某大型斜温层储水罐布水器设计

高良军, 姜晓霞

（1.哈电股份中央研究院，哈尔滨150028;2.哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨150090）

0 引言

2016年6月28日，国家能源局综合司发布《国家能源局综合司关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》[1]，将丹东电厂等16个煤电站确定为提升火电灵活性改造试点项目。拉开了我国燃煤供暖电站调峰改造的序幕。斜温层储水技术作为灵活性改造的一个重要的技术方向，对调峰改造系统有着积极的作用[2]。

但是由于技术起步晚，斜温层储热罐在我国尚属前沿技术，无应用实例。斜温层储水系统将冷热水存在一个单罐中，在蓄热[3]和放热过程中，冷介质和热介质会相互接触，在接触区域形成一个温度斜温层。上部热介质与下部冷介质分别保持温度的恒定。换热过程中罐的中间会存在一个温度梯度很大的自然分层，使得斜温层以上流体保持高温，斜温层以下流体保持低温[4]。随着换热过程的进行，斜温层会上下移动，以确保抽出的介质能够保持恒温。当斜温层到达罐的顶部或底部时，抽出的熔融盐液的温度会发生显著变化，为了维持罐内温度梯度分层，就必须严格控制液体盐液的注入和出料过程。我国应用广泛的斜温层技术为空调蓄冷结构[5]。在空调蓄冷装置中，布液器大部分采用PV等材料。而针对电站灵活性改造项目的储水罐，储水高温在100℃左右，因此塑质材料已经不再适应。开发新型不锈钢材质布水器成了制约储热水罐技术发展的主要问题。本文针对东北某电厂储热调峰改造项目，完成对大型斜温层储热水罐布水器的设计研究，旨在推进技术发展，实现设备国产化。

1 项目概述

该项目作为国家首批灵活性改造试点项目，通过对电厂运行资料的分析，以及对热网的运行分析，包括热网未来承担负荷预测，准确确定热电解耦时间，确定蓄热量。储热系统采用斜温层单罐储热形式，通过采用储热系统，灵活机组调峰。蓄热系统采用的是直连方式[6]，及蓄热器直接并入热网，储存热网水。系统每日循环工作。

储热系统罐体设计总储热量为1146 MW，设计配置两台储热罐，系统目前采用常压设计方案[7。]系统由罐体、布水盘、水位控制器、排水系统、安全装置、温度及压力测量装置、自控监测调节装置、蓄热泵、放热泵等设备组成。

表1 罐体设计结果

2 布水器结构设计

为了尽可能减低湍流，水的注入和出料结构（即布水器）要求比较高。罐内上下有独立的布水器，组成两个流程，分别供蓄热和放热工作状态使用。斜温层效率要靠合理的布水器结构来保证。目前主流布水器结构包括径向布水装置[8]，直管布水装置[9]以及八角布水装置[10]等，可依据不同罐体大小选择合适的布水结构。

由于本项目储罐直径较大，不宜采用直接径向或者直管的布水装置。设计采用八边形布水器结构，这种结构利于大直径布水器的支撑设计，而且能达到较好的控制水流速度和方向的效果。由于储罐尺寸较大，布水器装置尺寸也较大，为了达到较好的支撑，采用钢架支撑给水总管，然后斜向加支撑管支撑布水盘。热端进口布水器计算时，按照6 h将储罐热量储满，6 h热量释放完计算。

热水布水器淹没在正常水位里，喷嘴朝上设计，以最大限度减少对斜温层的扰动。冷水布水器布置在罐底，喷嘴朝下设计，以最大限度减少对斜温层的扰动。

本项目布水器结构包括母管、分配管、八角形支管、联通管及支撑组成。布水器的设计关键在于喷嘴流量的控制。本项目采用八角型布水器设计，母管进水经过4个总管将水流带到各八边形管路中，喷入到储罐内。设计时严格控制喷嘴的出口雷诺数，保证喷嘴出口的层流特性，避免扰动斜温层结构。进水流速要尽可能低，以保证对斜温层的最小扰动。设计时控制弗洛德数小于2，雷诺数小于2000。

详细计算流路压损，对每一排八边形管路的喷嘴孔径加以控制，均衡每个喷嘴的喷流量，尽可能降低最大喷流与最小喷流的差，以达到均衡进水的目的。设计的布水器结构具有如下优点：布水器支管分布均匀，支撑均匀，可靠性强；圈数设计灵活，筒径变化适应性强；八角分配，水流分配均匀，液面扰动小；小方孔密排设计，保证出水及进液的层流特性；整体设备控制简化，提升系统经济性及安全性。

图1 八角布水器结构

布水口采用方孔设计，布置间距为50 mm，开孔角度为径向120℃，开孔宽度为8 mm。每一圈根据流量均衡分配原则设计开孔数，保证孔出口流体雷诺数在设计范围以内（本项目设计雷诺数为850）。

3 布水器模拟分析

本系统采用八边形布水器，上部布水器进水从布水管的上方开孔流入到储罐中，出口保持层流特性，上出水可以有效减小水的动力特性，控制水流对斜温层的影响。

下部布水器结构与上部布水器结构类似，也采用八角型结构。由于水的物性变化，导致出水口个数变化。出水时，出水从布水器下方的开孔进入分流管，然后再汇入总管。将实体进行等比例建模，进行进水分析。

使用Unigraphics NX[11]建立布水器计算的三维模型。由于整个布水器结构庞大，而开孔数众多，且孔径较小，因此采用整体结构模型会造成网格无法划分。因此需要对模型结构进行简化处理[12]。采用等效模型简化，可以保证整个分析过程的可行性，以及分析结果的可靠性。针对本项目模型简化的目的是减少计算量，保证网格划分以及计算量在计算机承受的范围之内。简化的方法是减少八角圈数，保证流通面积比例的一致性，模化储热罐筒体直径以及八角直径。简化模型采用等效简化方法，保证了模拟结果与真实结果的合理统一，具有实际的指导意义。

将三维模型导入ANSYS Icem中绘制计算网格[13]，采用六面体非结构化网格。网格绘制完成后，使用CFX进行计算，计算收敛后保存计算结果。采用CFX进行结果处理分析[14]。

图2是布水器的建模图。从三维模拟结果中可以看出，高温水缓慢进入罐体，保证了罐内的层流状态，保持了温度梯度层的稳定运动。

图2 八角布水器流动模拟

4 结论

斜温层储热技术的发展，为提高供热机组的灵活调峰能力带来了新的方向。斜温层技术主要在于储罐中的布水器装置。通过优化布水器的设计，控制进料与出液的流动，保证斜温层的形成效率。结合项目具体需求，根据储水罐的大小合理设计八角布水器的圈数以及开孔，辅助以流场分析设计，通过流场分析可以看出布水器在运行状态下斜温层的形成，保证布水器结构的合理性，同时也保证了斜温层储水罐的运行效率。本设计为后续燃煤电站灵活性改造设备供货自主化提供了技术保障[15]。

［参考文献］

[1] 国家能源局综合司.国家能源局综合司关于下达火电灵活性改造试点项目的通知[Z].2016.

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[14] 谢龙汉,赵新宇,张炯明.ANSYSCFX流体分析及仿真[M].北京：电子工业出版社,2012.

[15] 姜慧,崔国民,倪锦,等.调峰电厂联合循环余热锅炉改造案例及分析[J].上海理工大学学报,2010,32(1)：40-43.