□ 楊煜兵 □ 張春光 □ 張俊峰 □ 劉嘉瑞 □ 劉佳慧

1.國(guó)機(jī)傳感科技有限公司 沈陽(yáng) 110043

2.傳感器國(guó)家工程研究中心 沈陽(yáng) 110043

1 分析背景

塔式光熱電站通過(guò)定日鏡聚光系統(tǒng)將太陽(yáng)輻射能經(jīng)反射匯聚到吸熱器上,在吸熱器內(nèi)對(duì)熔融鹽等傳熱介質(zhì)進(jìn)行加熱,加熱熔化后的熔融鹽通過(guò)二次回路系統(tǒng)加熱水和水蒸氣,從而產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。我國(guó)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電站大多建設(shè)在擁有極豐富的太陽(yáng)能資源的西北地區(qū),但由于西北地區(qū)空氣中沙塵較多,而灰塵是影響塔式太陽(yáng)能發(fā)電站定日鏡反射率的決定性因素。積灰會(huì)降低定日鏡反射率造成發(fā)電量的損失。同時(shí)積灰還會(huì)造成化學(xué)腐蝕作用,影響定日鏡的性能并降低使用壽命。目前解決積灰問(wèn)題技術(shù)有兩種:水射流技術(shù)和干式除塵技術(shù)。筆者針對(duì)某塔式光熱電站定日鏡清洗車(chē)的除塵系統(tǒng),采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)除塵過(guò)程進(jìn)行分析,得到除塵過(guò)程的流場(chǎng)信息,為除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

2 數(shù)學(xué)模型

筆者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)定日鏡清洗車(chē)除塵系統(tǒng)的除塵過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,通過(guò)求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及離散相動(dòng)力方程,可以獲得除塵系統(tǒng)除塵過(guò)程流場(chǎng)的壓力、速度和灰塵體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。

2.1 控制方程

連續(xù)性方程為:

?ρ/?t+?·(ρV)=0

(1)

動(dòng)量方程為:

(2)

式中:ρ為流體密度;V為流體速度矢量;f為流體所受的質(zhì)量力;p為流體壓力;γ為流體運(yùn)動(dòng)黏度;?·()、?()為張量運(yùn)算符號(hào),分別表示對(duì)括號(hào)內(nèi)的物理量求散度、梯度;ΔV為流體速度矢量梯度的散度;VV為流體速度矢量雙積;?·(VV)為由流體速度場(chǎng)不均勻性產(chǎn)生的加速度。

2.2 湍流模型

定日鏡清洗車(chē)除塵系統(tǒng)在除塵過(guò)程中,離心式吸塵器將大量混合著灰塵顆粒的空氣從防護(hù)罩內(nèi)吸出,同時(shí)滾刷也在高速旋轉(zhuǎn),因此定日鏡清洗車(chē)除塵系統(tǒng)防護(hù)罩殼內(nèi)的空氣流動(dòng)屬于高度紊亂湍流運(yùn)動(dòng)。k-ε湍流模型能夠很好地模擬湍流運(yùn)動(dòng)過(guò)程,因此筆者計(jì)算采用k-ε湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型輸運(yùn)方程中,湍動(dòng)能k方程為:

ρε-YM+Sk

(3)

耗散率ε方程為:

(4)

式中:μ為流體動(dòng)力黏度;μt為渦黏因數(shù);σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε為由試驗(yàn)得到的因數(shù);Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能;Gb為由流體質(zhì)量產(chǎn)生的湍動(dòng)能;YM為流體可壓縮性對(duì)耗散率的影響;Sk、Sε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的例數(shù)。

3 研究對(duì)象幾何模型

筆者研究的定日鏡清洗車(chē)除塵系統(tǒng)模型如圖1所示,包含滾刷、集塵罩及防護(hù)罩殼。模型出口1與模型出口2是防護(hù)罩殼封閉情況下的模型出口,環(huán)境空氣可以從這兩個(gè)出口進(jìn)入保護(hù)罩。在分析時(shí)去掉下部防護(hù)罩殼,即模型出口1、下部防護(hù)罩殼既可以作為模型出口半封閉狀態(tài),也可以作為壁面邊界封閉狀態(tài)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算中建立的幾何模型忽略對(duì)流場(chǎng)影響較小的模型特征,如保護(hù)罩內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)件及倒角、臺(tái)階等保護(hù)罩某些局部小特征。除塵系統(tǒng)采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行吸氣,灰塵經(jīng)過(guò)滾刷旋轉(zhuǎn)順時(shí)針或逆時(shí)針攪動(dòng)揚(yáng)起之后,通過(guò)集塵罩吸入到相應(yīng)的灰塵收集裝置內(nèi)。

▲圖1 定日鏡清洗車(chē)除塵系統(tǒng)模型

4 計(jì)算設(shè)置

4.1 物理模型

筆者計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。由于除塵過(guò)程的流動(dòng)處于湍流狀態(tài),因此選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來(lái)計(jì)算湍流?；覊m采用離散固體顆粒模型模擬,灰塵在計(jì)算的初始狀態(tài)假定附著于定日鏡表面,灰塵初始厚度設(shè)為1 mm,灰塵顆粒平均直徑設(shè)為30 μm。滾刷旋轉(zhuǎn)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法模擬,滾刷旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min,旋轉(zhuǎn)方向分為正、逆時(shí)針兩種旋轉(zhuǎn)方向。

