輔助加熱氣體焓值與太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)煙囪特性的數(shù)值模擬

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)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(duì)石化資源依賴的不斷加深及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，清潔能源的開發(fā)和利用越來越受到認(rèn)同和關(guān)注。1978年德國人Schlaich J首先提出了太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)，1981年西班牙的Manzanares建造了第一座實(shí)驗(yàn)電站，1983年Haafw等以西班牙原型實(shí)驗(yàn)電站為依據(jù)進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，驗(yàn)證了太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的可行性，為理論分析和數(shù)值模擬提供了經(jīng)典依據(jù)[1-2]。太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)是利用太陽能將集熱棚內(nèi)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(jìn)而使煙囪底部產(chǎn)生較大動(dòng)能推動(dòng)渦輪機(jī)組做功發(fā)電。目前，這項(xiàng)技術(shù)未被廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠浒l(fā)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(xiàn)[4]針對(duì)太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)，研究了二次輔助加熱和煙囪高度的變化關(guān)系，得出了在煙囪內(nèi)部對(duì)上升氣流進(jìn)行二次輔助加熱，可增大氣體內(nèi)能，增加氣流速度，在保證發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，可降低煙囪高度的結(jié)論。

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

1 系統(tǒng)模型的建立

1.1 模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 輔助加熱式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的物理模型

采用200 kW太陽能熱氣流發(fā)電站項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)面積為1.57 m2，在同一高度均勻?qū)ΨQ分布4個(gè)。

1.2 模型假設(shè)

1)為簡(jiǎn)化模型，不考慮系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備對(duì)空氣流動(dòng)的影響。

2)將蓄熱層吸收的太陽輻射能簡(jiǎn)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(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)過程為穩(wěn)態(tài)、常物性。

1.3 邊界條件

三維模型如圖1所示，計(jì)算區(qū)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(jìn)口邊界條件。蓄熱層上表面溫度為350 K，周圍環(huán)境溫度為300 K。集熱棚入口及煙囪出口的相對(duì)壓強(qiáng)為0 Pa。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

輔助加熱式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)整體采用三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型分為3個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為72萬個(gè)，以得到較高的網(wǎng)格質(zhì)量，如圖2所示。其中煙囪區(qū)域和集熱棚區(qū)域，網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格元素劃分為結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，如圖3所示。煙囪與集熱棚的連接區(qū)域，網(wǎng)格采用四面體元素劃分為非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，以達(dá)到把主要區(qū)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(wǎng)格進(jìn)行劃分，目的是在邊界附近產(chǎn)生高質(zhì)量的網(wǎng)格單元，用于捕捉邊界附近的熱交換現(xiàn)象。

圖2 輔助加熱式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)整體網(wǎng)格劃分

圖3 煙囪和輔助加熱部位的網(wǎng)格劃分

圖4 煙囪和集熱棚連接部位的網(wǎng)格劃分

2.2 模型參數(shù)

Fluent軟件的計(jì)算模擬參數(shù)選用3D形式，基于壓力的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型。方程閉合選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流雙方程模型，并考慮浮升力的影響，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。壓力-速度的耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量方程、能量方程及其他方程的擴(kuò)散-對(duì)流項(xiàng)，均采用二階迎風(fēng)格式[5-7]。

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

式中：ρ0為流體的密度(常數(shù))；T為系統(tǒng)內(nèi)氣流溫度；T0為操作(周圍環(huán)境)溫度；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

3 計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果及輔助加熱煙囪底部氣流平均速度隨各參數(shù)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(jìn)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(jìn)氣量的增加而增大，同時(shí)隨進(jìn)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(shí)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(shí)，速度的增加幅度較大，所以進(jìn)入煙囪內(nèi)部的氣體焓值應(yīng)小于這一拐點(diǎn)，則煙囪底部的速度增加會(huì)比較明顯。這種曲線關(guān)系，對(duì)研究煙囪底部平均速度的變化情況，具有工程實(shí)際意義。

表1 輔助加熱煙囪底部氣流平均速度隨各參數(shù)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(jìn)氣量變化曲線

圖6 煙囪底部相對(duì)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(duì)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(dāng)把輔助加熱氣體的溫度、相應(yīng)溫度的比熱和氣體的進(jìn)氣量相乘組合成一個(gè)變量焓時(shí)，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(duì)煙囪底部速度場(chǎng)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(duì)平均速度增加的百分比近似重疊成一條曲線。且當(dāng)輔助加熱氣體的焓值約為7×104kJ/s時(shí)，出現(xiàn)拐點(diǎn)。焓值大于7×104kJ/s時(shí)，

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

圖7 輔助加熱焓值與煙囪底部動(dòng)能的比值隨輔助加熱氣體的進(jìn)氣量變化曲線

圖8 輔助加熱焓值與煙囪底部動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guān)系，且當(dāng)輔助加熱氣體的焓值約為4×104kJ/s時(shí)，出現(xiàn)拐點(diǎn)。焓值大于4×104kJ/s時(shí)，比值增加的幅度變緩；焓值小于4×104kJ/s時(shí)，比值增加的幅度較大。結(jié)合圖9煙囪底部的動(dòng)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(dòng)能也成線性關(guān)系的趨勢(shì)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(guān)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(dāng)焓值達(dá)到約4×104kJ/s時(shí)，輔助加熱焓值與煙囪底部動(dòng)能的比值趨于一個(gè)固定常數(shù)，則再增加相同單位的焓值，動(dòng)能的增加量不再增加。所以，輔助加熱焓值的最優(yōu)區(qū)間約為40×103kJ/s，最能有效利用系統(tǒng)中的能源。

圖9 煙囪底部的動(dòng)能隨輔助加熱氣體的焓值的變化曲線

4 結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)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(duì)煙囪內(nèi)的速度場(chǎng)有一定影響。當(dāng)輔助加熱氣體的組合焓值為6×104～8×104kJ/s時(shí)，煙囪底部平均速度比無輔助加熱時(shí)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(gè)最優(yōu)區(qū)間，可使煙囪底部動(dòng)能的增加達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)輔助加熱的焓值超過最優(yōu)點(diǎn)時(shí)，焓與動(dòng)能的比值趨于一個(gè)固定的常數(shù)，繼續(xù)增加輔助氣體的焓值對(duì)系統(tǒng)動(dòng)能的增加沒有明顯的效果，所以輔助加熱焓值的最優(yōu)區(qū)間約為4×104kJ/s。3) 組合焓值的分析對(duì)于輔助加熱氣體溫度和進(jìn)氣量的確定提供了參考，對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

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