太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)在南京地區(qū)運(yùn)行的模擬

陳志鵬，婁清輝，黃 靜，李存霖，唐菲菲，王培紅

（東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096）

太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)（DSG）技術(shù)相對(duì)成熟，規(guī)模效益顯著，結(jié)合南京地區(qū)太陽(yáng)能輻射規(guī)律，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)無(wú)儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)全年的運(yùn)行進(jìn)行模擬。

1 南京地區(qū)太陽(yáng)能輻射規(guī)律

南京太陽(yáng)能資源不是十分理想。全年的輻射強(qiáng)度隨季節(jié)變化較大，并以中低水平為主，高強(qiáng)度輻射的小時(shí)數(shù)不多。夏季的7月和8月正午，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以達(dá)到900W／m2，但冬季12月和1月份正午，最高輻射強(qiáng)度僅400W／m2，特別是5月和6月南京地區(qū)進(jìn)入梅雨季節(jié)陰雨天較多，太陽(yáng)能資源很有限。

2 全年穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬

太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的額定太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為471W／m2，額定給水流量3.4kg／s、額定發(fā)電功率為5MW。在設(shè)計(jì)工況下發(fā)電效率為16.75%。系統(tǒng)的集熱部分共有集熱器為2 750個(gè)集熱器分11排安裝，每排集熱器250個(gè)，其中第209段與210段之間裝有汽水分離器。集熱部分總長(zhǎng)1 000m，其中預(yù)熱蒸發(fā)段長(zhǎng)836m，過(guò)熱段總長(zhǎng)164m，見(jiàn)圖1。由于日出和日落時(shí)輻射強(qiáng)度值較低，過(guò)冷水在預(yù)熱蒸發(fā)段內(nèi)循環(huán)流動(dòng)加熱，太陽(yáng)輻照僅用于系統(tǒng)蓄熱。

圖1 單排管束示意圖

按照太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度模型計(jì)算出的每月典型日輻射值分布，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從100W／m2到最高值960W／m2。在相同的給水流量和給水壓力下，根據(jù)再循環(huán)方式系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同輻射強(qiáng)度Ib的系統(tǒng)參數(shù)和功率計(jì)算結(jié)果

表1顯示，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的升高，汽水分離器產(chǎn)生的蒸汽干度將不斷增大，蒸發(fā)量也逐漸增大，過(guò)熱蒸汽溫度先升后降。這是因?yàn)榈洼椛鋸?qiáng)度時(shí)，盡管蒸發(fā)量較少，但過(guò)低的輻射強(qiáng)度下過(guò)熱段總有效吸熱量很少，因此過(guò)熱溫度較低。隨著輻射強(qiáng)度的逐漸升高，過(guò)熱段吸收的有效能逐漸增大，過(guò)熱溫度將逐漸升高。當(dāng)輻射強(qiáng)度繼續(xù)升高時(shí)，蒸發(fā)量增加，雖然過(guò)熱段有效能也增加，但是增加的幅度不及蒸發(fā)量增加的幅度，因此過(guò)熱溫度逐漸降低。同時(shí)集熱器出口壓力逐漸降低，并且在高輻射強(qiáng)度時(shí)壓力下降幅度過(guò)大，因此必須對(duì)高輻射強(qiáng)度的運(yùn)行策略進(jìn)行調(diào)整。

從表1可以看出，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加，雖然蒸汽壓力不斷降低、溫度先升后低，但是蒸發(fā)量不斷增大；由于蒸發(fā)量是影響汽機(jī)功率的主導(dǎo)因素，因此汽機(jī)的功率幾乎線性增長(zhǎng)，見(jiàn)圖2。

圖2 功率與輻射強(qiáng)度的理論關(guān)系

由圖2可以得到擬合式：

但是汽輪機(jī)的額定功率為5MW，汽輪機(jī)最多可發(fā)5.5MW的功率，受汽輪機(jī)能力的制約集熱場(chǎng)產(chǎn)生的多余的蒸汽將經(jīng)過(guò)減溫減壓旁路到凝汽器內(nèi)。利用擬合式可以得到，為了讓汽輪機(jī)功率維持在5.5MW，要求太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為520W／m2，即太陽(yáng)輻射強(qiáng)度超過(guò)這個(gè)界限，汽輪機(jī)功率維持在5.5MW不變。另外通過(guò)計(jì)算還可以得到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低于100W／m2，汽輪機(jī)的功率為0；圖2經(jīng)過(guò)修正如圖3。圖3反映了該系統(tǒng)的運(yùn)行性能和特點(diǎn)。

圖3 本案DSG發(fā)電功率與輻射強(qiáng)度的關(guān)系

利用圖3的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，南京地區(qū)DSG發(fā)電功率的年分布見(jiàn)圖4。

圖4 南京地區(qū)DSG發(fā)電功率的年分布

可以看出：即使在冬季，正午太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高時(shí)，汽輪機(jī)也不能滿負(fù)荷運(yùn)行；春秋兩季，平均每天滿負(fù)荷運(yùn)行約4h，欠負(fù)荷下運(yùn)行4h；夏季，平均每天滿負(fù)荷運(yùn)行7h，欠負(fù)荷下運(yùn)行5h。

3 結(jié)論

從運(yùn)行模擬結(jié)果可以看出，在低輻射強(qiáng)度下，主汽溫度較低，而在高輻射強(qiáng)度下，主汽壓力下降明顯。因此當(dāng)輻射強(qiáng)度較低時(shí)，可將汽水分離器位置前移，提高過(guò)熱汽溫和發(fā)電量；當(dāng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)，降低給水流量以穩(wěn)定主汽壓力。