摘要：為了探究熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)中熔鹽電加熱器不同布置形式的優(yōu)劣問(wèn)題，以某熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析系統(tǒng)中熔鹽電加熱器的布置特點(diǎn)及其內(nèi)部的熔鹽工質(zhì)熱動(dòng)力模擬，總結(jié)不同布置形式的利弊，為熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目中熔鹽電加熱的布置設(shè)計(jì)提供參考。

引言：熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)是目前的主流高溫儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有成本低、熱容高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，已在西班牙等國(guó)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用[1]。某熔鹽儲(chǔ)能供蒸汽項(xiàng)目利用夜間低谷電驅(qū)動(dòng)熔鹽電加熱器對(duì)熔鹽工質(zhì)進(jìn)行加熱儲(chǔ)存，峰電時(shí)段作為替代熱源進(jìn)行蒸汽供應(yīng)。熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)利用材料的潛熱儲(chǔ)存熱量，將低谷電以熱能形式儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”、節(jié)約能源。

熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，利用熔鹽工質(zhì)的顯熱溫區(qū)，低谷電驅(qū)動(dòng)熔鹽電加熱器加熱低溫熔鹽，使其升溫至設(shè)計(jì)溫度后儲(chǔ)存于熔鹽儲(chǔ)罐內(nèi)；電力尖峰時(shí)段，利用熔鹽換熱系統(tǒng)使熔鹽罐內(nèi)的高溫熔鹽進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移，替補(bǔ)峰段內(nèi)的部分熱量，減少峰段能源消耗。其中，融化溫區(qū)為140~210℃的熔鹽工質(zhì)多應(yīng)用于熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用特定溫區(qū)的熔鹽工質(zhì)作為儲(chǔ)能材料時(shí)，需同步考慮系統(tǒng)核心設(shè)備熔鹽電加熱器的設(shè)計(jì)制造及安裝。受建設(shè)場(chǎng)地規(guī)模的影響，熔鹽電加熱器的布置方案包括臥式和立式形式，布置方式直接影響熔鹽電加熱器的壽命周期和占地面積。

介紹熔鹽電加熱器在熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)化模擬分析，使用建模軟件SolidWorks和其綁定的熱動(dòng)力模擬軟件Flow Simulation對(duì)不同布置形式下熔鹽電加熱器的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析，以計(jì)算得到的模擬數(shù)據(jù)為依據(jù)，為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1、熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)

1.1熔融鹽工質(zhì)

熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)使用熔鹽作為儲(chǔ)能工質(zhì)，將能源以熱的形式儲(chǔ)存在熔鹽工質(zhì)中。熔鹽是鹽類熔化形成的熔融體，具有傳熱效率高、儲(chǔ)熱溫區(qū)大及高穩(wěn)定等性能，被應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能工藝。以不同的使用溫區(qū)劃分熔鹽工質(zhì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將熔鹽工質(zhì)大致分為高溫(>600℃)、中溫(350~600℃)、低溫(100~350℃)和室溫(<100℃)四大體系，各體系之間無(wú)嚴(yán)格的溫度界限[2]；可以按照熔鹽的不同組分進(jìn)行命名分類。文中的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)中，使用組分為7%NaNO3+53%KNO3+40%NaNO2的三元熔鹽，初始熔化溫度為142℃，持續(xù)升溫至150℃完全熔融。

三元熔鹽的物性參數(shù)如表1所示。

1.2熔鹽電加熱器

熔鹽電加熱器與傳統(tǒng)槽式電加熱的原理相同，利用特殊管狀電熱元件結(jié)合法蘭集束的形式與壓力容器組成供熱整體，主要由電加熱芯、筒體、封頭和集線槽組成。熔鹽電加熱器利用電能對(duì)槽內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)或氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)行加熱升溫[3]，加熱形式分為紅外線加熱、電弧加熱、電阻式加熱等，電阻式加熱形式更適用于熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)。與其他熔鹽工質(zhì)加熱方式相比，熔鹽電加熱具有快捷且易于控制等優(yōu)點(diǎn)，直接式加熱裝置加熱運(yùn)行過(guò)程中，電加熱器內(nèi)的電加熱元件產(chǎn)生熱量，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式加熱介質(zhì)[4]。電加熱器通電發(fā)出熱量為腔內(nèi)熔鹽吸收熱量，極大地提升了電-熱轉(zhuǎn)換效率，減少了能源浪費(fèi)。

