光热电站熔盐储热罐地下通风系统的数值仿真

2020-07-23房彦山苏亮苏钊

宁夏电力 2020年2期

房彦山，苏亮，苏钊

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830002)

太阳能热发电具有发电稳定性优于光伏发电和风力发电的特点，可以实现规模化发电，保证电网稳定运行[1-3]，光热发电产业化具有非常长远的战略意义[4-5]。

目前大部分光热电站使用熔盐储热系统[6]。高温熔盐储热罐的热流失一部分通过罐侧和罐顶的保温层散发到大气环境中,另一部分通过罐底土壤散发到大气环境中。在运行过程中由于熔盐储热罐内部温度非常高，同时体量巨大，导致罐底土壤很深范围内都处于较高的温度。作为熔盐储热罐的持力层，过高的温度会使其产生明显的热效应，主要表现为岩土热应力、热软化效应，水分汽化造成的物性改变以及其他化学变化[7]，使得基底持力层的承载力和稳定性受到很大影响，同时土壤中水分蒸发也会加剧罐体基础及罐底金属的腐蚀。因此，有必要采取一定的措施降低基底土壤的温度。

目前有效的措施包含在罐底设置热隔绝层和主动通风隔热系统2种措施。设置热隔绝层的材料需要比较低的导热系数、很高的承载力，但在熔盐储热罐长期运行工况下隔热效果不佳，而主动通风系统在罐底土壤中埋设通风管道，让管道中气体将热量带走，使土壤在一定深度内形成1个温度较低的恒温层[8]来防止下部土壤温度过高。

本文对某光热电站的高温熔盐储热罐的地下通风系统利用ANSYS软件进行建模，对通风系统和土壤进行流固耦合传热分析，研究其散热效能及温度场分布特性，并计算出使罐底1.45 m处土壤温度降低到90 ℃以下的通风系统的工作参数[6]，为实际工程中风机功率的选择提供参考。

1 计算模型

1.1 物理模型

熔盐储热罐基础应具有一定的承载能力和隔热性能，因此由多层构成。基础由上至下依次为砂垫层、耐热层、保温层、冷却钢管层及、钢筋混凝土层等，如图1所示[9]。也有将图1中砂垫层、耐热层和保温层统一使用陶粒土材料[10]。本文主要研究冷却钢管层(即地下通风管道)的散热效能及其对温度场的影响，因此将其它层简化为土壤。

图1 熔盐储热罐基础剖面

本文算例中高温熔盐储热罐的直径42 m，罐高13.5 m，熔盐液位1～12.5 m，正常运行时罐底最高温度为565 ℃。通风系统物理模型如图2a所示，通风管道平行布置于罐底1.3 m位置的土壤中。管内空气以强制对流方式带走土壤中的热量，使通风管道以下的土壤温度明显降低。通风系统的送风口布置在地面以上，通过布置在储热罐两侧的总管向地下的通风支管进行分流。为达到比较均匀的散热效果，相邻支管的空气流动方向相反。下支管道间距0.77 m，直径0.1 m。

对埋地通风管道在土壤中进行的传热实现数值求解时，需将半无限大的土壤介质简化为有限的求解区域，因此，需引入热力影响范围的概念，即认为在热源附近的区域内，土壤温度场受到热源热力变化的影响，而在此区域外，这种影响可以忽略，因此可把半无限空间简化为矩形或环形的有限区域[11]。本文熔盐罐直径42 m，因此可将圆柱土体直径取90 m。图2b中系统坐标系原点位于熔盐储热罐底部中心，X轴垂直于地下通风管道方向，Y轴平行于地下通风管道方向，Z轴竖直向上。

(a)地下通风管道模型

1.2 计算单元

为了便于分析，做以下假设：

(1)流体介质的热物理模型性质为常数。

(2)土壤物性均匀一致。

(3)土壤的传热为纯导热，不考虑水分的热湿迁移。

(4)管道壁为钢材，较薄可忽略。

土壤采用SOLID70单元，该单元有8个节点，且每个节点上只有1个温度自由度，具有3个方向的传热能力，能实现匀速热流的传递，可用于三维静态或瞬态的热分析[12]。

管内流体采用FLUID116单元，该单元可以在2个节点间进行热传导和流体传输的三维单元。其热流量取决于流体的传导和质量流速。该单元可通过参数定义来实现管道的压力局部损失和沿程损失[12]。

土壤为固体传热，传热以导热方式进行；管内流体传热方式以对流方式为主；管道流体单元和土壤单元在界面上的对流耦合换热，采用SURF152单元配合APDL命令流来实现，并定义与流体的流速有关的膜层换热系数[12]。

1.3 边界条件

管道模型中位于两侧总管中部的送风口为压力入口，温度为大气温度40.5 ℃(采用最高日平均气温)。

从周期性大地自然温度随时间和深度的变化关系可知[13]，距离地表较浅处的土壤温度随季节变化的趋势比较明显，工程所在地年平均气温15 ℃，一年内日平均最高温度40.5 ℃。如图3所示，当深度超过12 m时，保持在15 ℃左右。考虑到熔盐罐底温度较高，取圆柱土体高度为50 m。

