塔式太阳能热电站系统仿真与分析_徐二树
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0引言太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能后通过热力循环过程发电,是光-热-功三者耦合的系统。
根据聚光方式的不同,可将太阳能热发电分为塔式、槽式、菲涅尔式和碟式,前3种形式一般用于大型集中发电平台,蝶式更适用于分布式发电系统,目前在建和已建好的大型商业电站基本都是塔式和槽式的,而塔式系统由于聚光比高、运行参数高等优点,日益受到青睐[1]。
2016年国家能源局公布的20个太阳能光热发电示范项目中,塔式项目9个,其中熔盐塔式项目7个[2],企业给出的年效率(系统转换效率)差异较大,目前这些项目都在建设中,投产后的电站性能有待验证。
电站整体性能分析有2个非常重要的指标:年平均效率和年容量因子。
年平均效率可定义为发电机组的年出力与1年内入射至集热器采光面积上总的法向直射辐射能量之比;年容量因子是电站年发电量与额定工况名义发电量之比。
年效率主要由集热效率和热机效率决定,在气象条件一定时,影响年容量因子的因素主要是太阳倍数和储热时长。
太阳倍数是设计条件下吸热器热功率与热力循环热功率之比,太阳倍数的大小决定了定日镜场规模的大小,在没有储热的系统中,太阳倍数一般接近于1。
Izquierdo 等人[3]对使用不同吸热器和朗肯循环参数的塔式电站进行了性能分析;徐能等人[4]使用最优成本分析方法研究了塔式电站单塔最优装机容量,结果表明不同地区最优装机容量不同;罗彦等人[5]讨论了直接蒸汽塔式电站太阳倍数与储热基于SAM 的塔式太阳能热发电站建模及分析韩磊1,雷少博2,朱琳3(1.哈尔滨电气国际工程有限责任公司,黑龙江哈尔滨150028;2.西安热工研究所有限公司,陕西西安710032;3.国网山西忻州供电公司,山西忻州034000)摘要:为了分析熔盐塔式电站在不同设计参数下的性能,介绍了电站主要系统的能量损失及集热场效率、电站效率和容量因子的计算,使用SAM 软件建立了100MW 熔盐塔式电站的最优效率性能模型,利用青海德令哈地区的气象数据,计算了电站在不同太阳倍数和储热时长下的效率及容量因子。
太阳能热发电中的仿真应⽤16 COMSOL NEWS 2017作者郑元⽣e模拟太阳能聚光过程由于太阳能热发电系统槽⾯汇聚的太阳光主要集中于集热管的下半⾯,上半⾯接收的会聚太阳光较少,因此集热管上的光辐照强度沿管轴向呈⾮对称性分布。
如何有效地将反射镜接收的太阳光能传递到导热介质中,就成了提升太阳光热发电系统效率的重要因素。
有研太阳能热的使⽤是⼀种新兴的可再⽣能源利⽤技术,这项技术由于其转换效率⾼、价格低廉⽽被⼴泛应⽤,也是迄今为⽌太阳能使⽤中最为成熟的技术之⼀。
尤其是太阳能热发电技术,具有兼容性强、对电⽹冲击⼩、性价⽐⾼、发电成本低、可存储和可调度等优点,在近年来发展迅速。
e聚焦型太阳能热发电太阳能热发电也叫聚焦型太阳能热发电。
与传统发电站不⼀样,它们通过聚集太阳辐射的⽅式来获得热能,并将热能转化成⾼温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电。
当前的太阳能热发电按照太阳能采集⽅式可划分为太阳能槽式发电、太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电等。
槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。