1.3熔鹽儲(chǔ)能應(yīng)用

目前，光伏、風(fēng)電等新能源項(xiàng)目大規(guī)模建設(shè)，但新能源項(xiàng)目可能存在發(fā)電不平穩(wěn)以及發(fā)電、用電的時(shí)間、空間不匹配等特性，現(xiàn)階段存在棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。需要調(diào)峰的電廠陸續(xù)建設(shè)了熔鹽建設(shè)儲(chǔ)能項(xiàng)目，充分利用新能源及電廠的零價(jià)、低價(jià)電量，實(shí)現(xiàn)谷電時(shí)段儲(chǔ)能，用電高峰時(shí)發(fā)電；通過(guò)提供深度調(diào)峰等電力輔助服務(wù)，增加對(duì)外供汽、供熱的能力和質(zhì)量，提高盈利能力。熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)在清潔供熱領(lǐng)域、工業(yè)蒸汽領(lǐng)域和電力調(diào)峰領(lǐng)域均具有推動(dòng)作用。

（1）清潔供熱領(lǐng)域。

新型熔鹽儲(chǔ)能供蒸汽系統(tǒng)可以利用清潔電力滿足用戶的不同供熱及供蒸汽需求。針對(duì)北京地區(qū)，國(guó)家給予了良好的谷電獎(jiǎng)勵(lì)政策，擴(kuò)大了熔鹽蓄熱的應(yīng)用市場(chǎng)。

（2）工業(yè)蒸汽領(lǐng)域。

我國(guó)待改造在用燃煤工業(yè)鍋爐達(dá)46.7萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)125萬(wàn)MW。工業(yè)鍋爐市場(chǎng)蒸汽年產(chǎn)量為23萬(wàn)MW，工業(yè)蒸汽市場(chǎng)規(guī)模為每年3 000億元。隨著城鎮(zhèn)化持續(xù)發(fā)展，預(yù)計(jì)2050年時(shí)，中國(guó)的建筑總面積將超過(guò)800億m2。供蒸汽領(lǐng)域，熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)被大規(guī)模推廣使用。

（3）電力調(diào)峰領(lǐng)域。

清潔能源的利用將大規(guī)模增長(zhǎng)，提高火電運(yùn)行靈活性是火電行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向，選擇合適的技術(shù)路線是火電廠靈活性改造的關(guān)鍵，需要從調(diào)峰效果、改造成本和運(yùn)行成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析。新型熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)能夠增加機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行能力和頂負(fù)荷能力，具有儲(chǔ)能密度大、儲(chǔ)能溫區(qū)廣的特點(diǎn)，在調(diào)峰領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2、熔鹽電加熱器模擬及分析

以某熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，利用SolidWorks軟件創(chuàng)建熔鹽電加熱器的有限元模型，控制某一邊界條件進(jìn)行熱動(dòng)力運(yùn)行模擬分析，得到熔鹽電加熱器在熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)中的最優(yōu)布置形式，利用Flow Simulation功能得到熱動(dòng)力模擬分析數(shù)據(jù)，并將其合理地應(yīng)用于其他熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以有效提高熔鹽加熱器的加熱效率及運(yùn)行安全性。

