塔式太阳能电站蓄热系统动态特性研究

塔式太阳能电站蓄热系统动态特性研究

0太阳能充、放热系统典型试验研究由于太阳能的间歇性和密度低下，因此很难将其收集和使用。塔式太阳能热发电系统集热温度高,是太阳能热利用的一个重要方向,而蓄热系统是塔式太阳能热发电系统的重要组成部分,在电站运行时起到稳定负荷、调节工况的作用,其工作状况直接影响塔式电站的正常运行。壳管式换热器网络和蒸汽蓄热器是太阳能热电站显热蓄热系统中常用的热力设备。国内外学者做了大量关于这些设备的特性研究。Roppo等及Cor-rea等采用有限元法研究了多管程换热器的动态特性。Roetzel等建立了单壳程多管程换热器的数学模型。LuoXing等利用拉氏变换建立了多管程换热器的动态数学模型,并对简单换热器网络的动态特性进行了分析。Steinmann等对蒸汽蓄热器在相变蓄热系统中的应用特性进行了说明;刘晓慧等对蒸汽蓄热器的充热升温特性进行了实验和理论计算研究。Bouamama提出了蒸汽蓄热器特性计算模型,并搭建了基于SYMBOLS-2000平台的仿真模块。本文在上述研究的基础上建立了壳管式换热器、冷热罐以及蒸汽蓄热器的通用动态数学模型,并采用计算机模拟方法对1MW塔式太阳能电站蓄热系统进行了充、放热动态模拟。模拟结果为蓄热系统的过程控制提供了理论依据。1塔式太阳能充热系统1MW塔式太阳能电站蓄热系统采用双级蓄热流程结构,将太阳集热器吸收到的热量根据品位进行分级存贮,具体热力流程如图1所示。1.1高温蓄热系统以蒸汽量为单位太阳集热器产生压力为2.5MPa、温度为400℃、流量为8.4t/h的过热蒸汽,进入高温蓄热系统的换热器A,加热蓄热工质(导热油),将大部分高温显热(400～261.4℃)存储于热罐中;经过降温降压的2.43MPa的过热蒸汽存储在低温蓄热系统(蒸汽蓄热器)中。1.2蓄热器蒸汽去汽当太阳能不足时,存储于蓄热系统的热能可以释放出来,产生蒸汽供汽轮机使用。具体过程如下:蒸汽蓄热器经过节流装置产生8.4t/h的2.35MPa、220.7℃饱和蒸汽,饱和蒸汽进入换热器C,被来自热罐的350℃高温导热油过热到320℃,然后蒸汽在辅助加热器中进一步加热到汽轮机要求的入口温度(390℃)后进入汽轮机做功;经换热器C降温后的240℃导热油回到冷罐中。2数学的物理模式2.1制备网络2.1.1a和c都是装置本文中换热器A和C都由4台1-2型壳管式换热器逆流串联组成,其结构如图2所示。图中管程流体为蒸汽,壳程流体为导热油。2.1.2《对于壳管式换热器网络的动态计算模型可根据单台换热器模型,按照网络结构相互连接获得。因此,单台换热器模型是基础。壳管式换热器的动态数学模型是对时间和空间的偏微分方程组。首先对壳管式换热器的物理模型进行简化,提出如下假设:1)沿流体轴向流动方向的传热以及壳体散热损失忽略不计;2)流体为不可压缩流体,无相变;3)流体及换热管的热物理性质为常数;4)冷热流体流动为平推流状态,冷热流体没有轴向混合,属于分布参数模型。