双回路槽式太阳能电站集热系统动态特性

李换兵，崔凝

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市071003)

双回路槽式太阳能电站集热系统动态特性

李换兵，崔凝

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市071003)

为研究双回路抛物面槽式太阳能光热电站聚光集热系统动态响应特性，以美国SEGS电站Ⅵ号机组(SEGSⅥ)为对象，采用理论建模和数字仿真的方法研究了双回路抛物面槽式太阳能电站聚光集热系统动态仿真模型。基于质量、能量、动量平衡方程，结合相关专业知识，建立了以导热油/蒸汽为工质的抛物面槽式太阳能聚光集热系统的数学模型。分析了太阳辐射强度、集热管入口油体积流量、入口油温度以及集热管真空度改变情况下集热管出口油温动态变化特性。试验结果表明，集热管出口油温随着太阳辐射强度、集热管入口温度的增大而升高，但随体积流量的增加而降低。真空度的破坏对集热管出口油温的影响较大。模型能够正确反映研究对象的动态特性，运算稳定可靠；模型不仅可用于对仿真对象运行特性进行研究，还可为双回路抛物面槽式太阳能热动力发电系统动态特性的研究，提供良好的基础模型。

集热系统；数学模型；仿真；动态分析

0 引 言

与其他太阳能热发电相比，抛物面槽式太阳能热发电是目前最为成熟的技术，槽式太阳能发电站也是目前太阳能热发电试验电站中年效率最高的[1-4]。抛物面槽式太阳能热动力发电系统按其结构可分为单回路系统和双回路系统。

单回路系统又称为直接蒸汽发电系统(directsteam generation，DSG)，其工作原理是热传输流体(水-蒸汽)从安装在焦线上的集热管吸热后直接进入汽轮机发电系统进行发电，此发电系统的特点是集热系统与汽轮机发电系统之间不仅有能量交换，还有物质交换。

双回路的集热系统与发电系统在2个不同的循环中，集热系统与发电系统之间只有能量交换没有物质交换，其工作原理是利用槽型抛物面反射镜将太阳光聚焦到焦线上，安装在焦线上的集热管吸收聚焦后的太阳辐射能，加热管内的热传输流体，然后热传输流体经过过热器、蒸汽发生器、预热器等热交换器将热量传给工质水，产生高压过热蒸汽推动汽轮机做功从而带动发电机发电。聚光集热系统(parabolic trough collectors，PTCs)是抛物面槽式太阳能热动力发电(solar thermal power plant using parabolic trough collectors，PTCs-STPP)的核心部分，作为电站的动力源，其动力学特性直接影响整体机组的运行性能。文献[5-6]对集热器进行了数值模拟，分析其换热过程；文献[7]建立了集热器管内流体的一维传热模型，对以导热油/水为工质的槽式太阳能集热器的动态特性进行了分析；文献[8]建立了集热器的传热流动数学模型，然后对其进行模拟仿真，分析其换热特性；文献[9-10]对DSG槽式聚光集热系统的动态特性进行了研究。目前对槽式太阳能集热系统的研究主要集中在整体热损失方面[6]，对集热系统整体动力学特性的研究很少。

SEGS VI电站是1988年LUZ公司所建，是美国加州9座SEGS电站中最具代表性的。本文以SEGSⅥ电站集热系统为研究对象，基于能量守恒、动量守恒、质量守恒以及相关专业知识，采用理论建模和数值仿真的方法建立聚光集热系统的动态仿真模型，对集热系统动态特性进行研究，为双回路槽式太阳能电站热力系统动态特性研究提供基础模型。

1 数学模型

本文以构成集热管的各集热单元物理联接为界限，把集热单元作为控制体，采用集总参数法建立集热系统的模块。文中集热系统采用LS-2集热器，集热工质为therminol-vp1型导热油，参考DSG聚光集热系统数学模型[11]，建立了以导热油/蒸汽为介质的抛物面槽式太阳能电站集热系统的数学模型。

1.1 单元集热管吸热量

抛物面槽式太阳能集热管换热原如图1所示。图中:dji为集热管内径；djo为集热管外径；dbi为玻璃罩内径；dbo为玻璃罩外径；lbo为单元集热管玻璃罩长度；QDNI为太阳直射辐射能；Qbr为玻璃罩外壁向外界环境的辐射换热量；Qbc为玻璃罩外壁与外界对流换热量；Qjr为集热管与玻璃罩间辐射换热量；Qjc为真空集热管与玻璃罩间对流换热/导热；Qsx为真空集热管实际吸收热量；Qext为管端接头及支撑结构等与集热管接触部件产生的散热损失；Qwm为管内工质吸热量；tjoi为集热管壁温；tboi为玻璃罩壁温。