图3 土壤温度随深度变化

地面为对流传热边界，综合考虑地面的实际情况，对流换热系数为16.5 W/(m2·℃)。

土壤圆柱体侧面为绝热边界。

2 模拟分析

2.1 无通风系统时的土壤温度数值模拟

如图4所示为熔盐罐底部温度为565 ℃时，达到稳态传热时温度场分布。从图中可以看出，温度场由熔盐罐底部向下逐渐递减，温度等值线呈椭圆形，这是因为土壤的上部存在对流换热，部分热量通过地面散失到空气中，导致土壤较高的温度部位向下移动。

图4 温度场分布

在系统坐标系中，当y=0时，沿X轴取3个点(x=0 m、x=10 m和x=20 m)，分别做出这3个点随土壤深度的温度变化曲线(曲线a、曲线b、曲线c)，如图5所示。

图5 土壤温度随深度变化曲线

从图5可以看出，熔盐罐底部土壤的温度随深度变化逐渐升高，同一深度处，中间温度高，往两边温度低。10 m深度处，曲线a温度为335 ℃，曲线c温度为205.5 ℃。

在系统坐标系中，当z=-1.45 m(即熔盐罐底1.45 m处)时，沿Y轴取3个点(y=0 m、y=10 m和y=20 m)，分别做出这3个点沿X轴(水平方向)的温度变化曲线(曲线a、曲线b、曲线c)，如图6。图6中以曲线a为例，由罐底中心至11 m的范围内温度下降较为平缓，距中心11 m至21 m的范围内温度下降较快。最高温度为529.6 ℃，最低温度为303.5 ℃。由此可见，罐底一定范围内土壤的温度很高，远远超过水的汽化温度，岩土热效应不容忽视。

图6 土壤温度沿水平方向变化曲线

2.2 有通风系统时的土壤温度数值模拟

2.2.1 计算方法

在其他边界条件已知的情况下，计算管内空气的对流换热系数是关键点。低粘度流体空气在圆形管道内作强制对流，空气沿管道被加热，其与壁面的对流换热系数可通过式(1)至或(3)得到：

Nu=0.023Re0.8Prn

(1)

(2)

(3)

式中：Nu—努塞尔特数；

Re—雷诺数；

Pr—普朗特数；

a—对流换热系数；

n—常数0.4；

Cp—空气比热容；

μ—空气粘度；

λ—空气导热系数；

d—管道直径。

本文先通过数模计算得到管道内流体单元的平均流速，从而得到流体与管道的对流换热系数。以上计算过程通过APDL命令流施加于换热计算，由ANSYS自动完成单元膜层换热系数的计算。

2.2.2 数值模拟结果及分析

图7为总送风风量8.4 kg/s，土壤达到稳态传热时的温度场分布。从图中可以看出，温度场由熔盐罐底部向下逐渐递减，熔盐罐底面和地下管道之间的土层温度梯度较大，温度等值线呈水平直线。地下通风管道以下的土壤温度等值线呈椭圆形，在同一深度内，中间温度高，两侧温度低。

图7 温度场分布

从图8中可以看出，管道内的空气逐渐被加热，其中中间管道的空气由40.5 ℃逐渐被加热到87.6 ℃，温差达47.1 ℃。最外侧管道由40.5 ℃被加热到46.2 ℃，温差为5.7 ℃。

图8 管道内流体温度

从图9可以看出，紧靠埋管的土壤温度沿管径方向逐渐升高，相邻管道间的温度等值线呈明显的波浪形，说明在此工况下相邻埋管在换热时，其间距在其对周围土壤的有效影响半径范围内。

图9 管道周围温度等值线

在系统坐标系中，当z=-1.45 m时，沿X轴取2个点(x=0.385 m、x=10.395 m)，分别做出这2个点沿Y轴的温度变化曲线(曲线a、曲线b)，如图10。图10中，曲线a的温度在49.4 ℃和85.8 ℃之间，曲线b的温度在46.2 ℃和81.7 ℃之间。

图10 沿管道方向的温度曲线

在系统坐标系中，当z=-1.45 m时，沿Y轴取3个点(y=0 m、y=10 m和y=20 m)，分别做出这3个点沿X轴的温度变化曲线(曲线a、曲线b、曲线c)，如图11。图11中，曲线a的温度在48.4 ℃和81.5 ℃之间，曲线b的温度在56.6 ℃和81.6 ℃之间，曲线c的处温度在47.9 ℃和85.1 ℃之间。相邻管道底部温度相差较大，温差达37.2 ℃。这是因为相邻管道流向相反，在端部1个管道的冷空气刚流入，相邻管道内已经被加热到比较高的温度的空气要流出，2根管道内空气温差较大。因此，此处的温度降也不同。由图中的3根曲线可知，管道底部0.1 m处土壤的温度都控制在90 ℃以内。

图11 垂直管道方向的温度曲线

如图12，在系统坐标系中，当y=0时，沿X轴取3个点(x=0、x=10 m和x=20 m)，分别做出这3个点随土壤深度的温度变化曲线(曲线a、曲线b、曲线c)；当x=0时，沿Y轴取2个点(y=10 m和y=20 m)，分别做出这2个点随土壤深度的温度变化曲线(曲线d、曲线e)。由图12可知，在深度为0到1.3 m范围内土壤温度迅速降低，并在1.3 m处形成拐点，1.3 m以下温度缓慢下降。由此可见降温效果非常明显。