基于蒸發(fā)溫度的飽和水蓄熱器運(yùn)行工況分析

基于蒸發(fā)溫度的飽和水蓄熱器運(yùn)行工況分析

0太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù)與其他發(fā)電方式的對比中國的一次能源儲量約占世界經(jīng)濟(jì)總儲量的10%，人口約占世界經(jīng)濟(jì)總規(guī)模的25%。在能源結(jié)構(gòu)中,將近70%的能源消費(fèi)來源于煤,由此帶來的資源、環(huán)境問題突出。太陽能是清潔的可再生能源,而太陽能高溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)是太陽能規(guī)?；玫囊粋€(gè)重要方向。根據(jù)聚焦方式的不同,太陽能熱發(fā)電主要有碟式、槽式、塔式三種方式;采用的工質(zhì)有水/蒸汽、熔鹽、空氣、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬、有機(jī)物等。對于太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù),吸熱器表面的聚光比通常能達(dá)到500~1000,局部熱負(fù)荷甚至超過1000kW/m2;高塔、高聚光比的特點(diǎn)決定了該技術(shù)具有大容量、高參數(shù)、高發(fā)電效率等顯著優(yōu)點(diǎn)。在塔式熱發(fā)電技術(shù)路線中,以熔鹽和水/蒸汽為工質(zhì)的兩種方案最具有代表性,兩種方案具有各自的特點(diǎn),在國外都已有商業(yè)化運(yùn)營的項(xiàng)目驗(yàn)證。在以熔鹽為介質(zhì)的塔式熱發(fā)電系統(tǒng)中,熔鹽在吸熱器中吸熱升溫,再通過蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生需要參數(shù)的蒸汽,這種太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)高、蓄熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),有利于提升太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的容量系數(shù)及發(fā)電效率。但熔鹽系統(tǒng)也具有凝固點(diǎn)高、管路復(fù)雜等問題,因此系統(tǒng)對管道預(yù)熱、設(shè)備保溫、運(yùn)行維護(hù)等要求高,并且熔鹽發(fā)生凝固的風(fēng)險(xiǎn)大。而以水為熱載體的太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù)具有吸熱介質(zhì)廉價(jià)、汽化潛熱高、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)點(diǎn),但水蒸氣的換熱系數(shù)較低、蓄熱能力較弱是該技術(shù)方案的缺點(diǎn)。如果以水/蒸汽為介質(zhì)的塔式集熱技術(shù)與其他發(fā)電方式結(jié)合(如燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)、傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組、生物質(zhì)爐、余熱鍋爐等),就可以克服上述問題。本文中探討的飽和水蓄熱技術(shù)可以有效延長太陽能系統(tǒng)的發(fā)電時(shí)間,并對系統(tǒng)在有云氣象條件下的穩(wěn)定運(yùn)行也具有重要意義。1太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)杭鍋集團(tuán)從2011年開始進(jìn)行太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù)的研究工作,并與浙江中控集團(tuán)、杭汽輪集團(tuán)等成立了浙江中控太陽能技術(shù)有限公司,開展太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)、系統(tǒng)集成、項(xiàng)目示范、應(yīng)用推廣等方面的工作。杭鍋集團(tuán)在本課題中負(fù)責(zé)關(guān)鍵熱力設(shè)備(如吸熱器、蓄熱器、蒸汽發(fā)生裝置等)、整體熱力系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。2013年7月,青海德令哈太陽能塔式熱發(fā)電50MW項(xiàng)目一期工程10MW已正式并網(wǎng)發(fā)電。該工程采用了以水/蒸汽為工質(zhì)的太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù),全部技術(shù)由合資公司及相關(guān)企業(yè)聯(lián)合研發(fā)完成,是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、發(fā)電容量大、率先實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的太陽能塔式熱發(fā)電機(jī)組。從首次并網(wǎng)至今,青海10MW熱發(fā)電系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行超過了一年。