基于蒸发温度的饱和水蓄热器运行工况分析

基于蒸发温度的饱和水蓄热器运行工况分析

0太阳能塔式热发电技术与其他发电方式的对比中国的一次能源储量约占世界经济总储量的10%，人口约占世界经济总规模的25%。在能源结构中,将近70%的能源消费来源于煤,由此带来的资源、环境问题突出。太阳能是清洁的可再生能源,而太阳能高温热发电技术是太阳能规模化利用的一个重要方向。根据聚焦方式的不同,太阳能热发电主要有碟式、槽式、塔式三种方式;采用的工质有水/蒸汽、熔盐、空气、导热油、液态金属、有机物等。对于太阳能塔式热发电技术,吸热器表面的聚光比通常能达到500~1000,局部热负荷甚至超过1000kW/m2;高塔、高聚光比的特点决定了该技术具有大容量、高参数、高发电效率等显著优点。在塔式热发电技术路线中,以熔盐和水/蒸汽为工质的两种方案最具有代表性,两种方案具有各自的特点,在国外都已有商业化运营的项目验证。在以熔盐为介质的塔式热发电系统中,熔盐在吸热器中吸热升温,再通过蒸汽发生装置产生需要参数的蒸汽,这种太阳能热发电技术具有产生的蒸汽参数高、蓄热能力强等优点,有利于提升太阳能热发电系统的容量系数及发电效率。但熔盐系统也具有凝固点高、管路复杂等问题,因此系统对管道预热、设备保温、运行维护等要求高,并且熔盐发生凝固的风险大。而以水为热载体的太阳能塔式热发电技术具有吸热介质廉价、汽化潜热高、运行经验丰富等优点,但水蒸气的换热系数较低、蓄热能力较弱是该技术方案的缺点。如果以水/蒸汽为介质的塔式集热技术与其他发电方式结合(如燃气蒸汽联合循环、传统的燃煤机组、生物质炉、余热锅炉等),就可以克服上述问题。本文中探讨的饱和水蓄热技术可以有效延长太阳能系统的发电时间,并对系统在有云气象条件下的稳定运行也具有重要意义。1太阳能塔式热发电系统杭锅集团从2011年开始进行太阳能塔式热发电技术的研究工作,并与浙江中控集团、杭汽轮集团等成立了浙江中控太阳能技术有限公司,开展太阳能塔式热发电技术的研究开发、系统集成、项目示范、应用推广等方面的工作。杭锅集团在本课题中负责关键热力设备(如吸热器、蓄热器、蒸汽发生装置等)、整体热力系统的研究开发工作。2013年7月,青海德令哈太阳能塔式热发电50MW项目一期工程10MW已正式并网发电。该工程采用了以水/蒸汽为工质的太阳能塔式热发电技术,全部技术由合资公司及相关企业联合研发完成,是我国具有完全自主知识产权、发电容量大、率先实现并网的太阳能塔式热发电机组。从首次并网至今,青海10MW热发电系统已稳定运行超过了一年。青海10MW太阳能塔式热发电系统包括了两个吸热单元,每个吸热单元包含14000余面反射镜。随着太阳位置的改变,反射镜在定日跟踪程序的控制下把太阳光准确反射到吸热器的目标位置;位于吸热塔顶的太阳能吸热器接收定日镜反射来的太阳光,并以热能的形式被工质吸收,产生高参数的饱和蒸汽;从吸热器出来的饱和蒸汽被引入到饱和蓄热器;从饱和蓄热器出来的蒸汽经过热后引至汽轮机;蒸汽在汽轮机内膨胀做功,带动发电机产生电能;同时做功后的乏汽在凝汽器内冷却变成凝结水;凝结水经预热除氧后输送到太阳能吸热器,完成工质的一个循环。在太阳能热发电系统中,太阳辐射可能会因为来云等因素而产生波动,由此会造成热力参数的急剧变化;当这种变化超过一定幅度时,会导致蒸汽动力系统不能正常工作,甚至会导致机组从电网解列。为了减少太阳辐射波动对热力发电系统的影响,本系统在吸热器出口设置了饱和水蓄热装置。本文中拟对饱和水蓄热装置进行热力建模分析,模拟蓄热器在没有额外进汽的条件下,通过闪蒸而产生的蒸发量,并由此计算系统稳定运行的时间,用以指导蓄热器的工程设计。德令哈10MW塔式热发电项目的系统工作流程如图1。2饱和水蓄热器结构设计在以水/蒸汽为介质的太阳能热发电系统中,如果没有蓄热装置,太阳辐射强度等参数的变化会给热力系统造成严重影响,当波动幅度剧烈时还会造成发电机组从电网解列,甚至需要停机。因此有必要对以水/蒸汽为工质的太阳能热发电系统设置一定容量的蓄热装置,以改善系统的输出特性,提高系统的可用率。以来云条件为例,对系统的热力响应过程进行简要分析。