图1 抛物面槽式太阳能集热管换热原理图Fig.1 PTC heat transfer schematic

集热管玻璃罩外壁对环境散热量为

玻璃罩外壁与外界对流换热量为

式中:tamb为环境温度；hbo为玻璃罩外表面换热系数。

玻璃罩外表面换热系数h 计算式为

式中:λamb为环境空气导热系数；Nubo为玻璃罩外表面Nusselt数。

当环境风速≤0.1 m/s时，Nusselt数[12]为

式中:Raamb为基于玻璃罩外径的空气瑞利数；Pramb为基于大气平均温度的空气普朗特数。

当环境风速>0.1 m/s时，Nusselt数[12]为

式中:Reamb为基于玻璃罩外径的环境空气雷诺数；Prbo为基于玻璃罩外壁平均温度的空气普朗特数；系数C、m取决于Reamb；n为0.36或0.37，取决于Pramb。

玻璃罩外壁向外界环境的辐射换热量为

式中:εbo为玻璃罩外壁发射率；tambo为天空有效温度；σ为波尔兹曼常数，W/m2K4。

当真空集热管与玻璃罩之间的环形空间内气压<133.32 Pa时，可视为真空状态，换热主要为分子间热传导[13]，换热量[14]为

传热系数为

其中:

式中:k为环形空间气体比热比；tave为环形空间气体平均温度；pgas为环形空间气体压力；dgas为环形空间气体分子直径。

当环形空间内气压≥133.32 Pa时，集热管与玻璃罩之间的换热可视为水平环状空间自然对流换热，对流换热参照Raithby-holland关联式[15]计算，即

式中:λgas为环形空间气体导热系数。

环形空间气体普朗特数Prgas为

式中:a为环形空间气体导温系数，m2/s；ν为环形空间气体运动粘度，m2/s。

基于集热管外径的Rayleigh数为

式中:ψ为环形空间气体膨胀系数，1/K。

集热管与玻璃罩间辐射换热量[12]为

式中:εjo为集热管外表面发射率；εbi为集热管玻璃罩内表面发射率。模型主要研究流体对流换热动态特性。

真空集热管实际吸收热量为

由于模型主要研究流体对流换热动态特性，Qext对集热管的换热的影响可以忽略，令Qext为0。

1.2 导热油流动换热模型

模型研究了集热管中导热油的流动和换热过程。导热油在集热管中的换热属于圆管内强制对流换热，其换热模型参照单相介质换热模型[11]。

集热管内单相介质换热属圆形管内强制流动换热，根据Dittus公式，管内工质对流换热系数为

式中:Prw、vw、λw与ww分别为工质的普朗特数、运动粘度、导热系数和流速；C为低负荷时工质修正系数。

管内工质吸热量为

式中:Aji为换热面积；t1为单元集热管入口工质温度；t2为单元集热管出口工质温度。

由能量平衡方程可得集热管壁温为

式中:MjmCjm为单元集热管金属热容。

同理可得，玻璃罩壁面温度为

式中:MbCb为单元集热管玻璃罩热容。单元集热管出口工质焓为

式中:Mw为集热管内工质存液量；dτ为积分步距；h1为单元集热管入口工质焓；h2为单元集热管出口工质焓；Wm1、Wm2分别为单元集热管进、出口工质流量。

单元集热管出口油温度[11]为

2 双回路槽式太阳能电站集热系统仿真模型验证

以华北电力大学STAR-90仿真支撑系统为平台，美国SEGS电站Ⅵ号机组(SEGSⅥ)的集热系统为研究对象，建立SEGSⅥ集热系统的仿真模型。

模型验证数据选取文献[16]中2个典型工作日的实际运行数据，分别为秋季(9月19日)工况和冬季(12月14日)工况。选取06:00～20:00的仿真模型结果与实际运行数据进行对比。

图2为秋季(9月19日)SEGSⅥ电站所建模型仿真结果与实际运行数据进行对比，在相同的边界条件下，对比2(d)图中集热管出口油温仿真值和实际运行值可以看出秋季仿真模型出口温度的变化过程与实际运行数据具有较高的吻合度，模型整体上可以满足精度要求。

图2 秋季工况仿真值与实际运行数据比较Fig.2 Comparison between simulation and actual operating data in autumn

图3为冬季(12月14日)SEGSⅥ电站所建模型仿真结果与实际运行数据进行对比，与秋季工况分析类似，在相同的边界条件下，比较3(d)图中仿真模型出口油温与实际运行中集热管出口油温，可见冬季仿真模型出口温度的变化过程与实际运行数据具有较高的吻合度，仿真模型从整体上可以满足精度要求。

图3 冬季工况仿真值与实际运行数据比较Fig.3 Comparison between simulation and actual operating data in winter

3 集热系统动态特性分析

以秋季9月19日11:00左右各参数的仿真值为基准，分析太阳辐射强度扰动、集热管入口油温扰动、体积流量扰动以及真空度扰动下集热系统出口油温的变化情况。试验历时10 min，采样周期为6 s。

3.1 太阳辐射强度扰动

图4为其他条件不变，太阳辐射强度发生脉冲变化时集热管出口油温的变化情况。当太阳辐射强度从1 kW/m2突然降低到200 W/m2，由于热惯性，同时导热油有一定的储热能力，出口温度没有突变，而是单调减小，直至稳定值，历时3 min 35 s，出口温度在初始阶段呈线性减少。同理，当太阳辐射强度从200 W/m2突升到1 kW/m2时，出口温度单调增加直至稳定。

