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某大型斜温层储水罐布水器设计

更新时间:2009-03-28

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

  

项目 常压系统罐体设计温度/℃ 100罐体设计压力/MPa 0.107罐内高温/℃ 95罐内低温/℃ 65最大介质流量/(t·h-1) 2730.8介质有效容积/m3 17 100储罐直径/m 24储罐直壁高度/m 41

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。

但在升学考试中,我们往往只有10至15分钟的演奏时间,所以炫技与音乐性两方面的平衡就至关重要,这就是为什么贝多芬《降E大调第二十六奏鸣曲》(“告别”)如此受欢迎的原因。因为在短暂的开头里,有慢板、快板、双音等诸多技术点,一目了然。这也是为什么诸如李斯特《奥伯曼山谷》之类的作品并不适合考学,尽管我个人非常喜欢《奥伯曼山谷》,但在极长的时间里,其技术点及音乐形象鲜有转变。

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。

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。

云南省与老挝、缅甸和越南接壤,国境线长4 060 km,边境生态安全十分重要。云南省有的保护区直接与国外相连,如铜壁关保护区、麻栗坡老山自然保护区、西双版纳自然保护区等。以西双版纳为例,全州国境线长966 km,境内的西双版纳国家级自然保护区的勐腊、尚勇2个片区和易武州级自然保护区均与老挝接壤,布龙州级自然保护区则与缅甸相连。为了加强边境一线的生态安全,西双版纳国家级自然保护区管理部门与老挝有关部门建立了长220 km、总面积约20万hm2的联合保护区域。联合保护区域的建立,极大地保护了两国边境一线的生物多样性,为构建两国间的生态安全屏障发挥积极的作用。

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。

二是近期市场波动强烈。受中东地区局势变化,以及美对中东地区政策调整影响,10月中旬以来,国际油价波动显著加强。以纽约期货原油为例,10月初,最高交易价冲高至76.9美元/桶,但到10月下旬,油价一度快速回落至66美元/桶以下,跌幅近15%。其间10月23日,油价每桶大跌3.08美元,跌幅达4.5%,振幅达5.7%。受此影响,一些大宗石化产品也出现了大幅震荡行情,持续下跌,市场信心严重受挫。

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。

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。

  

图1 八角布水器结构

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。

3 布水器模拟分析

式中:Sa为应力幅,MPa;S-1为材料疲劳极限,MPa;Sb为强度极限,MPa;Sm为平均应力,MPa。

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)。

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。

3)历史数据查询与汇总。上机位软件可对PLC控制层上传的数据进行分类存储,并在需要的时候进行检索、查询和对比,并最终以图表形式呈现,方便集中管理。

  

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.

[2] 焦庆丰,唐圭章.65 MW机组启调峰技术改造及运行[J].湖南电力,2000(2):50-52.

[3] 杨小平,杨晓西,丁静,等.太阳能高温热发电蓄热技术研究进展[J].热能动力工程,2011,26(1):1-6.

[4] 崔海亭,杨锋.蓄热技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.

[5] 方贵银,陈则韶.空调水蓄冷过程试验研究[J].制冷,2000(1):5-8.

[6] 李志平,翁杰.混水直连供热系统的节能分析[J].河北电力技术,2004,23(4):47-49.

[7] 李博.大型低温常压储罐的制造[J].中国石油和化工标准与质量,2013(12):106.

[8] 谢飞利,张鹏辉.布水器结构的改进[J].河南科技,1993(3):20.

[9] 刘振义,陆跃武.布液装置的研究[J].中国乳品工业,1992(5):202-206.

[10] 穆迪,高乃平,朱彤,等.温度分层型水蓄冷槽斜温层的动态特性模拟[J].节能技术,2014(5):404-409.

[11] 田卫军,李郁.UGNX曲面建模实例教程[M].西安:西北工业大学出版社,2010.

[12] 杜平安.建立有限元模型的基本原则[J].机械与电子,2001,1(4):40-42.

[13] 纪兵兵,陈金瓶.ANSYSICEMCFD网格划分技术实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[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.

 
高良军,姜晓霞
《机械工程师》 2018年第05期
《机械工程师》2018年第05期文献

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