2.1熔鹽電加熱器有限元模型的建立

對(duì)熔鹽電加熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐一拆分，便于對(duì)各個(gè)零部件單獨(dú)建模。為了給予不同零件不同的邊界條件，以實(shí)現(xiàn)更顯著的模擬效果，將熔鹽電加熱器細(xì)分為熔鹽電加熱器纜線端頭、加熱芯、熔鹽電加熱器外殼及折流板等四大零部件，利用SolidWorks軟件分別建立有限元模型。

（1）纜線端頭。

熔鹽電加熱器的纜線端頭主要由圓形筒體、配對(duì)法蘭及螺栓等零件組成，主要作用是匯總?cè)埯}電加熱器加熱芯端部的接電線纜。所有加熱芯的接電端均置于熔鹽電加熱器纜線端頭內(nèi)部，方便加熱芯接線端的檢修維護(hù)，對(duì)加熱芯線纜端進(jìn)行封閉式保護(hù)。熔鹽電加熱器纜線端頭模型前視基準(zhǔn)面如圖1所示。

對(duì)熔鹽電加熱器纜線端頭進(jìn)行數(shù)據(jù)化建模，通過(guò)平面配合控制纜線端頭與其他零部件的位置關(guān)系，減少不必要的外部參考，突顯纜線端頭的空間形態(tài)及裝配位置。

（2）加熱芯。

熔鹽電加熱器加熱芯設(shè)計(jì)及建模為研究重點(diǎn)，需要提前設(shè)計(jì)布置根數(shù)、與熔鹽工質(zhì)接觸面積等參數(shù)。文中加熱芯為四層圓周形環(huán)繞布置，單根加熱芯采用直徑為12 mm的U形插入式加熱芯，位于熔鹽加熱器殼腔內(nèi)的有效加熱長(zhǎng)度為3 895 mm，有效加熱面積為0.295 m2。加熱芯呈側(cè)傾斜25°裝配布置。中間層為15根，其次分別為35根、60根、70根，總計(jì)布置180根U形插入式加熱芯，總有效加熱面積為53.1 m2。

在SolidWorks軟件中使用圓周陣列快速將其裝配至加熱芯固定端側(cè)。熔鹽電加熱器加熱芯模型雙端基準(zhǔn)面如圖2所示。

（3）外殼。

熔鹽電加熱器外殼具有控制腔內(nèi)與加熱芯接觸流量及散熱阻斷作用，考慮熔鹽電加熱器的整體布局，通過(guò)設(shè)計(jì)模擬電加熱器外殼控制尺寸，實(shí)現(xiàn)折流板、加熱芯、進(jìn)出管口及鞍座的空間位置配合。

利用SolidWorks軟件的旋轉(zhuǎn)、拉伸等功能直接創(chuàng)建外徑620 mm、壁厚10 mm的帶橢圓形封頭的熔鹽電加熱器外殼模型，通過(guò)拉伸、切除創(chuàng)建水平y(tǒng)軸方向的熔鹽工質(zhì)進(jìn)出管口，近纜線端頭處為入口，近封頭處為出口。熔鹽工質(zhì)進(jìn)出管口為模擬熔鹽工質(zhì)流動(dòng)腔的邊界條件，熱動(dòng)力模擬需要完全密閉的內(nèi)部腔體，實(shí)現(xiàn)熔鹽工質(zhì)邊界條件的設(shè)定。在熔鹽電加熱器外殼的熔鹽工質(zhì)進(jìn)出口管口處使用便捷端蓋功能，直接以管口外端面為契合面裝配端蓋。熔鹽電加熱器外殼前視基準(zhǔn)面剖面（帶端蓋）如圖3所示。

（4）折流板。

熔鹽電加熱器折流板與熱交換器中的折流板作用相同，固定支承加熱芯管束，增大其內(nèi)部熔鹽工質(zhì)流動(dòng)范圍，提高熱傳遞效率。設(shè)計(jì)裝配6塊直徑600 mm的折流板，分別為3塊上切口折流板及3塊下切口折流板，每塊折流板限位尺寸530 mm。折流板中孔位依照加熱芯的排布進(jìn)行拉伸切除。熔鹽加熱器折流板模型右視基準(zhǔn)面如圖4所示。