4.2 邊界條件

模型入口采用入口速度變化來(lái)模擬除塵器吸氣,根據(jù)除塵器流量設(shè)置入口速度,除塵器流量從794.2 m3/h到3 653.4 m3/h變化,相應(yīng)的入口速度值從25 m/s到115 m/s變化。出口設(shè)為開(kāi)放式出口,即環(huán)境空氣可自由出入?？諝馕镄詤?shù)按溫度15 ℃設(shè)置,并認(rèn)為不可壓縮。

4.3 工況

筆者進(jìn)行24種工況的計(jì)算,防護(hù)罩殼封閉和下部防護(hù)罩殼去掉半封閉情況下滾刷分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),入口速度從25 m/s到115 m/s變化。

5 計(jì)算結(jié)果分析

筆者通過(guò)對(duì)24種工況的計(jì)算,得到不同的除塵器流量對(duì)防護(hù)罩殼封閉和下部防護(hù)罩殼去掉半封閉兩種情況下罩殼內(nèi)負(fù)壓絕對(duì)值和灰塵體積分?jǐn)?shù)的影響。

5.1 入口速度對(duì)防護(hù)罩殼內(nèi)負(fù)壓影響

除塵器入口速度從25 m/s到115 m/s變化,防護(hù)罩殼內(nèi)負(fù)壓絕對(duì)值變化如圖2所示。

由圖2可見(jiàn),無(wú)論是半封閉還是封閉狀態(tài),滾刷的旋轉(zhuǎn)方向?qū)Τ龎m罩殼內(nèi)的負(fù)壓絕對(duì)值影響很小。隨著模型入口速度的加大,無(wú)論是半封閉還是封閉狀態(tài),除塵罩殼內(nèi)的負(fù)壓絕對(duì)值都上升。由此可知,加大模型入口的吸氣量,可以增強(qiáng)除塵系統(tǒng)的吸塵能力。同時(shí),在相同入口速度條件下,防護(hù)罩殼封閉狀態(tài)下的罩殼內(nèi)負(fù)壓絕對(duì)值要比半封閉狀態(tài)下大。

▲圖2 除塵器入口速度變化時(shí)防護(hù)罩殼內(nèi)負(fù)壓絕對(duì)值變化

5.2 入口速度對(duì)防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)影響

除塵器入口速度從25 m/s到115 m/s變化,防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)變化如圖3所示。

▲圖3 除塵器入口速度變化時(shí)防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)變化

由圖3可知,在半封閉狀態(tài)下,滾刷的旋轉(zhuǎn)方向?qū)Ψ雷o(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)影響不大,而且在滾刷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)有所下降。在封閉狀態(tài)下,防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)隨著模型入口速度加大而下降,而且滾刷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)低。

5.3 入口速度矢量分布

半封閉與封閉兩種狀態(tài)下的除塵流場(chǎng)速度矢量分布如圖4所示。由圖4可知,滾刷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),滾刷靠近集塵罩的下方有回流區(qū),罩殼頂部尖角位置有回流區(qū),灰塵易在回流區(qū)處集聚,罩殼下部不封閉時(shí),兩處回流區(qū)有所減弱。滾刷逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),罩殼頂部尖角位置有回流區(qū)較弱,同時(shí)滾刷遠(yuǎn)離集塵罩的下方有回流區(qū),罩殼下部不封閉時(shí),兩處回流區(qū)有所減弱。

▲圖4 除塵流場(chǎng)速度矢量分布

5.4 灰塵體積分?jǐn)?shù)分布

半封閉與封閉兩種狀態(tài)下的灰塵體積分?jǐn)?shù)如圖5所示。由圖5可知,滾刷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),灰塵分布較為均勻,且罩殼封閉相比罩殼下部不封閉更易將灰塵吸入集塵罩。滾刷逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),灰塵在滾刷靠近集塵罩一側(cè)聚集。

▲圖5 灰塵體積分?jǐn)?shù)分布

6 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)定日鏡清洗車(chē)除塵系統(tǒng)除塵過(guò)程進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析,得出以下結(jié)論:

(1) 半封閉狀態(tài)下,滾刷的旋轉(zhuǎn)方向?qū)Ψ雷o(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)影響不大,并且滾刷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)低;

(2) 封閉狀態(tài)下,防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)隨著入口速度加大而下降,滾刷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)防護(hù)罩殼內(nèi)灰塵體積分?jǐn)?shù)低;

(3) 滾刷的旋轉(zhuǎn)方向?qū)Τ龎m罩殼內(nèi)的負(fù)壓絕對(duì)值影響很小;

(4) 隨著模型入口速度的加大,無(wú)論是半封閉還是封閉狀態(tài),除塵罩殼內(nèi)的負(fù)壓絕對(duì)值都上升。