当定日镜场上空出现云时,定日镜反射的太阳直射辐射快速下降(定日镜反射的主要是直射辐射),造成吸热器表面的太阳辐射强度急剧下降;若系统没有蓄热装置时,系统压力及蒸汽流量将迅速下降,由此影响到汽轮发电系统的安全运行;若在吸热器出口设计有一定容量的饱和水蓄热装置,在压力降低时,蓄热器内的饱和水通过闪蒸产生额外蒸汽量,由此可以减缓甚至消除系统参数的波动,改善系统的能量输出、延长系统的发电时间。饱和水蓄热器的结构示意见图2。根据饱和蓄热器内水/蒸汽的质量平衡,可以得出如下方程:由于蓄热器具有较好的保温效果,相对于蓄热器的热容量而言,对环境的散热可以忽略,据此建立蓄热器能量平衡方程如下:式中:V0为蓄热器总容积,m3;Vt1,l、Vt2,l分别为t1、t2时刻蓄热器内水的体积,m3;ρt1,l、ρt2,l分别为t1、t2时刻蓄热器内水的密度,kg/m3;ρt1,g、ρt2,g分别为t1、t2时刻蓄热器内蒸汽的密度,kg/m3;ht1,l、ht2,l分别为t1、t2时刻蓄热器内水的焓值,kJ/kg;ht1,g、ht2,g分别为t1、t2时刻蓄热器内蒸汽的焓值,kJ/kg;mv为t1至t2时段蓄热器的蒸发量,kg;hv为t1至t2时段饱和蒸汽的平均焓值,kJ/kg。把公式(1)变形为Vt2,l关于mv的表达式:将公式(3)代入到公式(2)化简,得出mv的表达式:根据上述关系式,可以计算出饱和水蓄热器在不同时段的蒸发量及蓄热器内的剩余水量,分析饱和水蓄热器使系统稳定运行可以持续的时间。3饱和水蓄热器系统的稳定运行结合德令哈太阳能塔式热发电10MW项目工程中的相关参数,对饱和水蓄热器的蓄热放热特性进行模拟与分析。饱和水蓄热器相关的主要参数如下:内径2.2m;有效长度18m;初始水位1.45m;数量2个;初始压力9.87MPa;为了满足汽轮机进汽要求,蓄热器的最低工作压力为3.98MPa。当太阳辐射等环境参数波动时,吸热器的蒸发量及蒸发压力下降,蓄热器代偿性的闪蒸过程可以使系统压力下降趋缓。通过调整汽轮机进汽调整门开度,控制汽轮机的进汽压力及蒸汽流量,维持发电系统的正常运行。在如下的分析中,以定日镜全部切除,吸热器停止产生蒸汽流量为假设条件,计算蓄热器的持续蒸发能力。上述假设条件是一种极端情况,若定日镜场实际处于薄云的边界条件下(这是最常见的情况),吸热器仍可以产生一定的蒸发量送往蓄热器,则饱和蓄热器的系统适应性会更高。蓄热器内饱和压力与饱和温度的对应关系见图3。蓄热器内蒸发压力是随着蒸汽流量的变化而快速响应的,而汽轮机进汽调整门的开度控制了汽轮机的进汽量,由此可以调整系统的压力变化。当系统压力降低时,蓄热器内饱和水产生闪蒸,随后蓄热器内的水温也会由于能量的输出而逐渐降低。由上述关系可以看出,蒸发压力的降低比蒸发温度的降低更快,蒸发温度的下降可以视为蒸汽闪蒸产生的结果。对于整个热力发电系统而言,可以通过控制汽轮机进汽调门开度控制系统的压力及蒸发量,使系统保持在连续而平稳的运行状态。饱和蓄热器蒸发量的变化关系见图4。蓄热器内的水位与剩余水量之间满足如下关系:水位高度H与Q之间的关系为:式中:θ为在蓄热器圆周面内,水面与圆心连线所形成的夹角的一半(见图2所示);L为蓄热器有效长度,m;R为蓄热器半径,m;H为蓄热器内液面距离底部的高度,m。由此可以得出蓄热器内水位随饱和温度的变化关系如图5所示。在上述闪蒸过程中,蒸发压力从9.87MPa降到3.98MPa,对应的蒸发温度从310℃降低到250℃;蒸发量从845kg降到517kg,蓄热器内的水量从96m3下降到67.5m3,水位从1.45m降到1.09m。在上述过程中,累计蒸发量为9320kg。德令哈10MW太阳能热力发电系统的额定蒸发量为36000kg/h,上述蒸发量可满足系统在平均负荷为50%的工况下持续工作0.5h。结合青海德令哈10MW太阳能热发电系统工程实例,2013年8月1日实际运行中的太阳直射辐射(DirectNormalIrradiance,DNI)波动与发电机功率输出曲线如图6所示。下午14时30分左右,太阳法向直射辐射强度出现大幅波动,最低值接近于零,但饱和水蓄热器可以给系统提供相对稳定的蒸发量输出,因此系统的电功率只产生了一个较小的波动(约0.5MW),可以看出饱和水蓄热器对系统的稳定运行起到了较好作用。饱和水蓄热器可以在来云的条件下,使热力系统保持在一个较稳定的状态,但由于饱和蓄热的容量限制,在没有太阳辐射时,蓄热系统延长系统工作的时间是有限的。4从蓄热器的应用中分析在以水/蒸汽为工质的太阳能热发电系统中,饱和水蓄热器可以缓冲太阳