斜温层储热调峰系统的数值模拟

崔艳艳

摘 要：如今斜温层技术在光热、储热方面得到广泛应用，本文针对储热调峰斜温层技术进行论述，对单罐斜温层进行数值模拟，得到斜温层内的温度分布规律，并选择合理的布水结构，将斜温层技术与布水器结合，模拟分析储热调峰储罐内的温度的分布规律，为提高供热机组的灵活调峰能力带来了新的方向。

关键词：斜温层；储热调峰；数值模拟

0 引言

斜温层的基本原理就是以温度梯度层隔开冷热介质。斜温层单罐系统是一个罐同时储存高低温介质，比起传统冷热分存的双罐系统，投资大大降低。目前斜温层储热技术已经应用于光热发电储热、燃煤供热调峰、供冷电厂储冷等系统中。

1 斜溫层的应用领域

1.1 光热斜温层储热系统

光热发电储热系统通常采用冷热罐双罐储热系统，但是随着斜温层储热技术的发展，斜温层储热逐渐受到光热系统用户的关注。斜温层光热系统储热不仅降低了系统控制复杂度，减少罐体占地造价，同时降低了储热介质耗量，经济效益显著。

1.2 斜温层蓄冷系统

水蓄冷是利用电网的峰谷电价差，夜间采用冷水机组蓄冷，白天放冷而主机避峰运行的节能空调方式。水蓄冷空调是利用电网的峰谷电价差，具有投资小，运行可靠，制冷效果好，经济效益明显的特点，每年能为用户节省可观的中央空调年运行费用。可以平衡电网负荷，减少电厂投资，净化环境，符合国家产业政策发展方向。

1.3 燃煤供热电厂斜温层储热调峰系统

我国随着新能源电力所占比例不断加大，对燃煤机组的运行灵活性和深度调峰能力提出了越来越高的要求，通过增加储热调峰系统，扩大热电联产的运行负荷变化范围，使机组在用电负荷高供暖负荷低的白天进行热水储能，夜间用电负荷低供热负荷高时由储能系统进行供热调峰，可以在保证供热能力满足要求的基础上提高机组运行的灵活度，使热电联产机组参与调峰成为可能。

为适应电价的波动，灵活调整热电配比，增加电站收益。在电价低谷时少发电多储热，利用蓄热系统将电厂廉价的热能蓄存于水罐内，在电价高位时，多发电，蓄热罐与热电厂联合供热。既满足了电网低谷限电的要求，又能充分发挥机组效率，为电厂实现最大收益。

2 斜温层储热调峰系统简介

储热调峰系统由罐体、布水盘、蓄热泵、放热泵等设备组成。单罐系统冷热介质存在一个单罐中，斜温层罐利用密度与温度冷热之间的关系，当高温介质在罐的顶部被高温泵抽出，经过换热器冷却后，由罐的底部进入罐内时，或者当低温介质在罐的底部被低温泵抽出，经过换热器加热后，由罐的顶部进入罐内时，在罐的中间会存在一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层。

2.1 斜温层的数值模拟

斜温层移动：令斜温层以上介质质量为M，斜温层之下介质质量为m。蓄热时，冷介质抽出加热后回到热介质侧，冷介质侧为基准，设某时刻，流出冷介质质量为m1，斜温层之下冷介质原来蕴含能量为Q1=mh，流出之后能量变为Q2=m2h，显然Q1>Q2，为了保证冷介质的温度恒定，则斜温层向下移动，直至斜温层到达底部，蓄热结束。放热过程则相反。

影响斜温层的因素：斜温层的厚度主要跟介质类型，介质进口流速，工作温差，储罐长径比有关。对斜温层厚度，理论计算很复杂，采用模拟手段直观方便。

取三维立体建模分析，进出口流体速度均匀一致，流动为非稳定流动，罐内无周向流动和传热。计算结果显示随着时间的推移，斜温层厚度逐渐累积，随着蓄热过程的发展，斜温层逐渐下移。下图1是不同时刻斜温层位置及累积状态。

中可以看出随着时间的累积，斜温层的厚度越来越厚。也就是说越靠近出口的位置，斜温层的形成就越难，因此出口的设计要合理，否则出口流速不均匀会导致出口扰动，带来对斜温层的影响。在出口处要预留一定的出口距离。距离出口一定位置，斜温层层流遭到破坏，出口温度会产生波动。

2.2 储罐斜温层储热调峰数值模拟

斜温层效率要靠合理的布水器结构来保证。目前布水器结构包括径向布水装置，直管布水装置以及布水装置等。合理选用布水结构，减小进出口水流扰动，最大限度降低进出水对斜温层的影响，保持斜温层的平流特性。

储罐斜温层储热计算模型如图2所示。罐内充满温度为323k的低温流体，在初始时刻t=0s开始，温度为393k的均匀高温流体从上部布水器的母管进入，经总管、连接管、喷嘴喷入罐体内，推动罐内低温熔盐流体在下部布水器的母管流出。应用CFX流体计算软件进行数值模拟，从三维模拟结果中可以看出，高温水缓慢进入罐体，逐步推动低温水流出罐体，保证了罐内的层流状态，保持了温度梯度层的稳定运动。

3 结论

文中通过数值模拟，得到了斜温层温度分布规律，选择合理的布水汽后得到系统热量随着时间的变化情况。斜温层储热技术的模拟结果，为提高供热机组的灵活调峰能力带来了新的方向。

参考文献

[1]左远志，杨晓西，丁静，等.操作参数对熔融盐高温斜温层蓄热性能的影响[J].工程热物理学报，2012，33（5）：868-872.

（作者单位：哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司）