为求解分布参数模型,如图3将换热器沿轴向划分为长度为dx的微元,有效换热段总长为L,根据上述假设建立了1-2型壳管式换热器的动态数学模型:∂Τs(x,τ)∂τ-Vs∂Τs(x,τ)∂x=Ηs[Τw,o,1(x,τ)-Τs(x,τ)+Τw,o,2(x,τ)-Τs(x,τ)](1)∂Τt,1(x,τ)∂τ+Vt∂Τt,1(x,τ)∂x=Ηt[Τw,i,1(x,τ)-Τt,1(x,τ)](2)∂Τt,2(x,τ)∂τ-Vt∂Τt,2(x,τ)∂x=Ηt[Τw,i,2(x,τ)-Τt,2(x,τ)](3)∂Τw,o,1(x,τ)∂τ=Vw[Τw,i,1(x,τ)-Τw,o,1(x,τ)]-Ηw,o[Τw,o,1(x,τ)-Τs(x,τ)](4)∂Τw,o,2(x,τ)∂τ=Vw[Τw,i,2(x,τ)-Τw,o,2(x,τ)]-Ηw,o[Τw,o,2(x,τ)-Τs(x,τ)](5)∂Τw,i,1(x,τ)∂τ=Ηw,i[Τt,1(x,τ)-Τw,i,1(x,τ)]-Vw[Τw,i,1(x,τ)-Τw,o,1(x,τ)](6)∂Τw,i,2(x,τ)∂τ=Ηw,i[Τt,2(x,τ)-Τw,i,2(x,τ)]-Vw[Τw,i,2(x,τ)-Τw,o,2(x,τ)](7)∂Ts(x,τ)∂τ−Vs∂Ts(x,τ)∂x=Hs[Tw,o,1(x,τ)−Ts(x,τ)+Tw,o,2(x,τ)−Ts(x,τ)](1)∂Tt,1(x,τ)∂τ+Vt∂Tt,1(x,τ)∂x=Ht[Tw,i,1(x,τ)−Tt,1(x,τ)](2)∂Tt,2(x,τ)∂τ−Vt∂Tt,2(x,τ)∂x=Ht[Tw,i,2(x,τ)−Tt,2(x,τ)](3)∂Tw,o,1(x,τ)∂τ=Vw[Tw,i,1(x,τ)−Tw,o,1(x,τ)]−Hw,o[Tw,o,1(x,τ)−Ts(x,τ)](4)∂Tw,o,2(x,τ)∂τ=Vw[Tw,i,2(x,τ)−Tw,o,2(x,τ)]−Hw,o[Tw,o,2(x,τ)−Ts(x,τ)](5)∂Tw,i,1(x,τ)∂τ=Hw,i[Tt,1(x,τ)−Tw,i,1(x,τ)]−Vw[Tw,i,1(x,τ)−Tw,o,1(x,τ)](6)∂Tw,i,2(x,τ)∂τ=Hw,i[Tt,2(x,τ)−Tw,i,2(x,τ)]−Vw[Tw,i,2(x,τ)−Tw,o,2(x,τ)](7)边值条件:Tt,1(0,τ)=Tt,1,in,Tt,2(0,τ)=Tt,2,out,Ts(L,τ)=Ts,in,Ts(0,τ)=Ts,out,Tt,1,out=Tt,2,in式(1)～(7)中,Vw=8nλwρwcp,w(d2o-d2i)ln(do/di)Vw=8nλwρwcp,w(d2o−d2i)ln(do/di);管内传热系数采用Sieder-Tate公式:Νut=hidiλt=0.027Re4/5tΡr1/3t(μtμw,i)0.14(8)Nut=hidiλt=0.027Re4/5tPr1/3t(μtμw,i)0.14(8)管外传热系数计算公式:Νus=hodoλs=0.36Re0.55sΡr1/3s(μsμw,o)0.14(9)Nus=hodoλs=0.36Re0.55sPr1/3s(μsμw,o)0.14(9)2.2能量平衡方程假设导热油在冷、热罐内充分混合,即罐内油温均匀一致。