斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中儲(chǔ)熱器的實(shí)驗(yàn)研究

李煥龍，何子春

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 200093)

0 引言

我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，煤層氣資源豐富，然而我國(guó)煤層氣呈現(xiàn)整體甲烷濃度低的特點(diǎn)[1-3]，每年有大量的濃度(體積分?jǐn)?shù))低于30 %的抽放瓦斯和小于1 %的超低濃度瓦斯，如礦井通風(fēng)乏氣中含有的瓦斯，由于無(wú)法利用而直接排向大氣，既浪費(fèi)了能源又對(duì)環(huán)境造成了一定的危害[4]。

瓦斯發(fā)電是煤層氣利用的一個(gè)重要方式，目前我國(guó)利用高濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)已趨向成熟[5，6]，但低濃度瓦斯由于瓦斯含量少、穩(wěn)定性差且接近爆炸極限，會(huì)造成發(fā)電機(jī)組熄火停機(jī)、加速設(shè)備老化、發(fā)電操作難度大[7，8]。雖然燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)已可以利用甲烷濃度在10 %左右的低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電，但是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性仍然是一個(gè)難題。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外部加熱、閉式循環(huán)、往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，可適用多種燃料，具有熱效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)[9-13]。下面研究基于儲(chǔ)熱器的煤層氣斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，旨在利用儲(chǔ)熱器來(lái)解決氣源濃度不穩(wěn)定帶來(lái)的發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

如圖1所示是基于儲(chǔ)熱器的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，煤層氣進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入儲(chǔ)熱器把熱量傳遞給儲(chǔ)熱器中的儲(chǔ)熱介質(zhì)，再由儲(chǔ)熱介質(zhì)將熱量傳遞給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱缸以驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

采用儲(chǔ)熱器可以降低系統(tǒng)中由于氣源不穩(wěn)定燃燒帶來(lái)的熱量不穩(wěn)定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊的影響，采用高效蓄熱介質(zhì)把放熱介質(zhì)不穩(wěn)定熱量轉(zhuǎn)化為蓄熱介質(zhì)較穩(wěn)定的熱量，從而減少放熱介質(zhì)直接加熱帶來(lái)的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性，減少震動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由配氣系統(tǒng)、多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)、煙氣控制及輸送系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、煙氣排放系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

1.3.1 熱電偶

本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)溫儀器——熱電偶，主要測(cè)量?jī)?chǔ)熱器的溫度分布、燃燒器出口煙氣的溫度、混合后煙氣的溫度。儲(chǔ)熱器的溫度分布由儲(chǔ)熱器筒壁上布置的3排(每排4列)熱電偶讀出。熱電偶及對(duì)應(yīng)數(shù)字自動(dòng)巡回檢測(cè)儀參數(shù)如表1所示。

表1 熱電偶、數(shù)顯儀參數(shù)

1.3.2 流量計(jì)

在瓦斯供給和空氣供給管路上設(shè)置流量計(jì)，通過(guò)流量計(jì)讀數(shù)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥控制管路上的流量，使空氣與瓦斯達(dá)到預(yù)期的燃燒配比。本實(shí)驗(yàn)采用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、壓力損失小、維修方便等特點(diǎn)的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其參數(shù)如表2所示。

表2 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)參數(shù)

1.3.3 空氣壓縮機(jī)

燃燒用空氣由空氣壓縮機(jī)提供，空氣壓縮機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 空氣壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)

2.1 儲(chǔ)熱材料及儲(chǔ)熱介質(zhì)的選擇

目前，蓄熱方式中潛熱型式最具有發(fā)展前途，也是目前應(yīng)用最多的蓄熱方式。潛熱型是利用蓄熱材料在相變時(shí)吸熱或放熱來(lái)進(jìn)行熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)節(jié)控制，這類材料不僅具有容積蓄熱密度大，而且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、設(shè)計(jì)靈活、使用方便且易于管理等優(yōu)點(diǎn)[8]。本研究選用氧化鋁陶瓷蓄熱球作為儲(chǔ)熱材料，其具有耐高溫、良好的導(dǎo)熱性與蓄熱性的優(yōu)點(diǎn)，其基本理化性能指標(biāo)如表4所示。

表4 氧化鋁蓄熱球理化性能指標(biāo)

2.2 儲(chǔ)熱器的設(shè)計(jì)

儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)如圖3所示，儲(chǔ)熱器由上環(huán)、中環(huán)、底環(huán)、外壁、內(nèi)壁組成。儲(chǔ)熱器孔隙里塞滿氧化鋁陶瓷蓄熱球。斯特林熱端、儲(chǔ)熱器外、內(nèi)壁見(jiàn)圖4。

