浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究_刘慧珍.pdf

文章编号：（）：浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究收稿日期：刘慧珍，宋虎潮，潘禾吉田，应群伟，葛 文，姜金昂，刘银河 （西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安；杭州杭锅通用设备有限公司，浙江 杭州；杭州杭锅电气科技有限公司，浙江 杭州）摘 要：提出一种电极热水锅炉的内筒结构，通过实验测量了 溶液电导率随温度变化规律，并采用数值模拟方法研究了电极浸没深度以及 溶液浓度对锅炉功率的影响。研究结果表明，浸没式电极锅炉功率随着电极浸没深度和溶液浓度的增加而升高，在电极底部所在高度的截面功率密度达到最大值，在运行过程中需注意电极底部击穿的风险。研究结果为电极锅炉的设计、运行和工业应用提供参考。关键词：数值模拟；浸没式电极锅炉；功率控制；电转热中图分类号：文献标识码：第一作者：刘慧珍（），女，西安交通大学在读硕士，动力工程及工程热物理专业。主要从事电极锅炉的数值模拟、固废无害化处理及资源化利用。，（，；，；，）：，：；前言随着社会的发展，化石燃料的大量燃烧导致环境污染严重，节能减排的需求日益提高。近年来，风、光等可再生能源发展迅速，由于可再生电能的波动性、地域性导致大量电能难以被消纳。能源局“清洁能源供热”政策的实施和国家电网公司“电能替代”战略的推进，以电极式蓄热锅炉为代表的电转热系统在我国电力系统辅助服务方面得到越来越多的应用。电极锅炉因具有效率高、无噪声、环保无污染、占地面积小、启动速度快等特点，是实现电力充分利用、风光电力消纳、环境污染治理的有效手段。通过使用电极锅炉对可再生能源进行利用，可满足节能减排需求，提高资源利用率，有助于我国实现“双碳”目标。浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究电极锅炉内筒是电极锅炉的关键部件，内筒设计需考虑温度分布及电场分布，避免出现超温现象以及因局部电场不均匀导致电压击穿从而引起水电解产生氢气。电极锅炉通过调节内筒水位及溶液电导率实现功率调节。本文采用数值模拟方法对电极锅炉内筒进行计算分析，探究电极浸没深度及溶液电导率对电极锅炉功率的影响，为电极锅炉的工业应用提供参考。电极锅炉工作原理浸没式电极热水锅炉的工作原理是：锅炉内筒中的三相电极浸入水中，并在锅水中加入电解质形成可导电溶液，三相电极通电后直接加热具有一定电导率的锅水，在电流的作用下，锅水被迅速加热产生热水。锅炉装有循环水泵，循环水泵将外筒水补充到内筒，以控制内筒水位。锅水为磷酸三钠溶液，在锅炉启动前，通过加药泵将药液与给水混合成稀浓度的溶液通往外筒，当筒内离子浓度低时，开启加药泵。循环泵将外筒溶液通往内筒补充水量。数学模型和计算方法 建立模型及网格划分本文建模区域为电极式锅炉内筒，筒体高度 ，直径 ，每相电极数量 根，结构如图 所示。为简化模型，节省计算资源，取单个筒的 作为计算域进行模拟计算，简化为环状出流，简化结构如图 所示。由于结构较为复杂，计算网格主要采用四面体网格，对电极进行局部加密，进一步提高网格质量，设置周期性边界条件，并做网格无关性验证，网格划分如图 所示。图 内筒结构图 内筒结构简化模型图 网格划分 数学模型 连续性方程（）（）式中，为下标符号，取值，；由 取值的不同可表示坐标分量，；根据 取值的不同可表示速度分量，。动量守恒方程（）（）（）|（）式中，为下标符号，具有上述下标符号 相同的作用；为静压；是应力张量，是重力体积力。为动力粘度，为狄拉克符号。能量守恒方程浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究（）（）（）式中，为有效导热系数。方程右边为导热项、粘性耗散项与源项。通常粘性耗散项可以根据布林克曼数 的大小判断是否应考虑在内，当 接近或超过 时，应考虑该项。数表达式如下：（）式中，表示流体流速，为导热系数，表示系统温差。是体积热源的源项，用以与电学方程结合。电势方程在不计导电离子对流体所附加的电磁力的情况下，通过电势方程计算电势分布，并计算相应的焦耳热，方程表示如下：()（）式中，为电势，为电导率，为电势源项。电流通过流体后会产生焦耳热，是电极锅炉发热的主要来源，可由下式计算：（）通过将计算得到的焦耳热附加到能量方程中的项中，通过直接耦合的方式实现通电加热的数值模拟过程。工况设计及边界条件工况设计如表。表 工况设计溶液浓度（）电极棒浸没深度 进口为质量流量入口，水温 ；内筒壁面为零电势；线电压 ，相电压 ；出口为自由出流。磷酸三钠溶液电导率随温度变化实验测定为保障电极锅炉设计以及功率计算的准确性，需明确电极锅炉中磷酸三钠溶液在高温状态下的电导率情况。因此本文通过实验对不同浓度溶液的电导率进行温升响应测试，得到多组电导率随温度变化规律，从而以插值法获得不同浓度磷酸三钠溶液电导率的温升曲线，为数值模拟及电极锅炉设计提供原始数据。电导率测试实验布置如图 所示。图 电导率测试实验布置图 测试样品测试 磷酸三钠标液，得到磷酸三钠标液在 时电导率为 ，以及电导率随温度变化规律的公式为：。