以冷、热罐为开口体系,可建立动态方程:质量平衡方程:dΜdτ=moil,in-moil,out(10)dMdτ=moil,in−moil,out(10)能量平衡方程:d(Μcp,oil,taΤoil,ta)dτ=-moil,outcp,oil,taΤoil,ta+moil,incp,oil,inΤoil,in-UA(Τoil,ta-Τenv)(11)d(Mcp,oil,taToil,ta)dτ=−moil,outcp,oil,taToil,ta+moil,incp,oil,inToil,in−UA(Toil,ta−Tenv)(11)2.3水,蒸汽蓄热器模型假设:1)随着压力的变化,水和蒸汽都处于饱和状态;2)蓄热器为一个具有相同状态参数的集中容量,其中各处工质的压力和温度同时变化,随时相等;3)不考虑金属壁的蓄热。根据上述模型假设及图4,可得蒸汽蓄热器的数学模型。mb+mc-mf=ddτ(V′ρ′+V″ρ″)(12)mb+mc−mf=ddτ(V′ρ′+V′′ρ′′)(12)能量平衡方程:mbΗb+mcΗc-mfΗf=ddτ(V′ρ′Η′+V″ρ″Η″)(13)mbHb+mcHc−mfHf=ddτ(V′ρ′H′+V′′ρ′′H′′)(13)蓄热器内部容积为水与蒸汽的容积和,即:dV′dτ+dV″dτ=dVSAdτ=0(14)由式(12)～(14),并应用ddτ=∂∂pSA(dpSAdτ),整理后得压力变动速度公式为:dpSAdτ=εbmb+εcmc-εfmfσ′V′+σ″(VSA-V′)(15)其中‚εb=Ηb-Η′ρ′-Η″ρ″ρ′-ρ″εc=Ηc-Η′ρ′-Η″ρ″ρ′-ρ″εf=Ηf-Η′ρ′-Η″ρ″ρ′-ρ″σ′=ρ′∂Η′∂pSA+(Η″-Η′)ρ″ρ′-ρ″∂ρ′∂pSAσ″=ρ″∂Η″∂pSA+(Η″-Η′)ρ′ρ′-ρ″∂ρ″∂pSA由式(12)可得水容积变动速率:dV′dτ=mb+mc-mfρ′-ρ″-(V′∂ρ′∂pSA+V″∂ρ″∂pSA)dpSAdτρ′-ρ″(16)水位与水容积的几何关系式为:V′=π3(3R-X)X2+(l-2R)(π-arccosX-RR)R2+(l-2R)(X-R)√R2-(X-R)2(17)水位动态方程:dXdτ=dV′dτ(∂V′∂X)-1(18)经实验测试显示从水表面产生干蒸汽的速率与压力、蒸汽空间大小有关,一定压力下蒸汽空间越大则蒸发速率越大。由允许蒸发质量强度图拟合出蒸发速率计算公式:d(gmax)dτ=2.2d(pSAV″)dτ(19)水和水蒸气热力性质计算参考文献提出的拟合公式。3模型验证在模拟双级蓄热系统前,为验证本文建立的数学模型及模拟方法的合理性,分别对换热器和蒸汽蓄热器进行对比验证。3.1管程流体出口温度动态响应针对一个1-2型壳管式换热器动态特性算例进行了模拟计算,模拟初始条件见文献。图5为管程流体流量发生阶跃变化,从7.26kg/s升至8.26kg/s时,换热器冷、热流体出口温度的动态响应图。如图5所示,本文模拟值和文献计算数据吻合良好,证明本文换热器模型具有较好的准确性。3.2物理模型及热计算方法的模拟计算杨启容等对容积为0.086m3,充水系数为85%,初压为0.8MPa的蒸汽蓄热器在30min内的放热特性进行了试验和理论研究;高云等对XR100-2.86型蓄热器在1h内的充热状况进行了调试分析。为验证蒸汽蓄热器模型及计算方法的合理性,对上述两种物理模型和试验工况进行了模拟计算。图6为模拟结果与试验数据对比图,如图两者吻合良好,证明蒸汽蓄热器模型具有较好的适用性。4油泵a和c的流量换热器A和C都采用同类型的1-2型换热器,其几何参数:D=0.6m,L=3m,n=283,d0=0.025m,di=0.02m。