輔助加熱氣體焓值與太陽能熱氣流發電系統煙囪特性的數值模擬

內蒙古科技大學 能源與環境學院 ■ 陳俊俊 郭天明 龐赟佶 陳義勝 牛永紅 王曉彤

0 引言

隨著對石化資源依賴的不斷加深及環境保護意識的不斷加強，清潔能源的開發和利用越來越受到認同和關注。1978年德國人Schlaich J首先提出了太陽能熱氣流發電技術，1981年西班牙的Manzanares建造了第一座實驗電站，1983年Haafw等以西班牙原型實驗電站為依據進行了基礎研究，驗證了太陽能熱氣流發電系統的可行性，為理論分析和數值模擬提供了經典依據[1-2]。太陽能熱氣流發電技術是利用太陽能將集熱棚內的空氣加熱，然后匯聚到集熱棚中心，并沿著煙囪流道上升，進而使煙囪底部產生較大動能推動渦輪機組做功發電。目前，這項技術未被廣泛應用，主要是因為其發電效率低于1%，集熱棚占地面積過大，煙囪高度過高，從而造成其初期投資成本過高，如30 MW的電站需建造750 m高的煙囪[3]。文獻[4]針對太陽能熱氣流發電系統，研究了二次輔助加熱和煙囪高度的變化關系，得出了在煙囪內部對上升氣流進行二次輔助加熱，可增大氣體內能，增加氣流速度，在保證發電機組正常運行的情況下，可降低煙囪高度的結論。

本文基于內蒙古烏海金沙沙漠地區的200 kW太陽能熱氣流發電站課題研究，探討了輔助加熱氣體的焓值變化對煙囪特性的影響。

1 系統模型的建立

1.1 模型的結構參數

圖1 輔助加熱式太陽能熱氣流發電系統的物理模型

采用200 kW太陽能熱氣流發電站項目的結構數據進行建模[5](如圖1所示)，集熱棚采用圓形布置，其半徑為80 m，入口高度為4 m，坡度為0.05°；煙囪直徑18 m，高度為100 m；輔助加熱部件位于距地面高45 m處[4]，矩形加熱口，每個面積為1.57 m2，在同一高度均勻對稱分布4個。

1.2 模型假設

1)為簡化模型，不考慮系統內部設備對空氣流動的影響。

2)將蓄熱層吸收的太陽輻射能簡化為蓄熱層上表面的恒定溫度。

3)空氣密度變化采用Boussinesq近似模型。

4)煙囪壁面和集熱棚壁面為絕熱壁面。

5)系統內部的流動過程為穩態、常物性。

1.3 邊界條件

三維模型如圖1所示，計算區域的邊界包括壓力入口條件、壓力出口條件、無滑移的壁面邊界條件，輔助加熱部件采用速度進口邊界條件。蓄熱層上表面溫度為350 K，周圍環境溫度為300 K。集熱棚入口及煙囪出口的相對壓強為0 Pa。

2 數值模擬

2.1 網格劃分

輔助加熱式太陽能熱氣流發電系統整體采用三維模型進行網格劃分，將模型分為3個區域，分別進行網格劃分，網格總數約為72萬個，以得到較高的網格質量，如圖2所示。其中煙囪區域和集熱棚區域，網格采用六面體網格元素劃分為結構型網格，如圖3所示。煙囪與集熱棚的連接區域，網格采用四面體元素劃分為非結構型網格，以達到把主要區域連接在一起的目的，如圖4所示。集熱棚底部利用邊界層網格進行劃分，目的是在邊界附近產生高質量的網格單元，用于捕捉邊界附近的熱交換現象。

圖2 輔助加熱式太陽能熱氣流發電系統整體網格劃分

圖3 煙囪和輔助加熱部位的網格劃分

圖4 煙囪和集熱棚連接部位的網格劃分

2.2 模型參數

Fluent軟件的計算模擬參數選用3D形式，基于壓力的穩態計算模型。方程閉合選用k-ε標準湍流雙方程模型，并考慮浮升力的影響，壁面處理采用標準壁面函數法。壓力-速度的耦合采用SIMPLE算法，動量方程、能量方程及其他方程的擴散-對流項，均采用二階迎風格式[5-7]。

空氣密度變化采用Boussinesq近似模型，除動量方程中的浮力項外，這種模型在其他需求解的方程中，密度視為常數。其動量方程中浮力項的處理，選用密度ρ與體積膨脹系數β，其表達式為：

