蒸汽蓄热器蓄能、释能特性研究

刘 瑞



蒸汽蓄热器蓄能、释能特性研究

刘 瑞

（中车南京浦镇车辆有限公司 南京 210031）

采用数值模拟的方法对蒸汽蓄热器蓄能、释能过程进行研究。通过分析蒸汽蓄热器蓄能和释能的热力过程，建立蒸汽蓄热器的数学模型，运用MATLAB软件进行模拟求解，得到了蓄能、释能过程动态特性曲线，明确了蒸汽蓄热器的蓄能和释能工况。本研究对蒸汽蓄热器的设计与应用具有重要意义。

蒸汽蓄热器；蓄能特性；释能特性；数值模拟

0 引言

能源是人类赖以生存和发展的基础，是推动社会经济向前发展的动力，能源的大量消耗不仅造成了能源价格的上涨，还给大自然带来了极大的破坏[1]。基于当前的能源形势，节能技术已经被提到了前所未有的高度。蒸汽蓄热器是实现蒸汽生产系统和用汽系统平稳连接的桥梁，能够达到供需双方连续而稳定的供、用汽平衡，从而保持系统运行负荷均衡，提高燃烧效率，节约能源。随着我国能源政策的不断调整以及节能工作的不断深入，蒸汽蓄热器将越来越被人们所重视，并且将在工业企业中得到广泛的应用。现在蒸汽蓄热器已广泛用于工业钢铁生产、电力供应以及企业生活用品生产，比如制糖、酿酒、化学和印染等行业，并取得不错的经济效益。

蒸汽蓄热器动静态特性直接影系统运行的经济性和安全性，已有部分学者进行了相关研究。文献[2-6]采用数值模拟方法对蒸汽蓄热器的运行特性进行研究，文献[7]建立了一小型蒸汽蓄热器热力试验系统，对卧式蒸汽蓄热器的充汽和放汽特性进行了试验研究，文献[8]运用热平衡模型以及欧拉算法对蒸汽蓄热器放热过程水空间的动态过程进行了分析，文献[9]用非热平衡数值模型来分析蒸汽蓄热器的蓄能和释能过程特性，研究了入口蒸汽焓值对水量和液面变化的影响。本文通过分析蒸汽蓄热器蓄能和释能的热力学过程，在假设容器内水和蒸汽热平衡的基础上建立了蒸汽蓄热器的数学模型，利用MATLAB等数学计算软件编写程序模拟蓄能、释能过程，并对不同控制模式下的模拟结果进行分析。本文的结论对于蓄热系统的设计及应用具有一定的指导意义。

1 数学模型的建立

蒸汽蓄热器的运行包括蓄能和释能两个过程：蓄能过程是由汽源向容器内充入饱和蒸汽或过热蒸汽的过程；释能过程是蓄热器内的饱和水降压自蒸发，释放的蒸汽供给用汽侧的过程。根据蓄能、释能过程的热力学特点建立蒸汽蓄热器的数学模型。

1.1 基本假设

蒸汽蓄热器内部分为水空间和汽空间，为了简化分析，对蒸汽蓄热器工作过程给出如下假设：

（1）任意时刻水空间和汽空间各自状态参数均匀一致，均为汽空间压力对应的饱和液体和饱和蒸汽，并处于热平衡状态；

（2）忽略蒸汽通过容器壁的做功和向环境的散热；

（3）放热过程中释放的蒸汽为饱和蒸汽；

（4）水的密度恒定，水蒸汽密度由理想气体状态方程=确定。

1.2 数学模型

对蒸汽蓄热器蓄能过程或释能过程进行计算分析，采用的模型如图1所示。某一时刻，蓄热器内饱和水的质量为M，比焓为h，饱和水蒸汽的质量为M，比焓为h；用于充热的高温高压蒸汽质量流量为1，比焓为1，放热过程出口的瞬时蒸汽质量流量为2，比焓为2，蓄热器内水的瞬时蒸发速率为3，比焓为3。

