电阻式熔盐加热器动态建模与参数化分析.pdf
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1、heaterJ.Thermal Power Generat2(9):155-161.ZHANG Guolong,JU Wenping,CHANG Dongfeng,et al.Dynamic modeling and parametric analysis of resistance molten salt引用本文格式张国龙,居文平,常东锋,等.电阻式熔盐加热器动态建模与参数化分析 .热力发电,2 0 2 3,52(9):155-16 1.Sep.2023THERMALPOWERGENERATION2023年9 月No.9Vo1.52第9 期热力发电第52 卷DOI:10.19666/j.rl
2、fd.202212264电阻式熔盐加热器动态建模与参数化分析张国龙1-2,居文平1,2,常东锋1,2,张建元1,2,雒青1,2,王伟12,王东晔1,2,耿如意1,2(1.西安西热节能技术有限公司,陕西西安710054;2.西安热工研究院有限公司,陕西西安710054)【摘要采用Dymola软件建立以电阻式熔盐加热器为研究对象的动态模型,在验证模型有效性的基础上,重点研究了在电负荷和熔盐流量扰动下及不同布置方式下电阻式熔盐加热器的瞬态特性和内部温度场。研究结果表明:电负荷和熔盐流量大扰动对电阻式熔盐加热器动态特性的影响趋同,且分别在110 s和10 5s时达到其极限工况;而二者协同扰动时,可大幅
3、推迟其极限工况的发生;多个电加热器串联或并联布置能够减缓熔盐温度变化,但却增加了系统成本。研究结论可为电阻式熔盐加热器的设计、控制和调试提供参考。关键词电阻式加热器;熔盐;动态模拟;参数扰动;DymolaDynamic modeling and parametric analysis of resistance molten salt heaterZHANG Guolongl-2,JU Wenping?,CHANG Dongfeng2,ZHANG Jianyuan-2,LUO Qingl-2,WANGWeil2,WANG Dongyell2,GENG Ruyil.2(1.Xian TPRI E
4、nergy Conservation Technology Co.,Ltd.,Xian 710054,China;2.Xian Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710054,China)Abstract:The dynamic model of resistive type molten salt heater was established by Dymola software,and thetransient characteristics and internal temperature field of resistive
5、type molten salt heater under electrical load andmolten salt flow disturbance and different arrangement modes were studied on the basis of verifying theeffectiveness of the model.The results show that the influence of large disturbance of electric load and molten saltflow on the dynamic characterist
6、ics of resistance type molten salt heater tends to be the same,and reaches its limitcondition at 110 s and 105 s respectively.However,the occurrence of the limit condition can be greatly delayedwhen the two disturbances are coordinated.Multiple electric heaters arranged in series or in parallel can
7、slow downthe change of molten salt temperature,but increase the system cost.The research conclusion can provide referencefor the design,control and debugging of resistance molten salt heater.Key words:electric heater;molten salt;dynamic simulation;parameter perturbation;Dymola近年来,将电能转化为热能的储能方式在大规模储能