式中：ρ0為流體的密度(常數)；T為系統內氣流溫度；T0為操作(周圍環境)溫度；g為當地的重力加速度。

3 計算結果分析

模擬計算結果及輔助加熱煙囪底部氣流平均速度隨各參數變化情況見表1。

圖5為煙囪底部氣流平均速度隨輔助加熱氣體的進氣量變化情況。由圖5可知，煙囪底部氣流平均速度隨輔助加熱氣體的進氣量的增加而增大，同時隨進氣流溫度的增加而增大，并且其輔助加熱的速度明顯比無輔助加熱時的速度增加了很多。速度的增加幅度變緩；焓值小于7×104kJ/s時，速度的增加幅度較大，所以進入煙囪內部的氣體焓值應小于這一拐點，則煙囪底部的速度增加會比較明顯。這種曲線關系，對研究煙囪底部平均速度的變化情況，具有工程實際意義。

表1 輔助加熱煙囪底部氣流平均速度隨各參數變化情況

圖5 煙囪底部氣流平均速度隨輔助加熱氣體的進氣量變化曲線

圖6 煙囪底部相對速度增加的百分比隨輔助加熱氣體的焓值的變化曲線

圖6為煙囪底部輔助加熱相對于無輔助加熱平均速度增加的百分比隨輔助加熱氣體焓值的變化情況。由圖6可知，當把輔助加熱氣體的溫度、相應溫度的比熱和氣體的進氣量相乘組合成一個變量焓時，則輔助加熱氣體的唯一變量的焓值變化，可更好地分析其對煙囪底部速度場的影響。所以隨著輔助加熱氣體焓值的增大，在不同溫度下，煙囪底部相對平均速度增加的百分比近似重疊成一條曲線。且當輔助加熱氣體的焓值約為7×104kJ/s時，出現拐點。焓值大于7×104kJ/s時，

圖7為輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值隨輔助加熱氣體的進氣量的變化情況。由圖7可見，隨著輔助加熱氣體進氣量的增加，輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值隨之增大，且在一定溫度下，隨著進氣量的增加，曲線由線性增加變成趨于一個固定常數。

圖7 輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值隨輔助加熱氣體的進氣量變化曲線

圖8 輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值隨輔助加熱氣體的焓值的變化曲線

圖8是輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值隨輔助加熱氣體焓值的變化情況。由圖8可知，輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值隨著輔助加熱氣體的焓值變化近似重疊成一條曲線關系，且當輔助加熱氣體的焓值約為4×104kJ/s時，出現拐點。焓值大于4×104kJ/s時，比值增加的幅度變緩；焓值小于4×104kJ/s時，比值增加的幅度較大。結合圖9煙囪底部的動能隨輔助加熱氣體的焓值變化情況，由此可知，隨著輔助加熱氣體焓值的增大，煙囪底部的動能也成線性關系的趨勢隨之增大。但是，由于這一比值是低品位能量的輸入與高品位能量的輸出的關系，因此為了有效利用能源，輔助加熱的焓值不能無限增大，當焓值達到約4×104kJ/s時，輔助加熱焓值與煙囪底部動能的比值趨于一個固定常數，則再增加相同單位的焓值，動能的增加量不再增加。所以，輔助加熱焓值的最優區間約為40×103kJ/s，最能有效利用系統中的能源。

圖9 煙囪底部的動能隨輔助加熱氣體的焓值的變化曲線

4 結論

綜上所述，可得出以下結論：1) 在煙囪高度不變的情況和輔助加熱的方式下，輔助加熱氣體焓值的變化對煙囪內的速度場有一定影響。當輔助加熱氣體的組合焓值為6×104～8×104kJ/s時，煙囪底部平均速度比無輔助加熱時增大了60%～73%，所以提高了煙囪的抽吸能力。2) 輔助加熱氣體的焓值有一個最優區間，可使煙囪底部動能的增加達到一個最優值。當輔助加熱的焓值超過最優點時，焓與動能的比值趨于一個固定的常數，繼續增加輔助氣體的焓值對系統動能的增加沒有明顯的效果，所以輔助加熱焓值的最優區間約為4×104kJ/s。3) 組合焓值的分析對于輔助加熱氣體溫度和進氣量的確定提供了參考，對工程實踐具有指導意義。

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