图1 蒸汽蓄热器模型示意图

根据上述模型建立以下守恒方程。

水空间和汽空间质量守恒：

水空间和汽空间能量守恒：

蓄能和释能过程均采用式（1）～（4）进行计算，对于在系统中采用与汽源并联方式的蒸汽蓄热器[10]，其蓄能过程数学模型中2=0，释能过程数学模型中1=0。

2 数值求解

2.1 蒸汽蓄热器蓄能过程特性

根据上述数学模型运用MATLAB软件编程对蒸汽蓄热器的蓄能过程进行模拟求解[11]。

从汽源出来的充热蒸汽是温度和压力参数均已确定的饱和蒸汽或过热蒸汽，其压力高于蒸汽蓄热器充热结束时容器内的压力。取迭代计算的时间步长为Δ，已知蒸汽蓄热器的容积为，充热蒸汽压力为0，温度为0，比焓为0。认为Δ时间内充热蒸汽质量流量恒定为0，设充热某一时刻水的体积为1，压力和温度分别为1、1，水和蒸汽的比焓分别为h1、h1，水和蒸汽的密度分别为ρ1、ρ1；经Δ时间充热后水的体积变为2，压力和温度分别为2、2，水和蒸汽的比焓分别为h2、h2，水和蒸汽的密度分别为ρ2、ρ2。

对蒸汽蓄热器充热Δ时间前后建立以下方程式。

质量守恒：

能量守恒：

饱和水、饱和水蒸汽的焓值分别采用已有文献中给出的饱和水、饱和水蒸气焓值随温度变化的函数[12]：

式（5）和式（6）中饱和水和饱和充热蒸汽的比焓，可用根据水和水蒸汽表中的数据拟合得到某一压力范围内比焓关于饱和压力的函数关系式（7）和式（8）计算，过热充热蒸汽的比焓则是关于压力和温度变化的因变量。式中水的密度为定值，水蒸汽的密度由理想气体状态方程确定。因此，相关热力参数均可写成压力或温度的函数。给定充热初始时刻水体积占容器容积的比值和初始压力，模拟计算得到不同条件下蓄能过程容器内压力的逐时变化曲线。

采用上述蓄能过程数学模型求解方法，分析不同充热蒸汽参数对蒸汽蓄热器充热特性的影响，主要考虑充热蒸汽压力和蒸汽流量这两个因素。

2.1.1 流量不变，改变充热蒸汽压力

模拟用压力在1MPa～6MPa范围内的饱和蒸汽对蒸汽蓄热器进行充热的过程。蓄热器内初始压力均为600kPa，充热蒸汽流量均为3kg/s，保持充热蒸汽流量恒定，采用不同饱和压力的蒸汽充热时蓄热器内逐时压力变化如图2所示。

充热蒸汽进入水空间冷凝放热给液态饱和水，一部分冷凝热用于提高水自身的参数，另一部分则用于水的汽化。充热饱和蒸汽的压力越高，冷凝为相同压力的饱和水时所释放的能量越多，加快了水的汽化和饱和水的蓄热，因此容器内压力上升得越快。随着充热的进行，能量以高压饱和水的形式储存在容器中，充热结束时容器内的压力必须低于充热蒸汽压力。

图2 恒定入口蒸汽流量充热过程蓄热器内压力变化

2.1.2 充热蒸汽压力不变，充热流量变化

实际运行过程中，汽源供应用汽侧后剩余的蒸汽进入蒸汽蓄热器进行充热，由于用汽侧需求的变化，充入蓄热器的蒸汽流量也会发生变化。图3所示为模拟充热蒸汽流量线性变化时蓄热器的工作过程得到的结果，充热蒸汽压力恒定为1MPa的饱和蒸汽，充热初始蒸汽流量为3kg/s。随着流量的增加，容器内压力上升的速率加快，因而表现为曲线。

图3 充热蒸汽流量线性变化蓄能过程

在实际的蓄能过程中，汽源和用汽侧的变化都会影响蓄热器的入口蒸汽参数，充热蒸汽流量和压力可能同时发生变化，并且不可能线性变化那么简单。因此，蓄热器蓄能工作过程的压力曲线通常也是无规则的。