青海10MW太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)包括了兩個(gè)吸熱單元,每個(gè)吸熱單元包含14000余面反射鏡。隨著太陽位置的改變,反射鏡在定日跟蹤程序的控制下把太陽光準(zhǔn)確反射到吸熱器的目標(biāo)位置;位于吸熱塔頂?shù)奶柲芪鼰崞鹘邮斩ㄈ甄R反射來的太陽光,并以熱能的形式被工質(zhì)吸收,產(chǎn)生高參數(shù)的飽和蒸汽;從吸熱器出來的飽和蒸汽被引入到飽和蓄熱器;從飽和蓄熱器出來的蒸汽經(jīng)過熱后引至汽輪機(jī);蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能;同時(shí)做功后的乏汽在凝汽器內(nèi)冷卻變成凝結(jié)水;凝結(jié)水經(jīng)預(yù)熱除氧后輸送到太陽能吸熱器,完成工質(zhì)的一個(gè)循環(huán)。在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,太陽輻射可能會(huì)因?yàn)閬碓频纫蛩囟a(chǎn)生波動(dòng),由此會(huì)造成熱力參數(shù)的急劇變化;當(dāng)這種變化超過一定幅度時(shí),會(huì)導(dǎo)致蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)不能正常工作,甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組從電網(wǎng)解列。為了減少太陽輻射波動(dòng)對熱力發(fā)電系統(tǒng)的影響,本系統(tǒng)在吸熱器出口設(shè)置了飽和水蓄熱裝置。本文中擬對飽和水蓄熱裝置進(jìn)行熱力建模分析,模擬蓄熱器在沒有額外進(jìn)汽的條件下,通過閃蒸而產(chǎn)生的蒸發(fā)量,并由此計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間,用以指導(dǎo)蓄熱器的工程設(shè)計(jì)。德令哈10MW塔式熱發(fā)電項(xiàng)目的系統(tǒng)工作流程如圖1。2飽和水蓄熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在以水/蒸汽為介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,如果沒有蓄熱裝置,太陽輻射強(qiáng)度等參數(shù)的變化會(huì)給熱力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響,當(dāng)波動(dòng)幅度劇烈時(shí)還會(huì)造成發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)解列,甚至需要停機(jī)。因此有必要對以水/蒸汽為工質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置一定容量的蓄熱裝置,以改善系統(tǒng)的輸出特性,提高系統(tǒng)的可用率。以來云條件為例,對系統(tǒng)的熱力響應(yīng)過程進(jìn)行簡要分析。當(dāng)定日鏡場上空出現(xiàn)云時(shí),定日鏡反射的太陽直射輻射快速下降(定日鏡反射的主要是直射輻射),造成吸熱器表面的太陽輻射強(qiáng)度急劇下降;若系統(tǒng)沒有蓄熱裝置時(shí),系統(tǒng)壓力及蒸汽流量將迅速下降,由此影響到汽輪發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行;若在吸熱器出口設(shè)計(jì)有一定容量的飽和水蓄熱裝置,在壓力降低時(shí),蓄熱器內(nèi)的飽和水通過閃蒸產(chǎn)生額外蒸汽量,由此可以減緩甚至消除系統(tǒng)參數(shù)的波動(dòng),改善系統(tǒng)的能量輸出、延長系統(tǒng)的發(fā)電時(shí)間。飽和水蓄熱器的結(jié)構(gòu)示意見圖2。根據(jù)飽和蓄熱器內(nèi)水/蒸汽的質(zhì)量平衡,可以得出如下方程:由于蓄熱器具有較好的保溫效果,相對于蓄熱器的熱容量而言,對環(huán)境的散熱可以忽略,據(jù)此建立蓄熱器能量平衡方程如下:式中:V0為蓄熱器總?cè)莘e,m3;Vt1,l、Vt2,l分別為t1、t2時(shí)刻蓄熱器內(nèi)水的體積,m3;ρt1,l、ρt2,l分別為t1、t2時(shí)刻蓄熱器內(nèi)水的密度,kg/m3;ρt1,g、ρt2,g分別為t1、t2時(shí)刻蓄熱器內(nèi)蒸汽的密度,kg/m3;ht1,l、ht2,l分別為t1、t2時(shí)刻蓄熱器內(nèi)水的焓值,kJ/kg;ht1,g、ht2,g分別為t1、t2時(shí)刻蓄熱器內(nèi)蒸汽的焓值,kJ/kg;mv為t1至t2時(shí)段蓄熱器的蒸發(fā)量,kg;hv為t1至t2時(shí)段飽和蒸汽的平均焓值,kJ/kg。把公式(1)變形為Vt2,l關(guān)于mv的表達(dá)式:將公式(3)代入到公式(2)化簡,得出mv的表達(dá)式:根據(jù)上述關(guān)系式,可以計(jì)算出飽和水蓄熱器在不同時(shí)段的蒸發(fā)量及蓄熱器內(nèi)的剩余水量,分析飽和水蓄熱器使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行可以持續(xù)的時(shí)間。