圖3 儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)

圖4 儲(chǔ)熱器斯特林熱缸、外壁、內(nèi)壁(從左到右)

儲(chǔ)熱器上環(huán)中部開孔與煙氣管道進(jìn)行連接。從多孔介質(zhì)燃燒器出來(lái)的高溫?zé)煔猓ㄟ^(guò)煙氣引入口引入儲(chǔ)熱器，其中一部分煙氣通過(guò)內(nèi)筒上面流入儲(chǔ)熱內(nèi)筒里，另一部分煙氣流入儲(chǔ)熱器內(nèi)、外管筒之間然后通過(guò)儲(chǔ)熱器內(nèi)筒側(cè)面的開口均勻進(jìn)入內(nèi)筒里。內(nèi)筒壁側(cè)面開有5排小孔使煙氣均勻進(jìn)入并加熱儲(chǔ)熱介質(zhì)。儲(chǔ)熱器外筒壁開有小孔，安裝熱電偶來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)熱介質(zhì)的溫度分布。熱電偶通過(guò)外筒壁的3排開孔與內(nèi)筒壁底下3層的開孔插入內(nèi)筒里面。上環(huán)與外壁之間通過(guò)螺栓連接，以方便拆卸上環(huán)來(lái)填充更換蓄熱球及后期實(shí)驗(yàn)研究。內(nèi)壁焊接在底環(huán)上，與外壁之間通過(guò)中環(huán)焊接。中環(huán)的作用是使高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)內(nèi)壁側(cè)面的開孔從內(nèi)壁里面儲(chǔ)熱器中環(huán)與斯特林熱端之間的空隙流出，以防止高溫?zé)煔鈴膬?nèi)外壁之間直接流出，浪費(fèi)熱量。內(nèi)筒壁里面是斯特林熱缸，斯特林熱端浸在蓄熱球中。儲(chǔ)熱器外壁與底環(huán)通過(guò)螺栓連接，方便拆卸。底環(huán)與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的法蘭盤通過(guò)螺栓連接起到固定的作用。

煙氣通過(guò)內(nèi)筒壁與斯特林熱端加熱管段的邊緣間隙，流入儲(chǔ)熱器中環(huán)、底環(huán)、外壁包圍的煙氣緩沖腔中，其作用是緩沖煙氣流出不均造成的儲(chǔ)熱器內(nèi)部速度場(chǎng)分布的波動(dòng)從而破壞儲(chǔ)熱器的整體溫度分布均勻性。

考慮到實(shí)際加工情況，儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)修改如圖5～6所示。在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了上環(huán)法蘭、中環(huán)法蘭。上環(huán)法蘭通過(guò)焊接與外筒壁直接連接。儲(chǔ)熱器上環(huán)原來(lái)與外壁通過(guò)螺栓直接連接，現(xiàn)改為上環(huán)先通過(guò)螺栓與上環(huán)法蘭連接。儲(chǔ)熱器內(nèi)壁與中環(huán)法蘭焊接固定，儲(chǔ)熱器中環(huán)與外壁焊接，然后中環(huán)與中環(huán)法蘭通過(guò)螺栓連接，使儲(chǔ)熱器內(nèi)、外壁連接。改變后的方案，增強(qiáng)了連接的牢固性，有效防止了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)使螺栓松動(dòng)。

圖5 修改后儲(chǔ)熱器

圖6 修改后儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)分解

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 儲(chǔ)熱介質(zhì)儲(chǔ)熱能力探究

為了研究斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在加熱、運(yùn)行、停火階段儲(chǔ)熱器的溫度分布變化及儲(chǔ)熱能力，首先通過(guò)直接多儲(chǔ)熱器燃燒加熱，煙氣出口利用引風(fēng)機(jī)抽吸煙氣，目的是使高溫?zé)煔鈱?duì)儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱。儲(chǔ)熱器溫度分布隨時(shí)間的變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度變化如圖7所示。

表5 儲(chǔ)熱器溫度隨時(shí)間的變化

圖7 儲(chǔ)熱器溫度變化曲線

0～320 s是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱啟動(dòng)時(shí)間，320～512 s是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段，512 s后停火。由圖7可知，儲(chǔ)熱器的溫度在加熱狀態(tài)下均勻受熱升溫，基本呈線性關(guān)系遞增，由于引風(fēng)機(jī)的作用煙氣的往下流通，使儲(chǔ)熱器的上下層溫度分布比較均勻。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶走一部分熱量，在相同供熱量的前提下，儲(chǔ)熱器溫度有些降低。停火后，儲(chǔ)熱器上層溫度下降較下層快是因?yàn)椋瑑?chǔ)熱器上層溫度高，儲(chǔ)熱器上端與大氣聯(lián)通，儲(chǔ)熱器與空氣換熱大；下層溫度有的不降反升是因?yàn)椋L(fēng)機(jī)的抽引作用使得空氣攜帶上面的一部分熱量在儲(chǔ)熱器流動(dòng)的時(shí)候，把熱量傳遞給了下層的儲(chǔ)熱介質(zhì)。