2.2 蒸汽蓄热器释能过程特性

对蒸汽蓄热器放热Δ′时间前后建立以下方程式。

质量守恒：

能量守恒：

式（9）～（10）中，水和蒸汽的温度、密度参数均可通过与对应状态压力的变化关系求得，饱和水和饱和蒸汽的比焓，可用根据式（7）和式（8）计算，过热充热蒸汽的比焓则是关于压力和温度变化的因变量。式中水的密度为定值，水蒸汽的密度由理想气体状态方程确定。因此，相关热力参数均可写成压力或温度的函数。给定放热初始时刻水体积占容器容积的比值和初始压力，可模拟计算得到不同条件下释能过程蓄热器内压力的逐时变化曲线。

蓄热器的出口与蒸汽用户相连，其放热过程根据用户需求进行控制，常采用质量流量控制和压力控制两种模式。采用上述释能过程数学模型求解方法，分析不同控制模式对蒸汽蓄热器释能特性的影响，即出口流量控制模式和压力控制模式。

2.2.1 出口流量控制模式

图4 出口蒸汽流量线性变化释能过程

2.2.1 压力控制模式

压力控制模式即控制蓄热器出口蒸汽压力变化，本文模拟在简单的出口压力线性变化情况下蒸汽蓄热器的运行情况，取一定的蓄热器压降速率，可得到水量和出口蒸汽流量的逐时变化曲线，释放的总蒸汽量可由流量积分得到。采用压力控制模式的放热过程模拟结果如图5所示。压力随时间的递减速率均相同，而初始压力在0.8MPa～1.3MPa范围内取不同值（如图5（a）所示），得到图5（b）所示的蒸汽蓄热器出口蒸汽流量逐时变化情况。

（a）控制压力线性变化

（b）蓄热器出口蒸汽流量变化

图5 出口压力线性变化释能过程

Fig.5 Linear variation of outlet steam pressure during the process of discharging

随着容器内压力的降低，出口蒸汽流量会逐渐增大，且呈现递增速率加快的趋势。分析饱和水的比焓与对应饱和压力的关系可知，比焓随压力变化关系曲线的斜率随压力的减小而增大，因此随着释能过程的进行，单位压降所释放的能量逐渐增大，能使更多的饱和水蒸发，由此可解释出口蒸汽流量随压力降低而增大的现象[3]。给定的放热初始压力越高，同一时刻出口蒸汽流量越小，同样可用饱和水的比焓与对应饱和压力的关系曲线特点解释。因此，蒸汽蓄热器的释能量与放热初始压力和工作压差有关，放热初始压力越高，相同工作压差所释放的蒸汽量越少。

3 结论

本文通过分析蒸汽蓄热器蓄能和释能的热力学过程，在假设容器内水和蒸汽热平衡的基础上建立了蒸汽蓄热器的数学模型，根据数学模型分别对蓄能、释能过程进行模拟求解，得到蓄能、释能动态特性。通过对模拟结果的分析可得出如下结论：

（1）蒸汽蓄热器的蓄能过程容器内压力逐时增大；

（2）蒸汽蓄热器的蓄热速率与充热蒸汽流量和充热蒸汽压力有关，充热蒸汽流量越大、压力越高，容器的蓄热速率就越大，达到相同充热压力所需的时间就越少；

（3）蒸汽蓄热器的释能过程所释放的蒸汽压力和温度等参数虽然逐时减小，但出口蒸汽流量逐时增大；

（4）蒸汽蓄热器的释能量与放热初始压力和工作压差有关，放热初始压力越高，相同工作压差所释放的蒸汽量越少。

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Dynamic Characteristics of the Steam Accumulator Charging and Discharging

Liu Rui

( CRRC Nanjing Puzhen Co., Ltd, Nanjing, 210031 )

The thermodynamic processes of steam accumulator was analyzed in this paper, and the mathematical model of steam accumulator was established based on the mass and energy balance equations for each phase. By using MALTAB to simulate the process of charging and discharging, and the dynamic characteristics of the steam accumulator charging and discharging were obtained. This research has an important significance in the design and application of the steam accumulator.

Steam accumulator; Charging characteristics; Discharging characteristics; Numerical simulation

1671-6612（2017）05-537-05

TK223.3

A

2016-12-19

作者（通讯作者）简介：刘 瑞（1977-），女，本科，高级工程师，E-mail：19057407@qq.com