导热油采用TherminolVP-1,油泵A和C的流量分别为2.735、2.75kg/s。冷、热罐容积均为30m3,散热损失系数U=0。蓄热器的设计压力为2.4MPa,VSA=120m3,l=16m,R=1.6m。4.1热罐内导热油充热特性塔式电站清晨启动时,为在集热器出口参数低于额定工况时进行调节,需首先对双级蓄热系统进行充热。充热过程与蒸汽蓄热器的初始热力状态有关,同时充汽流量与蓄热器内压力耦合,并取决于系统的通流特性。在此考虑充热前蓄热器内压力为0.101MPa,储有72m3的100℃的饱和水。热罐内存有3m3、350℃的导热油。根据系统要求,过热蒸汽流量在充热过程中保持8.4t/h。图7为高温蓄热系统的充热特性图。可知当集热器出口温度保持400℃不变,流量在充热10min及60min各发生一次阶越下降,从2.333kg/s变为2.22kg/s的过程中换热器A出口油温和汽温的动态响应时间基本一致,约为20min。由于不同温度导热油的混合,热罐内油温变化与换热器A出口油温变化相比,滞后约10min。充热结束时,热罐内油温低于额定值。由于采用过热蒸汽充热,必须对蓄热器进行补水,使其达到设计充水系数。图8为蒸汽蓄热器充热特性图。由图8可知,换热器A过热蒸汽侧出口流量和温度的扰动对蓄热器充热特性的影响并不明显。充热过程中蓄热器内水位及压力不断升高,呈非线性变化,直至压力达到2.4MPa,水位升至2.683m时充热结束,此时充水系数为90%。整个充热过程约为2.3h。4.2蓄热器动态特性当发生云遮现象或傍晚辐射值低于额定值时,集热器出口参数将低于额定工况,此时由蓄热系统产生蒸汽供汽轮机发电。在此考虑放热过程中排汽流量保持8.4t/h不变,充热结束时冷罐内剩余3m3的240℃导热油。图9为蒸汽蓄热器的放热特性图,由模拟结果和图9a可知,在最初3min内,由于蓄热器内压力大于汽轮机的额定入口压力2.35MPa,因而排汽可供汽轮机额定运行约3min,随后蓄热器压降速率随时间不断减小。又因汽轮机入口最低压力为0.95MPa,所以排汽可供汽轮机滑压运行约1h。由图9b可发现在放热过程中水位变动速率不断减小,而蒸发速率并不是随压力的降低单调下降,其存在一个峰值。此结论与石文卿等通过实验和理论分析得出的蓄热器蒸发速率变化规律一致。当蒸汽蓄热器排汽经换热器C过热时,冷罐内油温及换热器C两侧出口温度的动态特性如图10所示。由图10可看出随着蒸汽蓄热器排汽温度在3min后下降,换热器C两侧出口温度也随之下降,冷罐内油温高于换热器C出口油温。5动态模拟分析本文建立了壳管式换热器、冷热罐以及蒸汽蓄热器的通用数学模型,经验证表明模型具有合理性。在此基础上针对1MW塔式太阳能电站蓄热系统进行了充、放热动态模拟分析,结论如下:1)蓄热系统充热时间与蒸汽蓄热器充热前的热力状态有关,本文充热时间约为2.3h;2)在集热器出口蒸汽流量的阶跃扰动下,换热器A导热油出口温度和蒸汽出口温度的动态响应时间基本一致,约为20min;3)换热器A蒸汽侧出口温度和流量的扰动对蓄热器充热特性的影响并不明显;4)蒸汽蓄热器在降压自蒸发过程中,蒸发速率并不随压力的降低而单调下降,其存在峰值;5)蓄热系统可供汽轮机额定运行约3min,滑压运行约1h。ma热泵传热msrtT温度,℃τ时间,sM罐内导热油质量,kgm质量流量,kg/sρ