基于CFD方法的熔鹽儲罐布液系統分析

賀志寶，江 力，周 衛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

在碳中和背景下，構建以可再生能源為主體的新型電力系統成為電力系統轉型的方向，而儲能技術是重要的支撐技術。太陽能光熱發電與光伏發電相比，最大的優勢在于可增加儲熱系統，使系統在資源波動較大的時候，仍能保證電能的持續穩定輸出，利于太陽能發電的大規模利用。在火電調峰改造項目中，熔鹽儲熱系統也是扮演著重要角色，使得機組調峰調頻的解決方案更加靈活多樣[1]。同時，隨著新能源發展，儲熱系統的應用模式越來越多[2]。

熔鹽儲罐作為儲熱系統中的關鍵設備，儲罐設備本體不僅決定了系統的蓄熱能力，而且對系統的安全運行也有重要影響。早在2012年Carlos等人就建立了儲罐的熱力學模型，通過熱力學模型計算來對儲罐進行精細化設計。2018年，Iranzo等人[3]對儲罐內的分配環混合特性進行了研究，提出了采用噴嘴的分配環能夠具備更好的混合特性，并研究了噴嘴的尺寸和噴射角度。2020年，崔凱平等[4]通過數值模擬證明了利用再循環管道和分配環進行擾動可以有效改善熔鹽儲罐熱分層現象，分析了采用再循環管道和分配環進行擾動產生的熱分層破壞現象，用以減少罐體長時間停用導致的溫差過大問題。避免因溫差應力導致的設備故障隱患，以新月沙丘項目為例，儲罐泄漏后造成了系統長達8個月的停機維修處理，每個月的經濟損失高達400萬美元左右。而國際上有研究人員分析認為該次泄漏有可能是因為局部應力集中導致[5]。因此，儲罐的設計過程，不僅需要考慮結構強度、施工安全、運行工況的影響，還需要在細節上關注運行過程中，罐體內部的介質狀態[6]。

儲罐內的溫度場平衡對安全穩定運行有重要意義，對熔鹽儲罐的結構強度及散熱損失也具有一定的影響[7-8]。本文以某實際熔鹽儲熱項目的熔鹽儲罐內布液環為研究對象，采用分層液位計算方案，基于計算流體動力學(CFD)方法，對儲罐的布液系統進行數值模擬，探究罐體布液環結構在不同液位條件下，罐內熔鹽的混合情況和出口液體噴射高度，以期為后續工程上熔鹽儲罐布液裝置的設計與選擇提供參考。

1 模型及方法

1.1 熔鹽儲罐及布液環結構

某實際熔鹽儲熱項目的熔鹽儲罐直徑為10 m，高度為10.516 m，如圖1所示。布液環環管中心安裝高度為距離儲罐底部0.21 m處，布液環出口支管分布在環管上，支管開口均向上并與儲罐軸向偏離一定角度。

圖1 熔鹽儲罐整體布置

布液環本體結構如圖2所示。布液環入口管及環管內徑為203.1 mm。出口支管內徑均為61.9 mm，共6個，分布如圖，依次為CK1～6。出口支管結構如圖 2～3，支管出口CK1～6向內偏角為45°。

圖2 布液環結構

1.2 介質參數

介質參數選用高溫使用參數，見表1。

表1 介質參數

2 布液環流場計算

為了分析熔鹽從布液環進入儲罐時的流動狀態，以及布液環進口支管處流體的噴射狀態，建立包含布液環、儲罐整體結構模型，進行流場分析。

2.1 模型與CFD網格劃分

2.1.1模型建立

基于不同液面高度0.55、2、8 m，分別建立3套模型。如圖3為2 m液位時結構圖，虛線框外徑為罐體結構外廓，兩層虛線框間距為罐體內液面高度，實體部分為布液環結構。

圖3 布液環流域結構

2.1.2網格無關性劃分

基于ANSYS Meshing 網格劃分模塊，采用非結構化網格，布液環及罐體設置邊界層為5 層，對布液環管結構進行劃分網格，布液環及罐體與布液環接觸面網格大小設置為2 mm。基于2 m液位進行罐體網格無關性分析，分別采用不同規格尺寸的網格，網格無關性驗證結果如表2所示。

表2 儲罐整體網格無關性驗證結果

采用算例3設置網格，對布液環及儲罐與布液環壁面交接處進行網格加密，0.55 m液位時得到總體網格節點數為1 684 061個，單元數為7 129 062個；2 m液位時得到總體網格節點數為1 960 543個，單元數為8 801 150個；8m液位時得到總體網格節點數為2 029 831個，單元數為9 146 379個。

2.1.3網格劃分

基于ANSYS Meshing 網格劃分模塊，采用非結構化網格，設置邊界層為5 層，對布液環管結構進行劃分網格，如圖4 所示。在環局部進行了網格加密，分別在0.55 m液位、2 m液位、8 m液位進行網格劃分。

