太陽(yáng)能電站導(dǎo)熱油物性數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算

劉長(zhǎng)才，趙麗瓊，徐清

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

0 引言

太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，要求集熱介質(zhì)性能好、工作溫度高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、傳熱性佳、熱傳遞損失小、低蒸汽壓、低凝固點(diǎn)、材料相溶性和經(jīng)濟(jì)性好。目前，較成熟的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)傳熱介質(zhì)主要為陶氏化學(xué)公司生產(chǎn)的牌號(hào)為DOWTHERM A的導(dǎo)熱油，這一類型的導(dǎo)熱油為聯(lián)苯和聯(lián)苯醚低熔混合物，由26.5%的聯(lián)苯和73.5%的聯(lián)苯醚組成。工作溫度范圍為12～400℃，是最穩(wěn)定的合成有機(jī)導(dǎo)熱油，裂解速率最低，對(duì)管材要求低，自燃點(diǎn)為615℃，經(jīng)濟(jì)性較好。

1 DOWTHERM A導(dǎo)熱油的物性數(shù)據(jù)

在過(guò)程開(kāi)發(fā)和各種應(yīng)用研究中，廣泛需要各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，良好的物性數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、研究、操作和控制中至關(guān)重要［1］，但數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀卻不能令人滿意。近年來(lái)不少學(xué)者為此呼吁并總結(jié)了正反兩方面的經(jīng)驗(yàn):如由于缺乏可信度高的物性數(shù)據(jù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中自信度的降低，并使投資和操作費(fèi)用增加;或由于數(shù)據(jù)的精度不高和關(guān)聯(lián)不善，引起了具有損害性的效應(yīng)［2］。

在太陽(yáng)能電站有關(guān)導(dǎo)熱油的工藝計(jì)算中，需要大量的DOWTHERM A導(dǎo)熱油物性數(shù)據(jù)，以確定導(dǎo)熱油的性質(zhì)，從而保證工藝計(jì)算準(zhǔn)確性。然而，由于導(dǎo)熱油多為供應(yīng)商的專利產(chǎn)品，因此，具體的組分難以獲得。在美國(guó)的DIPPR、德國(guó)的DETHERM和日本的熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)也不會(huì)收錄這些專用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)［3］。本文通過(guò)廠家網(wǎng)站公開(kāi)的DOWTHERM A導(dǎo)熱油產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)，用PROII軟件將其物性數(shù)據(jù)回歸成數(shù)學(xué)模型，在軟件中建立虛擬組分，將回歸的數(shù)學(xué)模型的參數(shù)導(dǎo)入虛擬組分中，進(jìn)行導(dǎo)熱油的相關(guān)工藝計(jì)算。

2 導(dǎo)熱油物性數(shù)據(jù)的回歸

物性數(shù)據(jù)回歸一般按照數(shù)據(jù)收集→模型→參數(shù)回歸的步驟進(jìn)行。

2.1 樣本物性數(shù)據(jù)的收集

進(jìn)行物性數(shù)據(jù)的回歸，首先要有準(zhǔn)確的樣本數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)。工藝模擬的物性數(shù)據(jù)主要有飽和蒸汽壓、液體體積質(zhì)量、理想氣體比焓、液體比焓、潛熱比焓、氣體導(dǎo)熱系數(shù)、液體導(dǎo)熱系數(shù)、氣體黏度、液體黏度和表面張力等。表1為DOWTHERM A的導(dǎo)熱油樣本數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)學(xué)模型的選擇

導(dǎo)熱油物性數(shù)據(jù)的回歸需要選擇關(guān)聯(lián)的參數(shù)，從表1可以看出，導(dǎo)熱油熱力學(xué)數(shù)據(jù)均是溫度的函數(shù)且是非線性的。已知現(xiàn)有溫度參數(shù)9組數(shù)據(jù)，使用PROII軟件進(jìn)行回歸計(jì)算時(shí)，供選擇的數(shù)學(xué)模型最接近的為8參數(shù)模型，所以，采用8參數(shù)數(shù)學(xué)模型，利用樣本數(shù)據(jù)回歸所需的物性數(shù)據(jù)。

數(shù)學(xué)模型的方程為

式中:t為導(dǎo)熱油溫度，℃;C1～C8為參數(shù);Prop為待回歸的物性數(shù)據(jù)。

2.3 確定參數(shù)C1～C8

通過(guò)PROII軟件回歸物性數(shù)據(jù)，將給定的樣本數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型中，得出參數(shù)C1～C8的結(jié)果，見(jiàn)表2。