抛物⾯槽式热发电系统(见图1)利⽤抛物柱⾯槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上,并将管内的传热⼯质加热产⽣蒸汽,推动常规汽轮机发电。
该类系统采⽤线聚焦⽅式,利⽤抛物⾯型反射镜将光线汇聚到管状集热器——真空集热管上,加热集热管内循环流动的导热⼯质(通常为⽔、油或熔盐)。
导热⼯质⾃吸收管⼀端流⼊,接收汇聚太阳光辐照能量,从吸收管另⼀端流出,在流⼊到流出的过程中,导热⼯质被加热。
系统内集成的光线追踪器可以探测太阳的⽅向,从⽽使反射镜和集热管在光线追踪系统的控制下,实时转动跟踪太阳东升西落,以实现最⼤的太阳光接收率。
太阳能热发电技术虽然拥有良好的商业化发展前景,然⽽⽬前太阳能热发电设备的结构设计和研发完全依赖于物理实验,不仅成本⾼、实验周期长,同时不利于快速占据市场先机和提升附加效益。
为在降低试验成本的同时加快产品的研发速度,北京有⾊⾦属研究总院(以下简称“有研总院”)的太阳能光热技术团队对聚光集热系统进⾏了仿真优化。
吸热器一、工质:熔融盐1、成分2、物理特性密度:3、熔融盐腐蚀特性1)、熔盐温度≤290℃A、此温度下碳钢腐蚀很慢(大约1年为2.1微米),设计厚度可以不考虑腐蚀。
B、此温度下合金钢和奥氏体不锈钢可以不考虑腐蚀。
2)、290℃<熔盐温度≤480℃A、此温度下碳钢腐蚀严重(大约1年为44微米),不适合使用碳钢。
B、此温度下要求合金钢有含9%的铬,从而在熔盐中有良好的抗腐蚀性;2-1/4Cr-1Mo钢在480℃下有严重的铬钼钢剥落,不足以抗熔盐腐蚀。
C、此温度下奥氏体不锈钢可以不考虑腐蚀。
3)、熔盐温度>480℃A、此温度下奥氏体不锈钢(304H、316H、347H)足够抗熔盐腐蚀(大约1年为2—3微米左右),但在短暂的热辐射后,前两种合金形成微观结构,对因偶然与水接触后的含水应力腐蚀裂痕很敏感。
347H同样有良好的抗熔盐腐蚀性,但不易受含水裂痕影响。
二、工作条件吸热器用来吸收定日镜聚焦反射的高温太阳辐射热量,运行中,管子内壁受熔融盐的腐蚀,管子外壁受太阳光高温辐射。
表一Solar Two吸热器管排温度分布三、选材分析经过使用性能和经济性的对比分析选用了TP316H该钢是各国通用的奥氏体不锈耐热钢,由于钢中含有2%-3%的Mo,对各种无机酸、有机酸、碱和盐类的耐腐蚀性及耐点蚀性显著提高,在熔盐和其他介质中,其耐蚀性比TP304H好,该钢在高温下具有良好的蠕变强度、冷变形和焊接能力。
与该钢与我国的07Cr17Ni12Mo2相当,容许使用壁温≤650℃。
集箱:SA-213/TP316H管排:SA-213/TP316HTP316H主要性能:蒸汽发生器一、工质管程:水壳程:熔盐二、工作条件蒸汽发生器由预热器、蒸发器、过热器组成。
预热器负责将水加热至饱和点,蒸发器将饱和水汽化,产生饱和蒸汽,过热器产生额定的过热蒸汽。
三、选材分析经过使用性能和经济性的分析对比选用以下材料:1、预热器:壳程—Q345R(GB713) 管程—20G(GB5310)2、蒸汽发生器:壳程—0Cr18Ni9(GB4237)管程—TP304H(ASME/SA-213)3、过热器:壳程—Q345R(GB713-2008)管程—TP347H(ASME/SA-213)Q345R主要性能如下:1、化学成分2、力学性能和许用应力3、物理性能20G主要性能如下1、化学成分2、力学性能3、许用应力(MPa)规定温度℃4、物理性能0Cr18Ni9(304)主要性能如下:1、化学成分2、力学性能3、许用应力(MPa)规定温度℃4、物理性能TP304H主要性能TP347H主要性能。