圖4 布液環流域網格示意

2.2 算法與邊界條件

根據上述初步估算結果，基于ANSYS Workbench 流場分析模塊CFX，對布液環內熔鹽流動過程進行計算。采用標準K-e模型進行模擬計算，選用穩態流動。

表3 布液環與儲罐整體流場邊界條件設置

2.3 CDF模擬計算

為了研究罐體熔鹽充裝到不同高度時熔鹽在罐體內的流動情況，選取冷熔鹽充裝到液面高度為0.55、2 m 和8 m 時的3種情況，分別從布液環各支管噴嘴流動均勻性、布液環出口支管對于罐體熔鹽攪動以及布液環出口支管熔鹽噴射高度評估3個方面進行。在上述模型的基礎上，取入口位置為0位置，出口與入口的距離差為9 577 mm，基于質量流量平均法(即單位質量流上，壓力、流速、能力的平均值)分析布液環各出口支管的均勻性。冷熱鹽布液環各出口支管及進口位置，流量、流速、靜壓等分布如表4所示。

表4 布液環(冷鹽)各出口支管流動參數

由表4可知，由于熔鹽在布液環管及出口支管內的流動狀態均處于完全湍流狀態，且二者結構相同，CK1～6流動均勻性的分布規律一致，但由于熔鹽屬性以及進口流速不同，二者有微小差別。總體冷熱鹽布液環管出口支管CK2～6流量偏差在3%以內，CK1由于靠近入口，流量偏差較大在9%以內。

圖5 分別為0.55、2、8 m液位罐體不同液位時罐體內熔鹽流動狀態。圖6為不同液位罐體內中間剖面熔鹽流動狀態：

圖5 不同充裝液位罐體內熔鹽流動狀態

圖6 不同充裝液位罐體內熔鹽流動狀態(罐體中間剖面)

由圖5～6并結合相關射流特性可以看出，當熔鹽入口流速為最大2.4 m/s時，不論多高液位在布液環支管出口，均會產生一定的高速流動，局部最高速度與罐體液位無關，與入口壓力以及流速有關，均在6 m/s左右。

布液環支管出口位置處由于入口壓力以及重力的作用，產生較高的流速，當熔鹽從布液環出口進入罐體后，在罐內流體阻力以及各股流體的擾動作用下，流速逐漸降低；當液位低于在0～2 m時，從布液環出來的熔鹽，流動角度近似與布液環實際安裝角度相同，并成擴散狀態；由圖(a)可知，當液位大于2.2 m時，布液環出來的熔鹽水平速度降低為0，由于熔鹽物性差別，如果布液環內的熔鹽溫度略高于罐體內熔鹽，二者存在一定的密度差，熔鹽在在慣性、浮力、阻力的綜合作用下，速度進一步變化，匯流在一起進一步向液面上層流動。

由圖可知，在布液環進口中間軸面上，由布液環支管產生兩股流體，在同一平面內兩股流體相互沖擊，帶動罐體內熔鹽產生旋渦，在不同液位時罐體內均可以產生不同形狀的渦流，進而通過射流攪拌作用，使得罐體內熔鹽溫度趨于一致。

圖7分別為0.55、2、8 m液位罐體不同液位時罐體液位頂部液體流動速度云圖。

圖7 不同液位罐體頂部液位表面速度分布

由圖7可知，隨著液位的增加，罐體內熔鹽與保護氣接觸面上的最大流速逐漸降低；隨著液位的增加，液面水平X、Z方向上，速度逐漸接近于0，熔鹽在液面水平方向上，逐漸靜止，對于罐壁的沖擊碰撞逐漸降低；在低液位時，由于液面水平X、Z方向上熔鹽還有一定的流速，會使得液面向波浪一樣沖擊罐體壁面，但由于布液環流量相對于罐體內熔鹽體積過小，因此沖擊能力很小；同時由于布液環內流體與罐體內流體始終存在溫度差，即使在最高液位8 m時，熔鹽液會噴出液面，但噴出高度很低。

表5 不同液位時熔鹽局部最大噴射高度

3 結 論

通過對某熔鹽儲熱項目熔鹽儲罐布液環在不同液位下的流動情況CFD分析，可以得出:

(1)按照現有布液環結構設計，在最大流速狀態時，布液環出口支管CK2～6具有很好的均勻性，CK1由于距離入口較近，流量略大，其中冷、熱鹽布液環CK1出口流量均約為CK2～6的1.09倍。

(2)在最大流速、不同液位時，該型布液環均可對熔鹽儲罐內的熔鹽產生較好的攪動作用，從本文模擬結果看，提高罐內熔鹽混合效果的方式還可以考慮將噴嘴在圓周方向設置一定角度或者在罐內分層布置噴嘴等方案，不同的內部布置方式，可能對罐體內部產生一定的擾動，可能造成罐體失穩，因此在具體應用時，需進一步進行分析。

(3)布液環出口支管處平均流速為3.9～4.46 m/s。

(4)通過對熔鹽罐0.55、2、8 m液位進行計算，分析不同液位時，熔鹽的噴射高度，在熔鹽進口流速2.4 m/s時，8 m液位熔鹽局部最高噴射高度0.007 m；2 m液位時，熔鹽局部最高噴射高度0.018 m；0.55 m液位時，熔鹽局部最高噴射高度0.576 m。