必須嚴(yán)格控制液體鹽液的注入和出料過程。我國(guó)應(yīng)用廣泛的斜溫層技術(shù)為空調(diào)蓄冷結(jié)構(gòu)[5]。在空調(diào)蓄冷裝置中，布液器大部分采用PV等材料。而針對(duì)電站靈活性改造項(xiàng)目的儲(chǔ)水罐，儲(chǔ)水高溫在100℃左右，因此塑質(zhì)材料已經(jīng)不再適應(yīng)。開發(fā)新型不銹鋼材質(zhì)布水器成了制約儲(chǔ)熱水罐技術(shù)發(fā)展的主要問題。本文針對(duì)東北某電廠儲(chǔ)熱調(diào)峰改造項(xiàng)目，完成對(duì)大型斜溫層儲(chǔ)熱水罐布水器的設(shè)計(jì)研究，旨在推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

1 項(xiàng)目概述

該項(xiàng)目作為國(guó)家首批靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目，通過對(duì)電廠運(yùn)行資料的分析，以及對(duì)熱網(wǎng)的運(yùn)行分析，包括熱網(wǎng)未來(lái)承擔(dān)負(fù)荷預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確確定熱電解耦時(shí)間，確定蓄熱量。儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用斜溫層單罐儲(chǔ)熱形式，通過采用儲(chǔ)熱系統(tǒng)，靈活機(jī)組調(diào)峰。蓄熱系統(tǒng)采用的是直連方式[6]，及蓄熱器直接并入熱網(wǎng)，儲(chǔ)存熱網(wǎng)水。系統(tǒng)每日循環(huán)工作。

儲(chǔ)熱系統(tǒng)罐體設(shè)計(jì)總儲(chǔ)熱量為1146 MW，設(shè)計(jì)配置兩臺(tái)儲(chǔ)熱罐，系統(tǒng)目前采用常壓設(shè)計(jì)方案[7。]系統(tǒng)由罐體、布水盤、水位控制器、排水系統(tǒng)、安全裝置、溫度及壓力測(cè)量裝置、自控監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)裝置、蓄熱泵、放熱泵等設(shè)備組成。

表1 罐體設(shè)計(jì)結(jié)果

2 布水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了盡可能減低湍流，水的注入和出料結(jié)構(gòu)（即布水器）要求比較高。罐內(nèi)上下有獨(dú)立的布水器，組成兩個(gè)流程，分別供蓄熱和放熱工作狀態(tài)使用。斜溫層效率要靠合理的布水器結(jié)構(gòu)來(lái)保證。目前主流布水器結(jié)構(gòu)包括徑向布水裝置[8]，直管布水裝置[9]以及八角布水裝置[10]等，可依據(jù)不同罐體大小選擇合適的布水結(jié)構(gòu)。

由于本項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐直徑較大，不宜采用直接徑向或者直管的布水裝置。設(shè)計(jì)采用八邊形布水器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利于大直徑布水器的支撐設(shè)計(jì)，而且能達(dá)到較好的控制水流速度和方向的效果。由于儲(chǔ)罐尺寸較大，布水器裝置尺寸也較大，為了達(dá)到較好的支撐，采用鋼架支撐給水總管，然后斜向加支撐管支撐布水盤。熱端進(jìn)口布水器計(jì)算時(shí)，按照6 h將儲(chǔ)罐熱量?jī)?chǔ)滿，6 h熱量釋放完計(jì)算。

熱水布水器淹沒在正常水位里，噴嘴朝上設(shè)計(jì)，以最大限度減少對(duì)斜溫層的擾動(dòng)。冷水布水器布置在罐底，噴嘴朝下設(shè)計(jì)，以最大限度減少對(duì)斜溫層的擾動(dòng)。

本項(xiàng)目布水器結(jié)構(gòu)包括母管、分配管、八角形支管、聯(lián)通管及支撐組成。布水器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于噴嘴流量的控制。本項(xiàng)目采用八角型布水器設(shè)計(jì)，母管進(jìn)水經(jīng)過4個(gè)總管將水流帶到各八邊形管路中，噴入到儲(chǔ)罐內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制噴嘴的出口雷諾數(shù)，保證噴嘴出口的層流特性，避免擾動(dòng)斜溫層結(jié)構(gòu)。進(jìn)水流速要盡可能低，以保證對(duì)斜溫層的最小擾動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)控制弗洛德數(shù)小于2，雷諾數(shù)小于2000。