8、方面表现出极大潜力。相较于抽水储能、压缩空气储能、电池储能和超级电容器等其他储能技术 ,电转热的储能方式虽然效率较低,但却具有不受地理条件限制、材料成本低及相关技术成熟等优势 2-5。Okazaki6分别在光伏发电和风力发电2 种情境下,定量分析了电热储能技术相比于电池储能的经济优越性。Guo等人 7 提出一种具有电加热器的风光热混合动力系统,通过粒子群优化算法求解储热系统最佳容量配置,并得出在风光系统中添加电加热器和热能储存将显著提高其可靠性和经济性。修回日期:2 0 2 2-12-2 1网络首发日期:2 0 2 3-0 4-2 7基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 19YFB15054
9、00);西安热工研究院有限公司自主科技项目(GB-22-TZK12)Supported by:National Key Research and Development Program(2019YFB1505400);Independent Technology Project of Xian Thermal PowerResearch Institute Co.,Ltd.(GB-22-TZK12)第一作者简介:张国龙(1997),男,硕士研究生,主要研究方向为熔盐储热系统动态模拟,。http:/1562023年热力发电Yang等人 8 分析了在可再生能源领域引入电加热器的影响,结果表明电加热
10、器有助于减少发电计划偏差和弃风弃光现象。Trieb等人 9 通过对热电联产机组建模,得出在高度可变负荷框架内配置电热储热系统的技术可行性和经济可行性。电加热器作为电能转化为热能储存的核心设备,具有可扩展性强、技术成熟及结构简单等优点,配合储热系统可平滑可再生能源输出、辅助火电机组调频调峰及维持电网频率稳定等。本文以电阻式熔盐加热器为研究对象,采用集总参数法,建立全尺寸电阻式熔盐加热器数学模型;在验证模型有效性的基础上,重点研究了在电负荷和熔盐流量的扰动下及不同布置方式下电阻式熔盐加热器的瞬态特性和内部温度场,为电阻式熔盐加热器的设计与运行提供理论指导。1研究对象和仿真模型1.1Dymola仿真
11、平台商业仿真平台Dymola基于Modelica语言,其包含了机械、热工、水力等物理领域的标准库,适用于包含熔盐、水等工质的热力循环瞬态特性研究 10-12 。由于本文研究对象电阻式熔盐加热器在周向上热流分布均匀,同一截面下各点温度相差不大,所以为简化计算,本文选择使用一维建模软件Dymola进行模拟计算。1.2储热介质选择“太阳盐”(6 0%NaNO340%KNO3(质量分数,下同)具有工作温度范围广、高导热性和成本较低等优点 13-14,是一种优秀的储热介质,被广泛应用于聚光太阳能发电厂 15-16 。“太阳盐”可以和电加热器直接接触换热,相比于电加热器加热岩石需要借助中间介质空气换热来说
12、 17 ,“太阳盐”和电加热器耦合结构简单、技术成熟,本文选取“太阳盐”为储热介质。1.3物理模型电加热器主要用于流动的液态、气态介质的加热,根据加热方式不同,电加热器可分为电阻式、感应式和电弧式等。典型电阻式加热器结构示意如图1所示。电阻式加热器主要由U型电加热管、壳体和支撑板组成(图1a),其中U型电加热管内部(图1b))从里到外依次是合金电阻丝、填充材料和金属外壁,其具体参数见表1。电流通过合金电阻丝产生热量,热量由内之外传递给壳侧熔盐;同时,为避免电加热器局部温度过高,U型管顶端不发热 4-6,18 。熔盐出口支撑板电加热管ALA电流熔盐进口a)电阻式加热器整体示意A-A视图电加热管合
13、金电阻丝一填充材料熔盐金属外壁b)电加热管内部示意图1电阻式加热器结构示意Fig.1 Structural diagram of resistance heater表1电阻式熔盐加热器物理参数Tab.1 Physical parameters of resistance molten salt heater项目主要参数数值额定功率/MW15电加热器进口熔盐温度/295出口熔盐温度/565直径/mm900壳体长度/m18U型电加热管根数/根390最高工作温度/1.200直径/mm1电阻丝比热容/(kJ(kg:K)l)0.460(Ni80Cr20)导热系数/(W(mK)-)15.0密度/gcm3)
14、8.14最高工作温度/1200厚度/mm3.00填充材料比热容/(kJ(kgK)-l)0.875(氧化镁2 2 SR)导热系数/(W(mK)-)19.1密度/(gcm-3)3.58最高工作温度/1 400厚度/mm2.75金属外壁比热容/(kJ(kgK)-l)0.500(S32168)导热系数/(W(mK)-)22.2密度/g:cm-3)8.031.4数学模型为建立电阻式熔盐加热器数学模型作出以下假设:1)忽略电阻丝径向热阻;2)忽略电阻丝、填充材料和金属外壁之间的接触热阻;3)假设电阻式加热器内部全部由熔盐填充,不存在空气;4)将电流流过电阻丝产生的热量等效为恒热流密度http:/157张国
15、龙等电阻式熔盐加热器动态建模与参数化分析第9 期(W/m);5)忽略熔盐在电阻式加热器流动中产生的压降。电阻式熔盐加热器模型包括加热管热传导子模型和熔盐传热子模型 19。1.4.1加热管热传导子模型使用FVM(有限体积法)将电阻式熔盐加热器沿长度方向划为n个离散控制体积,其中单根电加热管在径向热传导模型如图2 所示。O控制体合金电阻丝C填充材料工C金属外壁T,熔盐T。图2 单根电加热管径向热传导示意Fig.2 Radial heat conduction diagram of single electricheating pipe其中,电阻丝被电流加热温升过程的能量平衡可以描述为:d(c,m.
