太阳能槽式直接蒸汽发电系统在南京地区运行的模拟

陈志鹏，娄清辉，黄 静，李存霖，唐菲菲，王培红

（东南大学 能源与环境学院，南京 210096）

太阳能槽式直接蒸汽发电系统（DSG）技术相对成熟，规模效益显著，结合南京地区太阳能辐射规律，采用数值计算的方法对无储热的太阳能槽式直接蒸汽发电系统全年的运行进行模拟。

1 南京地区太阳能辐射规律

南京太阳能资源不是十分理想。全年的辐射强度随季节变化较大，并以中低水平为主，高强度辐射的小时数不多。夏季的7月和8月正午，太阳辐射强度可以达到900W／m2，但冬季12月和1月份正午，最高辐射强度仅400W／m2，特别是5月和6月南京地区进入梅雨季节阴雨天较多，太阳能资源很有限。

2 全年稳态运行模拟

太阳能槽式直接蒸汽发电系统设计的额定太阳辐射强度为471W／m2，额定给水流量3.4kg／s、额定发电功率为5MW。在设计工况下发电效率为16.75%。系统的集热部分共有集热器为2 750个集热器分11排安装，每排集热器250个，其中第209段与210段之间装有汽水分离器。集热部分总长1 000m，其中预热蒸发段长836m，过热段总长164m，见图1。由于日出和日落时辐射强度值较低，过冷水在预热蒸发段内循环流动加热，太阳辐照仅用于系统蓄热。

图1 单排管束示意图

按照太阳能辐射强度模型计算出的每月典型日辐射值分布，太阳辐射强度从100W／m2到最高值960W／m2。在相同的给水流量和给水压力下，根据再循环方式系统模型进行计算，结果见表1。

表1 不同辐射强度Ib的系统参数和功率计算结果

表1显示，随着太阳辐射强度的升高，汽水分离器产生的蒸汽干度将不断增大，蒸发量也逐渐增大，过热蒸汽温度先升后降。这是因为低辐射强度时，尽管蒸发量较少，但过低的辐射强度下过热段总有效吸热量很少，因此过热温度较低。随着辐射强度的逐渐升高，过热段吸收的有效能逐渐增大，过热温度将逐渐升高。当辐射强度继续升高时，蒸发量增加，虽然过热段有效能也增加，但是增加的幅度不及蒸发量增加的幅度，因此过热温度逐渐降低。同时集热器出口压力逐渐降低，并且在高辐射强度时压力下降幅度过大，因此必须对高辐射强度的运行策略进行调整。

从表1可以看出，随着太阳辐射强度的增加，虽然蒸汽压力不断降低、温度先升后低，但是蒸发量不断增大；由于蒸发量是影响汽机功率的主导因素，因此汽机的功率几乎线性增长，见图2。

图2 功率与辐射强度的理论关系

由图2可以得到拟合式：

但是汽轮机的额定功率为5MW，汽轮机最多可发5.5MW的功率，受汽轮机能力的制约集热场产生的多余的蒸汽将经过减温减压旁路到凝汽器内。利用拟合式可以得到，为了让汽轮机功率维持在5.5MW，要求太阳辐射强度为520W／m2，即太阳辐射强度超过这个界限，汽轮机功率维持在5.5MW不变。另外通过计算还可以得到太阳辐射强度低于100W／m2，汽轮机的功率为0；图2经过修正如图3。图3反映了该系统的运行性能和特点。

图3 本案DSG发电功率与辐射强度的关系

利用图3的关系进行计算，南京地区DSG发电功率的年分布见图4。

图4 南京地区DSG发电功率的年分布

可以看出：即使在冬季，正午太阳辐射强度最高时，汽轮机也不能满负荷运行；春秋两季，平均每天满负荷运行约4h，欠负荷下运行4h；夏季，平均每天满负荷运行7h，欠负荷下运行5h。

3 结论

从运行模拟结果可以看出，在低辐射强度下，主汽温度较低，而在高辐射强度下，主汽压力下降明显。因此当辐射强度较低时，可将汽水分离器位置前移，提高过热汽温和发电量；当辐射强度较高时，降低给水流量以稳定主汽压力。