（5）整體裝配建模。

完成四大零部件的設(shè)計(jì)建模后，新建零件裝配圖，對(duì)熔鹽電加熱器纜線端頭、加熱芯、外殼及折流板進(jìn)行統(tǒng)一配合。以熔鹽電加熱器纜線端頭為有限元固定位置，將加熱芯、折流板及外殼依次面面配合，其中較為關(guān)鍵的為折流板的配合參數(shù)，將上切口折流板與下切口折流板限位530 mm依次排布。熔鹽電加熱器整體裝配方式如圖5所示。

2.2熱動(dòng)力模擬分析

SolidWorks軟件中的Flow Simulation熱流體仿真模擬插件可以在SolidWorks的建模設(shè)計(jì)環(huán)境下提供比較完善的熱動(dòng)力分析功能。Flow Simulation與SolidWorks共享同一個(gè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的工質(zhì)材料設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，節(jié)省了建模設(shè)計(jì)及模擬分析的數(shù)據(jù)重復(fù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。熱動(dòng)力模擬分析中時(shí)刻根據(jù)原始建模數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界條件和有計(jì)算域網(wǎng)格的實(shí)時(shí)更新及自動(dòng)運(yùn)算。

熔鹽電加熱器內(nèi)流體工質(zhì)選用三元熔鹽，軟件內(nèi)并未自帶熔鹽液體工質(zhì)，需提前錄入設(shè)計(jì)溫區(qū)的相關(guān)物性參數(shù)，以便后續(xù)求解計(jì)算使用。

2.2.1臥式熔鹽電加熱器熱動(dòng)力模擬

（1）模擬基礎(chǔ)條件：設(shè)定內(nèi)部分析類型，排除不具備流體條件的腔；設(shè)定固體內(nèi)部熱傳導(dǎo)，固體材料為不銹鋼321；設(shè)定臥式重力，重力方向y軸，方向分量-9.81 m/s2；設(shè)定默認(rèn)流體為用戶自定義的熔鹽工質(zhì)，流動(dòng)特征為層流和湍流；設(shè)定壁面為絕熱條件。

（2）模擬邊界條件：計(jì)算域?yàn)槿埯}電加熱器整體有限元立體區(qū)域；熱源為熔鹽電加熱器加熱芯，單位面積熱功耗26 000 W/m2；熔鹽電加熱器熔鹽工質(zhì)流入管口質(zhì)量流量為3 kg/s，溫度180℃，壓力0.401 MPa；熔鹽電加熱器熔鹽工質(zhì)流出管口為總壓為0.301 MPa的壓力開(kāi)口，設(shè)定出口溫度為390℃。

（3）求解目標(biāo)：求解熔鹽工質(zhì)進(jìn)出口的運(yùn)行溫度平均值，用于控制目標(biāo)收斂。

（4）全局求解：通過(guò)模型基礎(chǔ)條件及邊界目標(biāo)等條件的設(shè)計(jì)控制，利用Flow Simulation功能進(jìn)行全局求解，得到熔鹽電加熱器在臥式布置情況下的內(nèi)部熔鹽工質(zhì)的熱流動(dòng)數(shù)據(jù)。

臥式熔鹽電加熱器前視基準(zhǔn)面等高線溫區(qū)切面如圖6所示，臥式熔鹽電加熱器流動(dòng)軌跡如圖7所示。

2.2.2立式熔鹽電加熱器熱動(dòng)力模擬

（1）模擬基礎(chǔ)條件：設(shè)定立式重力，重力方向x軸，方向分量-9.81 m/s2；其余條件與臥式熔鹽電加熱器熱動(dòng)力模擬過(guò)程相同。