方差的設(shè)定

式中:S為方差;Propical為回歸計(jì)算的物性數(shù)據(jù);Propiexpt為樣本給出的物性數(shù)據(jù)。

表1 DOWTHERM A的導(dǎo)熱油樣本數(shù)據(jù)

表2 DOWTHERM A的導(dǎo)熱油物性回歸參數(shù)

采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)導(dǎo)熱油物性進(jìn)行回歸計(jì)算，得出各參數(shù)(表2)及各參數(shù)與溫度的關(guān)系曲線圖(如圖1～圖4所示)，限于篇幅，本文僅給出飽和蒸汽壓、潛熱比焓、氣體導(dǎo)熱系數(shù)及液體黏度與溫度的關(guān)系曲線圖。從以上圖中可以看出，各參數(shù)與溫度的關(guān)系有的接近線性關(guān)系，有的則遠(yuǎn)離線性關(guān)系，所以，在計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)單的采用線性關(guān)系進(jìn)行物性及工藝計(jì)算會(huì)帶來(lái)較大的誤差。回歸后的導(dǎo)熱油物性與原有的數(shù)據(jù)庫(kù)物性(即26.5%的聯(lián)苯和73.5%的聯(lián)苯醚的混合物)也有差別，因?yàn)楦鲗?dǎo)熱油公司為了技術(shù)保密而不公開(kāi)相關(guān)的添加劑的物性，這些都會(huì)導(dǎo)致工藝計(jì)算的偏差。

圖1 飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系曲線

3 采用回歸后熱力學(xué)參數(shù)的工藝計(jì)算

對(duì)導(dǎo)熱油熱力學(xué)參數(shù)的回歸進(jìn)行了計(jì)算，把回歸后的參數(shù)存入PROII定義的虛擬組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中，將回歸后的參數(shù)與原有的物性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了比較分析［4］。

用PROII軟件對(duì)太陽(yáng)能電站導(dǎo)熱油換熱器建立圖5所示流程，導(dǎo)熱油換熱器依次經(jīng)過(guò)熱器E3、蒸發(fā)器E2、省煤器E1，鍋爐給水依次經(jīng)過(guò)省煤器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器后產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)。

采用回歸后的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能電站中的導(dǎo)熱油換熱器中的省煤器E1進(jìn)行工藝模擬計(jì)算，并與PROII數(shù)據(jù)庫(kù)中的原熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較［5-6］。

通過(guò)PROII模擬計(jì)算結(jié)果，在導(dǎo)熱油熱側(cè)溫度同為318.3℃的前提下，采用回歸熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算的導(dǎo)熱油質(zhì)量流量為1993600 kg/h，而原熱力數(shù)據(jù)計(jì)算的導(dǎo)熱油質(zhì)量流量為2099000 kg/h，采用回歸熱力學(xué)參數(shù)對(duì)省煤器的模擬計(jì)算可節(jié)省導(dǎo)熱油質(zhì)量流量達(dá)105400 kg/h，占原熱力數(shù)據(jù)計(jì)算的導(dǎo)熱油質(zhì)量流量的5.02%。在太陽(yáng)能電站中，采用國(guó)外品牌的導(dǎo)熱油雖然毒性低，無(wú)氣味，不結(jié)垢，無(wú)沉積，但價(jià)格非常昂貴，通過(guò)回歸的導(dǎo)熱油物性參數(shù)后的模擬計(jì)算可提高設(shè)計(jì)精度，同時(shí)降低投資。

圖5 太陽(yáng)能電站導(dǎo)熱油換熱器流程圖

4 結(jié)論

對(duì)導(dǎo)熱油樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸計(jì)算，采用合理的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出方差允許的模型參數(shù)，并用回歸后的熱力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)能電站導(dǎo)熱油換熱器中的省煤器進(jìn)行工藝計(jì)算，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱油耗量比原數(shù)據(jù)庫(kù)中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算的耗量節(jié)省5.02%，該導(dǎo)熱油的熱力學(xué)物性參數(shù)可以比較準(zhǔn)確地進(jìn)行太陽(yáng)能電站中導(dǎo)熱油換熱器的工藝計(jì)算，對(duì)工程的設(shè)計(jì)有參考作用，使得工程設(shè)計(jì)更加精確和完善。

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