3.2 儲(chǔ)熱球粒徑對(duì)儲(chǔ)熱性能的影響

為了探究?jī)?chǔ)熱器儲(chǔ)熱介質(zhì)緩沖煙氣波動(dòng)的能力，分別測(cè)試了儲(chǔ)熱器內(nèi)無(wú)儲(chǔ)熱球，以及不同儲(chǔ)熱球粒徑時(shí)儲(chǔ)熱器平均溫度變化狀況。儲(chǔ)熱球粒徑分別為φ6、φ8、φ10、φ12。實(shí)驗(yàn)得到幾種工況下儲(chǔ)熱器平均溫度見(jiàn)表6，其變化曲線見(jiàn)圖8。

表6 儲(chǔ)熱器平均溫度變化

圖8 不同儲(chǔ)熱球粒徑時(shí)儲(chǔ)熱器溫度變化

由圖8可知，有儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度變化普遍比無(wú)儲(chǔ)熱球時(shí)溫度明顯變化緩慢，說(shuō)明儲(chǔ)熱球儲(chǔ)熱效果較好。同時(shí)儲(chǔ)熱球直徑對(duì)儲(chǔ)熱效果有影響，但是不呈單純線性關(guān)系，從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，儲(chǔ)熱球粒徑為10 mm時(shí)溫度變化最緩慢，儲(chǔ)熱效果最好。

為了研究?jī)?chǔ)熱器內(nèi)部溫度分布以及儲(chǔ)熱介質(zhì)的換熱情況，對(duì)儲(chǔ)熱器各個(gè)方向熱電偶的的溫度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如圖9～13所示。

圖9 無(wú)儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度分布

圖10 φ12儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度分布

圖11 φ10儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度分布

圖12 φ8儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度分布

圖13 φ6儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度分布

有儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器，上層溫度變化較下層快，因?yàn)閮?chǔ)熱器上層溫度高，與外界換熱較多，另外儲(chǔ)熱器上層溫度會(huì)以導(dǎo)熱形勢(shì)傳遞給下層較冷的儲(chǔ)熱球，導(dǎo)致上層溫度下降的同時(shí)下層溫度上升，結(jié)果是儲(chǔ)熱器溫度趨于均勻。

由表7可知，有儲(chǔ)熱球時(shí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間比無(wú)儲(chǔ)熱球時(shí)要長(zhǎng)，說(shuō)明儲(chǔ)熱球儲(chǔ)熱效果較好，同時(shí)儲(chǔ)熱球直徑對(duì)停機(jī)時(shí)間有影響，但是不呈單純線性關(guān)系。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，儲(chǔ)熱球粒徑為10 mm時(shí)停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)，儲(chǔ)熱效果最好，這與儲(chǔ)熱球溫度隨儲(chǔ)熱球粒徑變化趨勢(shì)所反應(yīng)的結(jié)果是吻合的(見(jiàn)圖14)。

表7 不同粒徑儲(chǔ)熱球時(shí)斯特林停機(jī)時(shí)間

圖14 不同粒徑儲(chǔ)熱球時(shí)斯特林停機(jī)時(shí)間

4 結(jié)論

以上研究得出了如下結(jié)論。

1) 與無(wú)儲(chǔ)熱球填充儲(chǔ)熱器時(shí)相比，有儲(chǔ)熱球時(shí)儲(chǔ)熱器溫度變化較平緩，相同最高轉(zhuǎn)速(相同慣量時(shí))有儲(chǔ)熱器時(shí)斯特林停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明儲(chǔ)熱器效果較好。

2) 儲(chǔ)熱球直徑不同會(huì)影響儲(chǔ)熱器的儲(chǔ)熱性能，它們之間不是單純的線性關(guān)系，儲(chǔ)熱器溫度變化速率隨儲(chǔ)熱球直徑的減小呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，停機(jī)時(shí)間隨儲(chǔ)熱球直徑的減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，因此存在一個(gè)最佳粒徑。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，儲(chǔ)熱球粒徑為10 mm時(shí)效果是最好的。