图4 太阳辐射强度与出口温度的关系Fig.4 Relationship between DNI and outlet temperature

3.2 集热管环形空间真空度扰动

图5给出了其他条件不变，集热管真空度下降(即环形空间内压力由130 Pa突然升高到150 Pa)后集热管出口油温变化情况，试验从10:58:00开始到11:08: 00结束。11:05:00当环形空间压力从130 Pa突然增加到150 Pa时，由于环形空间的真空度被破坏，环形空间内气体传热形式由真空状态下的导热转变为空间气体的对流换热，换热强度急剧增加，集热管的热损失由原来以辐射换热为主过度到以对流换热为主，换热量增大，因此集热管出口油温下降，直至稳定。集热管出口温度从350.586℃降低到311℃左右然后有所上升直至稳定值320.874℃，历时2 min 5 s。

图5 环形空间真空度与出口温度的关系Fig.5 Relationship between vacuum degree and outlet temperature

3.3 集热管入口油体积流量扰动

图6给出了油体积流量发生脉冲变化时集热管出口油温变化的情况，试验从11:56:00开始到12: 06:00结束。当体积流量从0.638 3 m3/s突降到0.5 m3/s，集热管出口油温从350.587℃开始上升，直至稳定值360.53℃，历时2 min 30 s。同理，当体积流量从0.55 m3/s突升到0.638 8 m3/s时，集热管出口油温急剧下降，直至稳定，历时1 min 47 s。由此可知当体积流量发生脉冲变化时，流量突增比流量突减时响应快，达到新稳定所需时间短，这主要是由于体积流量突增后，快速流动的流体换热量增大，能够带走更多的能量，同时由于温度降低，热容减小，油蓄热能力降低，因此体积流量突增时出口温度的响应比突减时快。

3.4 集热管入口油温度扰动

图7给出了入口油温发生脉冲变化时集热管出口油温变化情况。当入口油温由279.985℃突降到100℃，由于集热系统接收的太阳辐射能及入口油体积流量不变，导致集热管出口油温由350.586℃开始降低，由于热惯性以及油的蓄热能力，出口油温没有突降，而是单调减小至稳定值175.388℃，历时3 min 20 s，同理，当集热管入口油温度突然升高时，集热管出口油温度升高，上升速度也是先快后慢，直至稳定值350.586℃，历时4 min 42 s。由此可知入口温度突降响应要比入口温度突升响应快，这主要是由于入口温度降低导致热容减小，油蓄热能力降低，从而使得入口温度突降时出口温度响应比入口温度突升时的快。

图6 体积流量与出口温度的关系Fig.6 Relationship between volume flow and outlet temperature

图7 入口油温与出口油温的关系Fig.7 Relationship between Entrance temperatureand outlet temperature

4 结 论

(1)通过分析太阳辐射发生脉冲变化对集热管出口油温的影响可知，集热管出口温度随太阳辐射强度的增大而升高，随着太阳辐射的降低而减小。

(2)当环形空间真空度降低后，集热管出口油温会减小，而且真空度对集热管出口油温的影响较大。

(3)通过对集热管入口油体积流量的扰动分析可知，集热管出口油温随着入口油体积流量的增加而降低；随着入口有体积流量的减少而增加。

(4)通过分析集热管入口油温变化对出口油温变化的影响可知，集热管出口油温随着入口油温的升高而升高，随着出口油温的降低而降低。

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(编辑：蒋毅恒)

Dynamic Characteristics of Collector System of Double Loop Trough Solar Power Station

LI Huanbing，CUI Ning
(School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China.)

In order to study the dynamic response characteristics of thecollector systemof the double loop parabolic trough solar power.As America SEGS power plant unitⅥ(SEGSⅥ)is the research object，with the theoretical modeling and numerical calculation，the dynamic simulation model about the double loop parabolic trough solar power station collector system is studied.Based on the mass，energy and momentum conservation equations and elements knowledge of relevant specialties，the mathematical model of a parabolic trough solar collector with heat conduction oil/steam is studied.Analysis of dynamic characteristics change of collector outlet temperature in the change of the intensity of solar radiation，oilentrance volume of collector，oil entrance temperature of collector，and the vacuum of collector.The experimental results show that the outlet temperature of the collector increases with increase of the intensity of solar radiationand the temperature of the collector entrance，but it will decreases with the increase of the the volume flow.Vacuum damage has great influence on the outlet temperature of the collector.The model can correctly reflect the dynamic characteristic of the research object，the operation is stable and reliable；model not only can be used to study on the operation characteristics of the simulation object，provide a good basis for model for double loop parabolic trough solar thermal power generation system dynamic characteristics research.

collector system；mathematical model；simulation；dynamic characteristics

TM 615

A

1000-7229(2015)11-0141-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.022

2015-07-28

2015-08-19

李换兵(1989)，女，硕士研究生，研究方向为常规槽式抛物面太阳能光热电站热力系统动态特性；

崔凝(1969)，男，副教授，从事复杂热力系统数学模型的研究及太阳能热发电站动态特性分析等研究工作。