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1、第32卷第5期太阳能学报Vol32,No52011年5月ACTAENERGIAESOLARISSINICAMay,2011文章编号:0254-0096(2011)05-0632-071MW塔式太阳能电站蓄热系统模拟分析1121李显,朱天宇,徐小韵,黄燎原(1河海大学机电工程学院,常州213022;2河海大学水利水电工程学院,南京210098)摘要:以1MW塔式太阳能电站蓄热系统为研究对象,通过理论分析,建立了管壳式换热器、热罐、冷罐以及蒸汽蓄热器的动态数学模型,经验证模型具有合理性。在此基础上对蓄热系统的充、放热过程进行了模
2、拟计算,分析研究了换热器A和C的动态特性、冷热罐内油温的动态变化以及蒸汽蓄热器的充、放热特性。模拟结果为双级蓄热系统的过程控制提供了理论依据。关键词:塔式太阳能电站;双级蓄热系统;换热器网络;蒸汽蓄热器;充、放热;动态模拟中图分类号:TK514文献标识码:A0引言1塔式太阳能电站蓄热系统由于太阳能具有间歇性、密度低等特点,收集和1MW塔式太阳能电站蓄热系统采用双级蓄热利用的难度较大。塔式太阳能热发电系统集热温度流程结构,将太阳集热器吸收到的热量根据品位进[1]高,是太阳能热利用的一个重要方向,而蓄热系统行分级存贮,具体热力流程如图1
3、所示。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[2]了大量关于这些设备的特性研究。Roppo等及Cor-[3]rea等采用有限元法研究了多管程换热器的动态特[4]性。Roetzel等建立了单壳程多管程换热器的数学[5]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[6]进行了分析。Steinmann等对蒸汽蓄热器在相变蓄[7]图1蓄热系
4、统示意图热系统中的应用特性进行了说明;刘晓慧等对蒸汽Fig1Schematicrepresentationofthermalstoragesystem蓄热器的充热升温特性进行了实验和理论计算研究。11充热[8]Bouamama提出了蒸汽蓄热器特性计算模型,并搭建太阳集热器产生压力为25MPa、温度为400、了基于SYMBOLS-2000平台的仿真模块。流量为84th的过热蒸汽,进入高温蓄热系统的换本文在上述研究的基础上建立了壳管式换热热器A,加热蓄热工质(导热油),将大部分高温显热器、冷热罐以及蒸汽蓄热器的通用动态数学模型,并(
5、400~2614)存储于热罐中;经过降温降压的采用计算机模拟方法对1MW塔式太阳能电站蓄热243MPa的过热蒸汽存储在低温蓄热系统(蒸汽蓄系统进行了充、放热动态模拟。模拟结果为蓄热系热器)中。统的过程控制提供了理论依据。收稿日期:2009-05-13基金项目:国家高技术研究发展(863)计划(2006AA050104)通讯作者:朱天宇(1961),男,教授,主要从事太阳能热发电技术方面的研究。zhuty@hhuceducn5期李显等:1MW塔式太阳能电站蓄热系统模拟分析63312放热3)流体及换热管的热物理性质为
6、常数;当太阳能不足时,存储于蓄热系统的热能可以4)冷热流体流动为平推流状态,冷热流体没有释放出来,产生蒸汽供汽轮机使用。具体过程如下:轴向混合,属于分布参数模型。蒸汽蓄热器经过节流装置产生84th的235MPa、为求解分布参数模型,如图3将换热器沿轴向2207饱和蒸汽,饱和蒸汽进入换热器C,被来自热划分为长度为dx的微元,有效换热段总长为L,根罐的350高温导热油过热到320,然后蒸汽在辅据上述假设建立了1-2型壳管式换热器的动态数学助加热器中进一步加热到汽轮机要求的入口温度模型:(390)后进入汽轮机做功;经换热器C降温后的24
7、0导热油回到冷罐中。2数学物理模型21换热器网络211换热器A和C的构成本文中换热器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。图3壳管式换热器示意图Fig3Schematicrepresentationofshel-land-tubeheatexchangerTs(x,)Ts(x,)-Vs=Hs[Tw,o,1(x,)-Ts(x,)+xTw,o,2(x,)-Ts(x,)](1)Tt,1(x,)Tt,1(x,)+Vt=Ht[Tw,i,1(x
8、,)-xTt,1(x,)](2)Tt,2(x,)Tt,2(x,)-Vt=Ht[Tw,i,2(x,)-xTt,2