配置 磷酸三钠溶液，测试得到磷酸三钠溶液在 时电导率为 ，电导率随温度变化规律的公式为：其中，为电导率，单位 ；为温度，单位为。插值计算电导率温升曲线溶液电导率受溶液中离子浓度影响很大，一般采用摩尔电导率来衡量溶质的导电性，即溶液中单位摩尔浓度溶质的电导率称为摩尔电导率。当溶液无限稀释时，可以认为离子之间运动互不影响，此时电导率为极限摩尔电导率。溶液总极限摩尔电导率可由各种离子极限摩尔电导率加和得到。本文计算磷酸三钠溶液浓度小于 ，因此采用近似代表，可得电导率 表达式为：()（）式中，为组分 的浓度，为组分 的极限摩尔电导率，见表。表 磷酸三钠溶液中各离子 下极限摩尔电导率离子极限摩尔电导率（）通过电离水解平衡计算出溶液中每种离子的组浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究分浓度随 溶液浓度的变化。表 磷酸盐三级水解平衡常数平衡常数表达式平衡常数（）不同温度下的平衡常数可由下式计算：（）（）式中，为平衡常数，（）为温度为 时电离水解平衡反应的标准吉布斯自由能变，为通用气体常数。常温下（）磷酸三钠溶液的电导率随浓度呈线性变化（如图），可以根据已得数据进行线性拟合，进而得到不同浓度下磷酸三钠溶液的电导率温度公式：（常温电导率为 ）磷酸三钠溶液：；（常温电导率为 ）磷酸三钠溶液：；（常温电导率为 ）磷酸三钠溶液：；其中，为电导率，单位 ；为温度，单位为。图 常温 溶液电导率随浓度变化图 实验验证本文模拟计算的浸没式电极锅炉已建造完成，并进行初始调试。电极锅炉如图 所示。电极锅炉实验工况为进口水温 ，出口水温 ，相电压 ，电极浸没深度 ，取样系统测得 时锅水电导率为 ，现场实验得到电极锅炉功率为 。图 电极锅炉现场图对电极锅炉内筒进行建模并划分网格，根据本文 插值法可得锅水常温电导率为 时电导率随温度变化情况为 （其中 为电导率，单位 ；为温度，单位），并采用该实验工况参数作为边界条件，进行数值模拟计算，得到电极锅炉电功率为 ，与实验结果误差为。说明本文数值模拟结果较为准确，可为浸没式电极锅炉的工业设计和运行提供参考。计算结果分析通过改变电极浸没深度进行调节电极锅炉功率，不同电极浸没深度对温度场及速度矢量图的影响如图、图 所示。的锅水从进口进入，电极与水接触产生焦耳热，在内筒形成旋流，加热锅水至 流出内筒。以电极浸没深度为 ，分别距底部 进行截面，各横截面的功率密度如图 所示。由图 可得，电极棒底部所在高度（距底部 ）截面功率密度达到最大值，故在运行过程中需注意电极底部击穿的风险。电极锅炉的功率主要是受电导率和内筒水位的影响。电极锅炉变负荷功率调节，一是通过加药加水系统调节水的电导率，二是通过调节内筒水位，改变电极的浸没深度。通过上述两种方式可调节电极间水电阻的大小，进而调节锅炉的功率。数值计算所得电极锅炉功率随电导率及电极浸没深度变化情况分别如图、图 所示。由图可知，电极锅炉的功率随着电极浸没深度的增加而升高；锅水中浓度 范围内，电极锅炉的功率随着 浓度的增加而升高，且近似呈线性变化。浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究图 电极所在截面温度云图图 电极所在截面速度矢量图 图 距电极锅炉内筒底部 图 锅炉功率随电极浸没深度变化情况 各横截面功率密度浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究图 锅炉功率随 浓度变化情况 结论（）电极底部所在高度截面功率密度达到最大值，在设计与运行过程中需注意电极底部击穿的风险。（）本文所研究三个圆筒对称布置的内筒结构，可实现电极锅炉内筒温度场、电场分布合理，避免超温及电极击穿现象，使得锅炉运行安全性得到大幅提升。（）电极锅炉的功率随着 浓度的增加而升高，且近似呈线性变化。（）电极锅炉的功率和浸没深度近似呈线性关系，且电极锅炉功率随着浸没深度的增加而升高。对于本文所研究的浸没式电极锅炉，溶液浓度为 ，电极浸没深度从 增加到 时，电极锅炉功率从 增加到.。参考文献牛传凯，李铮伟采用电极锅炉的风电供热系统设计及经济煤气与热力，（）：，刘明华，刘文霞，刘晨苗，等 电极式参与电网调频服务下供热系统日前优化调 电力建设，（）：袁雪峰，马进，强硕电极式锅炉功率与蒸汽温度控制系统解耦研究计算机仿真，（）：孙萌萌，王雷采用电极锅炉蓄能的调峰方法经济性分析沈阳工程学院学报（自然科学版），（）：刘明华，刘文霞，刘晨苗，等电极式锅炉参与电网调频服务下供热系统日前优化调度 电力建设，（）：傅献彩 物理化学（上册）北京：高等教育出版社，广告索引封面 德国麦克斯威索有限公司封二利雅路热能设备（上海）有限公司封三浙江南元泵业有限公司封底奥林（中国）有限公司前插 江苏双良锅炉集团有限公司前插 扎克能源技术设备（上海）有限公司前插 浙江力聚热能装备股份有限公司前插 宜宾市信通电子器材厂前插 意大利 优尼瓦斯股份有限公司前插 西门子（中国）有限公司前插 上海焱晶燃烧设备检测有限公司前插 工业锅炉公益广告前插 杭州伯勒计算机技术有限公司前插 第十九届上海国际供热技术展览会前插 中国工业锅炉行业低氮发展高峰论坛浸没式电极锅炉功率变化特性数值模拟研究