16、T,)qerA.-Qf(1)dt式中:Cr为电阻丝的比热容,J/(kgK);m为电阻丝单位体积内质量,kg;T 为电阻丝单位体积内平均温度,K;q e r 为等效热流密度,W/m;A r 为单位体积内电阻丝和填充材料的有效接触面积,m;Q r 为单位时间内单位体积电阻丝向填充材料传递的热量,W。填充材料的能量传递方程和能量平衡方程为:dc,m:T,(2)dtQf-Q%=(3)S式中:ct为填充材料的比热容,J/(kgK);mf 为填充材料单位体积内质量,kg;T t 为填充材料单位体积内平均温度,K;Q f o 为单位时间内单位体积填充材料向金属外壁传递的热量,W;A r 为单位体积内填充材料
17、和金属外壁的有效接触面积,m;&为填充材料的厚度,m;为填充材料的导热系数,W/(mK);T 为单位体积填充材料内外壁面温差,K。金属外壁的能量传递方程和能量平衡方程为:d(C.m.T.)=Qfo-Qo(4)dtOS2Q%-Qos=A.T。(5)式中:Co为金属外壁的比热容,J/(kgK);m。为金属外壁单位体积内质量,kg;T。为金属外壁单位体积内平均温度,K;Q o s 为单位时间内单位体积金属外壁向熔盐传递的热量,W;A。为单位体积内金属外壁和熔盐的有效接触面积,m;为金属外壁的厚度,m;为金属外壁的导热系数,W/(mK);T。为单位体积金属外壁内外壁面温差,K。1.4.2熔盐传热子模型
18、热量通过对流换热从电加热管表面转移到管外流体,对流换热由一维模型模拟。与电加热管热传导子模型一样,管外空间被划分为多个控制体积,如图3所示,温度位于法向单元的中心。ToTTo.1g8181图3熔盐传热子模型示意Fig.3 Schematic diagram of heat transfer sub model ofmolten salt对于控制体积i,质量平衡方程为:d(pV)g;-gi+1(6)dt式中:pi为熔盐单位体积内密度,kg/m;Vi 为熔盐单位体积大小,m;g i 为熔盐单位体积内质量流量,kg/s。控制体积i的能量平衡方程为:d(c,im,T,)=g,h,-gi+thi+1+Q
19、o(7)dt式中:Cp.i为熔盐定压比热容,J/(kgK);mi 为熔盐单位体积内质量,kg;T 为熔盐单位体积内平均温度,K;h i 为熔盐单位体积内比焰,J/kg;Q o s 为单位时间内单位体积熔盐和管壁之间的对流换热量,计算方程见式(8)。Qs=;A.(Tob-T)(8)式中:i为熔盐单位体积内表面传热系数,W/(mK),由式(9)计算;Tob为金属外壁单位体积下的外壁温度,K。,=Nu(9)D考虑到本文熔盐流动的雷诺数介于40 0 2 30 0时,可使用经验关联式(10)计算Nusselt数 2 0 。0.630.32RePrNu=1.61(10)1/Dhttp:/1582023年热
20、力发电式中:Re为雷诺数;Pr为普朗特数;1为长度,m;D为特征长度,m;u、L l w 分别为熔盐和管壁温度下的熔盐黏度系数,kg/(ms)。2模型验证本文在对电阻式熔盐加热器动态模型验证过程中,构建了一个与文献 2 1 中相同尺寸的电加热管和熔盐模型,用于比较动态模型的准确性,比较结果如图4、图5所示。由图4及图5可知:加热管出口熔盐温度和管壁温度的模拟值和实验值变化趋势一致,均是先降低后趋于平稳;熔盐出口温度和管壁温度的模拟值与实验值最大偏差不到3%,主要发生在瞬态过程中,在稳态时,模拟值与实验值最大偏差不到1%。因此,本文所建立的电阻式熔盐加热器模型的准确性得以证明。360元2.5模拟
