某大型斜溫層儲水罐布水器設計

高良軍, 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱150028;2.哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱150090）

0 引言

2016年6月28日，國家能源局綜合司發布《國家能源局綜合司關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》[1]，將丹東電廠等16個煤電站確定為提升火電靈活性改造試點項目。拉開了我國燃煤供暖電站調峰改造的序幕。斜溫層儲水技術作為靈活性改造的一個重要的技術方向，對調峰改造系統有著積極的作用[2]。

但是由于技術起步晚，斜溫層儲熱罐在我國尚屬前沿技術，無應用實例。斜溫層儲水系統將冷熱水存在一個單罐中，在蓄熱[3]和放熱過程中，冷介質和熱介質會相互接觸，在接觸區域形成一個溫度斜溫層。上部熱介質與下部冷介質分別保持溫度的恒定。換熱過程中罐的中間會存在一個溫度梯度很大的自然分層，使得斜溫層以上流體保持高溫，斜溫層以下流體保持低溫[4]。隨著換熱過程的進行，斜溫層會上下移動，以確保抽出的介質能夠保持恒溫。當斜溫層到達罐的頂部或底部時，抽出的熔融鹽液的溫度會發生顯著變化，為了維持罐內溫度梯度分層，就必須嚴格控制液體鹽液的注入和出料過程。我國應用廣泛的斜溫層技術為空調蓄冷結構[5]。在空調蓄冷裝置中，布液器大部分采用PV等材料。而針對電站靈活性改造項目的儲水罐，儲水高溫在100℃左右，因此塑質材料已經不再適應。開發新型不銹鋼材質布水器成了制約儲熱水罐技術發展的主要問題。本文針對東北某電廠儲熱調峰改造項目，完成對大型斜溫層儲熱水罐布水器的設計研究，旨在推進技術發展，實現設備國產化。

1 項目概述

該項目作為國家首批靈活性改造試點項目，通過對電廠運行資料的分析，以及對熱網的運行分析，包括熱網未來承擔負荷預測，準確確定熱電解耦時間，確定蓄熱量。儲熱系統采用斜溫層單罐儲熱形式，通過采用儲熱系統，靈活機組調峰。蓄熱系統采用的是直連方式[6]，及蓄熱器直接并入熱網，儲存熱網水。系統每日循環工作。

儲熱系統罐體設計總儲熱量為1146 MW，設計配置兩臺儲熱罐，系統目前采用常壓設計方案[7。]系統由罐體、布水盤、水位控制器、排水系統、安全裝置、溫度及壓力測量裝置、自控監測調節裝置、蓄熱泵、放熱泵等設備組成。

表1 罐體設計結果

2 布水器結構設計

為了盡可能減低湍流，水的注入和出料結構（即布水器）要求比較高。罐內上下有獨立的布水器，組成兩個流程，分別供蓄熱和放熱工作狀態使用。斜溫層效率要靠合理的布水器結構來保證。目前主流布水器結構包括徑向布水裝置[8]，直管布水裝置[9]以及八角布水裝置[10]等，可依據不同罐體大小選擇合適的布水結構。

由于本項目儲罐直徑較大，不宜采用直接徑向或者直管的布水裝置。設計采用八邊形布水器結構，這種結構利于大直徑布水器的支撐設計，而且能達到較好的控制水流速度和方向的效果。由于儲罐尺寸較大，布水器裝置尺寸也較大，為了達到較好的支撐，采用鋼架支撐給水總管，然后斜向加支撐管支撐布水盤。熱端進口布水器計算時，按照6 h將儲罐熱量儲滿，6 h熱量釋放完計算。

熱水布水器淹沒在正常水位里，噴嘴朝上設計，以最大限度減少對斜溫層的擾動。冷水布水器布置在罐底，噴嘴朝下設計，以最大限度減少對斜溫層的擾動。

本項目布水器結構包括母管、分配管、八角形支管、聯通管及支撐組成。布水器的設計關鍵在于噴嘴流量的控制。本項目采用八角型布水器設計，母管進水經過4個總管將水流帶到各八邊形管路中，噴入到儲罐內。設計時嚴格控制噴嘴的出口雷諾數，保證噴嘴出口的層流特性，避免擾動斜溫層結構。進水流速要盡可能低，以保證對斜溫層的最小擾動。設計時控制弗洛德數小于2，雷諾數小于2000。

詳細計算流路壓損，對每一排八邊形管路的噴嘴孔徑加以控制，均衡每個噴嘴的噴流量，盡可能降低最大噴流與最小噴流的差，以達到均衡進水的目的。設計的布水器結構具有如下優點：布水器支管分布均勻，支撐均勻，可靠性強；圈數設計靈活，筒徑變化適應性強；八角分配，水流分配均勻，液面擾動小；小方孔密排設計，保證出水及進液的層流特性；整體設備控制簡化，提升系統經濟性及安全性。

圖1 八角布水器結構

布水口采用方孔設計，布置間距為50 mm，開孔角度為徑向120℃，開孔寬度為8 mm。每一圈根據流量均衡分配原則設計開孔數，保證孔出口流體雷諾數在設計范圍以內（本項目設計雷諾數為850）。

3 布水器模擬分析

本系統采用八邊形布水器，上部布水器進水從布水管的上方開孔流入到儲罐中，出口保持層流特性，上出水可以有效減小水的動力特性，控制水流對斜溫層的影響。

下部布水器結構與上部布水器結構類似，也采用八角型結構。由于水的物性變化，導致出水口個數變化。出水時，出水從布水器下方的開孔進入分流管，然后再匯入總管。將實體進行等比例建模，進行進水分析。

使用Unigraphics NX[11]建立布水器計算的三維模型。由于整個布水器結構龐大，而開孔數眾多，且孔徑較小，因此采用整體結構模型會造成網格無法劃分。因此需要對模型結構進行簡化處理[12]。采用等效模型簡化，可以保證整個分析過程的可行性，以及分析結果的可靠性。針對本項目模型簡化的目的是減少計算量，保證網格劃分以及計算量在計算機承受的范圍之內。簡化的方法是減少八角圈數，保證流通面積比例的一致性，模化儲熱罐筒體直徑以及八角直徑。簡化模型采用等效簡化方法，保證了模擬結果與真實結果的合理統一，具有實際的指導意義。

將三維模型導入ANSYS Icem中繪制計算網格[13]，采用六面體非結構化網格。網格繪制完成后，使用CFX進行計算，計算收斂后保存計算結果。采用CFX進行結果處理分析[14]。

圖2是布水器的建模圖。從三維模擬結果中可以看出，高溫水緩慢進入罐體，保證了罐內的層流狀態，保持了溫度梯度層的穩定運動。

圖2 八角布水器流動模擬

4 結論

斜溫層儲熱技術的發展，為提高供熱機組的靈活調峰能力帶來了新的方向。斜溫層技術主要在于儲罐中的布水器裝置。通過優化布水器的設計，控制進料與出液的流動，保證斜溫層的形成效率。結合項目具體需求，根據儲水罐的大小合理設計八角布水器的圈數以及開孔，輔助以流場分析設計，通過流場分析可以看出布水器在運行狀態下斜溫層的形成，保證布水器結構的合理性，同時也保證了斜溫層儲水罐的運行效率。本設計為后續燃煤電站靈活性改造設備供貨自主化提供了技術保障[15]。

［參考文獻］

[1] 國家能源局綜合司.國家能源局綜合司關于下達火電靈活性改造試點項目的通知[Z].2016.

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