太陽能槽式直接蒸汽發電系統在南京地區運行的模擬

陳志鵬，婁清輝，黃 靜，李存霖，唐菲菲，王培紅

（東南大學 能源與環境學院，南京 210096）

太陽能槽式直接蒸汽發電系統（DSG）技術相對成熟，規模效益顯著，結合南京地區太陽能輻射規律，采用數值計算的方法對無儲熱的太陽能槽式直接蒸汽發電系統全年的運行進行模擬。

1 南京地區太陽能輻射規律

南京太陽能資源不是十分理想。全年的輻射強度隨季節變化較大，并以中低水平為主，高強度輻射的小時數不多。夏季的7月和8月正午，太陽輻射強度可以達到900W／m2，但冬季12月和1月份正午，最高輻射強度僅400W／m2，特別是5月和6月南京地區進入梅雨季節陰雨天較多，太陽能資源很有限。

2 全年穩態運行模擬

太陽能槽式直接蒸汽發電系統設計的額定太陽輻射強度為471W／m2，額定給水流量3.4kg／s、額定發電功率為5MW。在設計工況下發電效率為16.75%。系統的集熱部分共有集熱器為2 750個集熱器分11排安裝，每排集熱器250個，其中第209段與210段之間裝有汽水分離器。集熱部分總長1 000m，其中預熱蒸發段長836m，過熱段總長164m，見圖1。由于日出和日落時輻射強度值較低，過冷水在預熱蒸發段內循環流動加熱，太陽輻照僅用于系統蓄熱。

圖1 單排管束示意圖

按照太陽能輻射強度模型計算出的每月典型日輻射值分布，太陽輻射強度從100W／m2到最高值960W／m2。在相同的給水流量和給水壓力下，根據再循環方式系統模型進行計算，結果見表1。

表1 不同輻射強度Ib的系統參數和功率計算結果

表1顯示，隨著太陽輻射強度的升高，汽水分離器產生的蒸汽干度將不斷增大，蒸發量也逐漸增大，過熱蒸汽溫度先升后降。這是因為低輻射強度時，盡管蒸發量較少，但過低的輻射強度下過熱段總有效吸熱量很少，因此過熱溫度較低。隨著輻射強度的逐漸升高，過熱段吸收的有效能逐漸增大，過熱溫度將逐漸升高。當輻射強度繼續升高時，蒸發量增加，雖然過熱段有效能也增加，但是增加的幅度不及蒸發量增加的幅度，因此過熱溫度逐漸降低。同時集熱器出口壓力逐漸降低，并且在高輻射強度時壓力下降幅度過大，因此必須對高輻射強度的運行策略進行調整。

從表1可以看出，隨著太陽輻射強度的增加，雖然蒸汽壓力不斷降低、溫度先升后低，但是蒸發量不斷增大；由于蒸發量是影響汽機功率的主導因素，因此汽機的功率幾乎線性增長，見圖2。

圖2 功率與輻射強度的理論關系

由圖2可以得到擬合式：

但是汽輪機的額定功率為5MW，汽輪機最多可發5.5MW的功率，受汽輪機能力的制約集熱場產生的多余的蒸汽將經過減溫減壓旁路到凝汽器內。利用擬合式可以得到，為了讓汽輪機功率維持在5.5MW，要求太陽輻射強度為520W／m2，即太陽輻射強度超過這個界限，汽輪機功率維持在5.5MW不變。另外通過計算還可以得到太陽輻射強度低于100W／m2，汽輪機的功率為0；圖2經過修正如圖3。圖3反映了該系統的運行性能和特點。

圖3 本案DSG發電功率與輻射強度的關系

利用圖3的關系進行計算，南京地區DSG發電功率的年分布見圖4。

圖4 南京地區DSG發電功率的年分布

可以看出：即使在冬季，正午太陽輻射強度最高時，汽輪機也不能滿負荷運行；春秋兩季，平均每天滿負荷運行約4h，欠負荷下運行4h；夏季，平均每天滿負荷運行7h，欠負荷下運行5h。

3 結論

從運行模擬結果可以看出，在低輻射強度下，主汽溫度較低，而在高輻射強度下，主汽壓力下降明顯。因此當輻射強度較低時，可將汽水分離器位置前移，提高過熱汽溫和發電量；當輻射強度較高時，降低給水流量以穩定主汽壓力。