3飽和水蓄熱器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)合德令哈太陽能塔式熱發(fā)電10MW項(xiàng)目工程中的相關(guān)參數(shù),對飽和水蓄熱器的蓄熱放熱特性進(jìn)行模擬與分析。飽和水蓄熱器相關(guān)的主要參數(shù)如下:內(nèi)徑2.2m;有效長度18m;初始水位1.45m;數(shù)量2個(gè);初始壓力9.87MPa;為了滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽要求,蓄熱器的最低工作壓力為3.98MPa。當(dāng)太陽輻射等環(huán)境參數(shù)波動(dòng)時(shí),吸熱器的蒸發(fā)量及蒸發(fā)壓力下降,蓄熱器代償性的閃蒸過程可以使系統(tǒng)壓力下降趨緩。通過調(diào)整汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)整門開度,控制汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力及蒸汽流量,維持發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在如下的分析中,以定日鏡全部切除,吸熱器停止產(chǎn)生蒸汽流量為假設(shè)條件,計(jì)算蓄熱器的持續(xù)蒸發(fā)能力。上述假設(shè)條件是一種極端情況,若定日鏡場實(shí)際處于薄云的邊界條件下(這是最常見的情況),吸熱器仍可以產(chǎn)生一定的蒸發(fā)量送往蓄熱器,則飽和蓄熱器的系統(tǒng)適應(yīng)性會(huì)更高。蓄熱器內(nèi)飽和壓力與飽和溫度的對應(yīng)關(guān)系見圖3。蓄熱器內(nèi)蒸發(fā)壓力是隨著蒸汽流量的變化而快速響應(yīng)的,而汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)整門的開度控制了汽輪機(jī)的進(jìn)汽量,由此可以調(diào)整系統(tǒng)的壓力變化。當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時(shí),蓄熱器內(nèi)飽和水產(chǎn)生閃蒸,隨后蓄熱器內(nèi)的水溫也會(huì)由于能量的輸出而逐漸降低。由上述關(guān)系可以看出,蒸發(fā)壓力的降低比蒸發(fā)溫度的降低更快,蒸發(fā)溫度的下降可以視為蒸汽閃蒸產(chǎn)生的結(jié)果。對于整個(gè)熱力發(fā)電系統(tǒng)而言,可以通過控制汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門開度控制系統(tǒng)的壓力及蒸發(fā)量,使系統(tǒng)保持在連續(xù)而平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。飽和蓄熱器蒸發(fā)量的變化關(guān)系見圖4。蓄熱器內(nèi)的水位與剩余水量之間滿足如下關(guān)系:水位高度H與Q之間的關(guān)系為:式中:θ為在蓄熱器圓周面內(nèi),水面與圓心連線所形成的夾角的一半(見圖2所示);L為蓄熱器有效長度,m;R為蓄熱器半徑,m;H為蓄熱器內(nèi)液面距離底部的高度,m。由此可以得出蓄熱器內(nèi)水位隨飽和溫度的變化關(guān)系如圖5所示。在上述閃蒸過程中,蒸發(fā)壓力從9.87MPa降到3.98MPa,對應(yīng)的蒸發(fā)溫度從310℃降低到250℃;蒸發(fā)量從845kg降到517kg,蓄熱器內(nèi)的水量從96m3下降到67.5m3,水位從1.45m降到1.09m。在上述過程中,累計(jì)蒸發(fā)量為9320kg。德令哈10MW太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)的額定蒸發(fā)量為36000kg/h,上述蒸發(fā)量可滿足系統(tǒng)在平均負(fù)荷為50%的工況下持續(xù)工作0.5h。結(jié)合青海德令哈10MW太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工程實(shí)例,2013年8月1日實(shí)際運(yùn)行中的太陽直射輻射(DirectNormalIrradiance,DNI)波動(dòng)與發(fā)電機(jī)功率輸出曲線如圖6所示。下午14時(shí)30分左右,太陽法向直射輻射強(qiáng)度出現(xiàn)大幅波動(dòng),最低值接近于零,但飽和水蓄熱器可以給系統(tǒng)提供相對穩(wěn)定的蒸發(fā)量輸出,因此系統(tǒng)的電功率只產(chǎn)生了一個(gè)較小的波動(dòng)(約0.5MW),可以看出飽和水蓄熱器對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了較好作用。飽和水蓄熱器可以在來云的條件下,使熱力系統(tǒng)保持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài),但由于飽和蓄熱的容量限制,在沒有太陽輻射時(shí),蓄熱系統(tǒng)延長系統(tǒng)工作的時(shí)間是有限的。4從蓄熱器的應(yīng)用中分析在以水/蒸汽為工質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,飽和水蓄熱器可以緩沖太陽