（2）模擬邊界條件和求解目標(biāo)與臥式熔鹽電加熱器熱動(dòng)力模擬過(guò)程相同。

（3）全局求解：立式熔鹽電加熱器前視基準(zhǔn)面等高線溫區(qū)切面如圖8所示，立式熔鹽電加熱器流動(dòng)軌跡如圖9所示。

2.3熱動(dòng)力模擬分析

分析熔鹽電加熱器熱動(dòng)力模擬的流動(dòng)軌跡，臥式布置情況下，電加熱器下切口折流板的內(nèi)角側(cè)出現(xiàn)明顯的流動(dòng)不均勻現(xiàn)象，線性軌跡明顯大量空缺，死區(qū)溫度過(guò)熱，達(dá)528℃；立式布置的熔鹽電加熱器內(nèi)部熔鹽工質(zhì)溫度上升均勻，雖折流板內(nèi)角側(cè)也出現(xiàn)流動(dòng)不均勻現(xiàn)象，但受重力影響，內(nèi)角側(cè)未出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象。

分析臥式及立式熔鹽電加熱器的等高線溫區(qū)切面，臥式布置時(shí)出現(xiàn)明顯的局部溫度過(guò)高現(xiàn)象，溫度達(dá)528℃，重力為y軸負(fù)方向，所有腔內(nèi)熔鹽工質(zhì)均受到向y軸負(fù)方向的重力加速度，腔體上端易出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)。立式布置時(shí)出現(xiàn)輕微局部溫度過(guò)高現(xiàn)象，溫度約440℃，死區(qū)的折流板內(nèi)角側(cè)因x軸負(fù)方向的重力因素易出現(xiàn)強(qiáng)制下流現(xiàn)象，不易形成流動(dòng)死區(qū)，產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象。

電加熱器中，出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)極容易造成腔內(nèi)局部高溫，模擬過(guò)程易出現(xiàn)全局計(jì)算問(wèn)題，推斷存在融化腔體的可能。熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部環(huán)境為非可視狀態(tài)，只能在熔鹽電加熱器出廠前確定折流板安裝位置及數(shù)量，在易出現(xiàn)死區(qū)位置增設(shè)多點(diǎn)位的高溫溫度探頭，以確保運(yùn)行過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3、結(jié)語(yǔ)

熔鹽電加熱器加熱芯的有效加熱面積為56.11 m2，單位面積熱功耗為26 000 W/m2。相同邊界條件下，臥式布置和立式布置的熔鹽電加熱器在熱動(dòng)力模擬方面具有較為明顯的差別。與立式布置相比，臥式布置出現(xiàn)較為明顯的熔鹽死區(qū)，出現(xiàn)局部高溫528℃，立式布置未出現(xiàn)局部高溫，腔內(nèi)最高溫度約440℃。熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先選取立式安裝布置形式。

使用Flow Simulation對(duì)某熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)中熔鹽電加熱器的臥、立式布置形式進(jìn)行數(shù)據(jù)化運(yùn)行分析，探求最優(yōu)布置形式。以熱動(dòng)力模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，立式布置可以在節(jié)省占地面積的同時(shí)，有效提高電加熱的加熱效果，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，在對(duì)應(yīng)運(yùn)行模擬數(shù)據(jù)佐證的情況下，可以在設(shè)計(jì)初期降低其設(shè)計(jì)及投資成本。

熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)作為新興的清潔能源技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景，隨著熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷成熟和優(yōu)化完善，儲(chǔ)能效率和換熱效率逐步提高，熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)將得到廣泛普及。

注：本文轉(zhuǎn)自《節(jié)能基礎(chǔ)科學(xué)》期刊，聯(lián)合作者為北京熱力市政工程建設(shè)有限公司鄭策、曾祥靜、閆碩，北京民利儲(chǔ)能技術(shù)有限公司穆世慧、于思源等。轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的，若有來(lái)源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請(qǐng)作者與本網(wǎng)聯(lián)系。