詳細(xì)計(jì)算流路壓損，對(duì)每一排八邊形管路的噴嘴孔徑加以控制，均衡每個(gè)噴嘴的噴流量，盡可能降低最大噴流與最小噴流的差，以達(dá)到均衡進(jìn)水的目的。設(shè)計(jì)的布水器結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：布水器支管分布均勻，支撐均勻，可靠性強(qiáng)；圈數(shù)設(shè)計(jì)靈活，筒徑變化適應(yīng)性強(qiáng)；八角分配，水流分配均勻，液面擾動(dòng)?。恍》娇酌芘旁O(shè)計(jì)，保證出水及進(jìn)液的層流特性；整體設(shè)備控制簡(jiǎn)化，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及安全性。

圖1 八角布水器結(jié)構(gòu)

布水口采用方孔設(shè)計(jì)，布置間距為50 mm，開孔角度為徑向120℃，開孔寬度為8 mm。每一圈根據(jù)流量均衡分配原則設(shè)計(jì)開孔數(shù)，保證孔出口流體雷諾數(shù)在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)（本項(xiàng)目設(shè)計(jì)雷諾數(shù)為850）。

3 布水器模擬分析

本系統(tǒng)采用八邊形布水器，上部布水器進(jìn)水從布水管的上方開孔流入到儲(chǔ)罐中，出口保持層流特性，上出水可以有效減小水的動(dòng)力特性，控制水流對(duì)斜溫層的影響。

下部布水器結(jié)構(gòu)與上部布水器結(jié)構(gòu)類似，也采用八角型結(jié)構(gòu)。由于水的物性變化，導(dǎo)致出水口個(gè)數(shù)變化。出水時(shí)，出水從布水器下方的開孔進(jìn)入分流管，然后再匯入總管。將實(shí)體進(jìn)行等比例建模，進(jìn)行進(jìn)水分析。

使用Unigraphics NX[11]建立布水器計(jì)算的三維模型。由于整個(gè)布水器結(jié)構(gòu)龐大，而開孔數(shù)眾多，且孔徑較小，因此采用整體結(jié)構(gòu)模型會(huì)造成網(wǎng)格無(wú)法劃分。因此需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[12]。采用等效模型簡(jiǎn)化，可以保證整個(gè)分析過程的可行性，以及分析結(jié)果的可靠性。針對(duì)本項(xiàng)目模型簡(jiǎn)化的目的是減少計(jì)算量，保證網(wǎng)格劃分以及計(jì)算量在計(jì)算機(jī)承受的范圍之內(nèi)。簡(jiǎn)化的方法是減少八角圈數(shù)，保證流通面積比例的一致性，?；瘍?chǔ)熱罐筒體直徑以及八角直徑。簡(jiǎn)化模型采用等效簡(jiǎn)化方法，保證了模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的合理統(tǒng)一，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

將三維模型導(dǎo)入ANSYS Icem中繪制計(jì)算網(wǎng)格[13]，采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格繪制完成后，使用CFX進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算收斂后保存計(jì)算結(jié)果。采用CFX進(jìn)行結(jié)果處理分析[14]。

圖2是布水器的建模圖。從三維模擬結(jié)果中可以看出，高溫水緩慢進(jìn)入罐體，保證了罐內(nèi)的層流狀態(tài)，保持了溫度梯度層的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

圖2 八角布水器流動(dòng)模擬

4 結(jié)論

斜溫層儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展，為提高供熱機(jī)組的靈活調(diào)峰能力帶來(lái)了新的方向。斜溫層技術(shù)主要在于儲(chǔ)罐中的布水器裝置。通過優(yōu)化布水器的設(shè)計(jì)，控制進(jìn)料與出液的流動(dòng)，保證斜溫層的形成效率。結(jié)合項(xiàng)目具體需求，根據(jù)儲(chǔ)水罐的大小合理設(shè)計(jì)八角布水器的圈數(shù)以及開孔，輔助以流場(chǎng)分析設(shè)計(jì)，通過流場(chǎng)分析可以看出布水器在運(yùn)行狀態(tài)下斜溫層的形成，保證布水器結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)也保證了斜溫層儲(chǔ)水罐的運(yùn)行效率。本設(shè)計(jì)為后續(xù)燃煤電站靈活性改造設(shè)備供貨自主化提供了技術(shù)保障[15]。

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