21、值350H实验值2.0相对误差%3401.53301.0320F0.5310300001020304050时间/s图4出口熔盐温度的模拟值与文献 2 1 实验值结果对比Fig.4 Comparison between simulated value of outlet moltenat4101.54001.03900.5%0380-0.53701.0360模拟值-1.5350实验值-2.0340相对误差-2.53303.001020304050时间/s图5出口管壁温度的模拟值与文献 2 1 实验值结果对比Fig.5 Comparison between simulated value of o
22、utlet pipewall temperature and experimental value in literature 213数值模拟结果与分析电阻式熔盐加热器在接入可再生能源系统时,电负荷将频繁波动,为保证其运行稳定且高温熔盐不分解,本节将深入分析在电功率和熔盐流量扰动下及不同布置方式时其动态性能,这些研究结果将为其控制策略的指定提供研究基础。3.1电功率扰动3.1.1温度分布情况当熔盐流量保持不变,而电负荷从7.5MW突增为15.0 MW时,在出口径向截面上熔盐平均温度、金属管壁温度、填充材料外表面温度以及电阻丝温度的变化曲线如图6 所示。由图6 可知:在020s内出口电加热管内部
23、温度快速升高,而熔盐温度变化缓慢;随着时间推移,在2 0 s后,出口熔盐温度跟随电加热管温度的升高而升高,但熔盐温度变化速率要小于壁温变化速率。这主要是因为电加热器传热过程中的热阻主要集中于管壁和熔盐之间,熔盐温度变化要滞后于电加热管温度变化。700r-O-0s0-20s675-40s60s-80 s-0-110s650625600575中550100.20.40.60.81.0径向无量纲位置图6 电加热器出口处径向温度随时间变化曲线Fig.6 Time varying curve of radial temperature at the outletofelectric heater当电负荷
24、阶跃变化而熔盐流量保持不变时,在轴向上熔盐平均温度及电加热管壁温随时间变化曲线如图7、图8 所示。由图7 可知,熔盐温度在稳态和动态变化过程中都保持着沿轴向线性升高趋势,且在电加热器出口处达到最高熔盐温度。在110 s时电加热器出口熔盐温度率先达到6 0 0,超出了“太阳盐”的安全工作温度范围,将发生严重热分解现象;同时其过高的工作温度导致与其接触的钢材发生腐蚀,甚至可能会引发电加热管破裂,造成巨大的经济损失 2 2-2 3。而此时电加热器内部电阻丝最高温度为672,远远低于电加热管安全温度设定值12 0 0。610口0 sO20s440s+60s555*80so110s50044539033
25、5口28000.20.40.60.81.0轴向无量纲位置a)电加热器轴向熔盐平均温度变化曲线http:/159张国龙等日电阻式熔盐加热器动态建模与参数化分析第9 期600r-0-0s-0-20s-440s+60s-80s-110s575F550H5255000.80.91.0轴向无量纲位置b)局部放大图图7 电加热器轴向熔盐平均温度变化曲线Fig.7 Average temperature change curve of electric heateraxialmolten salt700O20s65040s+60s14O口*80so110sO*1400./600O4OO4O口口550口口O4
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