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

      2023-08-28 08:00:26李煥龍何子春
      電力安全技術(shù) 2023年7期
      關(guān)鍵詞:斯特林儲熱介質(zhì)

      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

      我國是煤炭生產(chǎn)大國,煤層氣資源豐富,然而我國煤層氣呈現(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,由于無法利用而直接排向大氣,既浪費(fèi)了能源又對環(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]。下面研究基于儲熱器的煤層氣斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),旨在利用儲熱器來解決氣源濃度不穩(wěn)定帶來的發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。

      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)入儲熱器把熱量傳遞給儲熱器中的儲熱介質(zhì),再由儲熱介質(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)。

      采用儲熱器可以降低系統(tǒng)中由于氣源不穩(wěn)定燃燒帶來的熱量不穩(wěn)定對發(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)直接加熱帶來的沖擊,增強(qiáng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性,減少震動(dòng)和噪聲,延長機(jī)器的使用壽命。

      1.2 實(shí)驗(yàn)臺

      本實(shí)驗(yàn)臺主要由配氣系統(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)需要測溫儀器——熱電偶,主要測量儲熱器的溫度分布、燃燒器出口煙氣的溫度、混合后煙氣的溫度。儲熱器的溫度分布由儲熱器筒壁上布置的3排(每排4列)熱電偶讀出。熱電偶及對應(yīng)數(shù)字自動(dòng)巡回檢測儀參數(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 儲熱器設(shè)計(jì)

      2.1 儲熱材料及儲熱介質(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)吸熱或放熱來進(jìn)行熱能儲存和溫度調(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 儲熱器的設(shè)計(jì)

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

      圖3 儲熱器設(shè)計(jì)

      圖4 儲熱器斯特林熱缸、外壁、內(nèi)壁(從左到右)

      儲熱器上環(huán)中部開孔與煙氣管道進(jìn)行連接。從多孔介質(zhì)燃燒器出來的高溫?zé)煔?,通過煙氣引入口引入儲熱器,其中一部分煙氣通過內(nèi)筒上面流入儲熱內(nèi)筒里,另一部分煙氣流入儲熱器內(nèi)、外管筒之間然后通過儲熱器內(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)入并加熱儲熱介質(zhì)。儲熱器外筒壁開有小孔,安裝熱電偶來測量儲熱介質(zhì)的溫度分布。熱電偶通過外筒壁的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)與外壁之間通過螺栓連接,以方便拆卸上環(huán)來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,與外壁之間通過中環(huán)焊接。中環(huán)的作用是使高溫?zé)煔馔ㄟ^內(nèi)壁側(cè)面的開孔從內(nèi)壁里面儲熱器中環(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。儲熱器外壁與底環(huán)通過螺栓連接,方便拆卸。底環(huán)與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的法蘭盤通過螺栓連接起到固定的作用。

      煙氣通過內(nèi)筒壁與斯特林熱端加熱管段的邊緣間隙,流入儲熱器中環(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熱器內(nèi)部速度場分布的波動(dòng)從而破壞儲熱器的整體溫度分布均勻性。

      考慮到實(shí)際加工情況,儲熱器設(shè)計(jì)修改如圖5~6所示。在原來的基礎(chǔ)上增加了上環(huán)法蘭、中環(huán)法蘭。上環(huán)法蘭通過焊接與外筒壁直接連接。儲熱器上環(huán)原來與外壁通過螺栓直接連接,現(xiàn)改為上環(huán)先通過螺栓與上環(huán)法蘭連接。儲熱器內(nèi)壁與中環(huán)法蘭焊接固定,儲熱器中環(huán)與外壁焊接,然后中環(huán)與中環(huán)法蘭通過螺栓連接,使儲熱器內(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 修改后儲熱器

      圖6 修改后儲熱器結(jié)構(gòu)分解

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

      3.1 儲熱介質(zhì)儲熱能力探究

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

      表5 儲熱器溫度隨時(shí)間的變化

      圖7 儲熱器溫度變化曲線

      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?;?。由圖7可知,儲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,儲熱器溫度有些降低。停火后,儲熱器上層溫度下降較下層快是因?yàn)?,儲熱器上層溫度高,儲熱器上端與大氣聯(lián)通,儲熱器與空氣換熱大;下層溫度有的不降反升是因?yàn)?,引風(fēng)機(jī)的抽引作用使得空氣攜帶上面的一部分熱量在儲熱器流動(dòng)的時(shí)候,把熱量傳遞給了下層的儲熱介質(zhì)。

      3.2 儲熱球粒徑對儲熱性能的影響

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

      表6 儲熱器平均溫度變化

      圖8 不同儲熱球粒徑時(shí)儲熱器溫度變化

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

      為了研究儲熱器內(nèi)部溫度分布以及儲熱介質(zhì)的換熱情況,對儲熱器各個(gè)方向熱電偶的的溫度進(jìn)行測量。結(jié)果如圖9~13所示。

      圖9 無儲熱球時(shí)儲熱器溫度分布

      圖10 φ12儲熱球時(shí)儲熱器溫度分布

      圖11 φ10儲熱球時(shí)儲熱器溫度分布

      圖12 φ8儲熱球時(shí)儲熱器溫度分布

      圖13 φ6儲熱球時(shí)儲熱器溫度分布

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

      由表7可知,有儲熱球時(shí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間比無儲熱球時(shí)要長,說明儲熱球儲熱效果較好,同時(shí)儲熱球直徑對停機(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)果來看,儲熱球粒徑為10 mm時(shí)停機(jī)時(shí)間最長,儲熱效果最好,這與儲熱球溫度隨儲熱球粒徑變化趨勢所反應(yīng)的結(jié)果是吻合的(見圖14)。

      表7 不同粒徑儲熱球時(shí)斯特林停機(jī)時(shí)間

      圖14 不同粒徑儲熱球時(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) 與無儲熱球填充儲熱器時(shí)相比,有儲熱球時(shí)儲熱器溫度變化較平緩,相同最高轉(zhuǎn)速(相同慣量時(shí))有儲熱器時(shí)斯特林停機(jī)時(shí)間較長,說明儲熱器效果較好。

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

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