太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)集成方案的設(shè)計(jì)

婁清輝，李存霖，陳志鵬，黃 靜，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）由聚光集熱場(chǎng)和發(fā)電單元組成，若干個(gè)聚光集熱器經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組合形成聚光集熱場(chǎng)，利用聚焦的太陽(yáng)光加熱工質(zhì)水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電單元的汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。目前凈發(fā)電量?jī)蓚€(gè)分別為3MW和5MW的DSG電站示范項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用前的試驗(yàn)運(yùn)行。本文將對(duì)DSG技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析，根據(jù)南京全年輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究南京太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度規(guī)律，并把南京的全年平均輻射強(qiáng)度作為太陽(yáng)能DSG系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輻射強(qiáng)度，對(duì)包括汽輪機(jī)組在內(nèi)的設(shè)備選用以及機(jī)組給水流量等的運(yùn)行參數(shù)的確定，給出適合南京地區(qū)的無(wú)儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 南京地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的年分布特點(diǎn)

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的大小及其在一年中的分布是太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。根據(jù)南京地區(qū)太陽(yáng)能全年輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用逐時(shí)太陽(yáng)能強(qiáng)度及計(jì)算模型可以得到南京地區(qū)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的分布規(guī)律，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 南京每月各時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

圖2 南京全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布情況

從圖1可以看出，南京地區(qū)不同季節(jié)的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度相差較大：夏季輻射強(qiáng)度較大，7月和8月正午均高于900W／m2；冬季輻射強(qiáng)度較小，12月和1月正午略高于400W／m2。從圖2可以看出，全年中0～500W／m2的低輻射區(qū)間的總時(shí)長(zhǎng)為1 915h；輻射強(qiáng)度200～300W／m2區(qū)間（平均輻射強(qiáng)度為239W／m2）的小時(shí)數(shù)最多，達(dá)到420h；500～1000W／m2高輻射區(qū)間的全年總時(shí)長(zhǎng)僅為1 044h。

南京地區(qū)的太陽(yáng)能資源不是十分理想，全年的太陽(yáng)能輻射大多時(shí)間為中、低強(qiáng)度，具有高輻射強(qiáng)度的時(shí)間不長(zhǎng)。

2 設(shè)計(jì)方案

本文討論是在南京地區(qū)建設(shè)5MW的DSG系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。DSG由聚光集熱場(chǎng)和發(fā)電單元組成，因此方案設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)當(dāng)?shù)氐妮椛鋸?qiáng)度確定聚光集熱場(chǎng)中的太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能槽式的型式、參數(shù)和實(shí)現(xiàn)方式，包括計(jì)算為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行所需要的工質(zhì)給水流量。

2.1 太陽(yáng)能集熱器

目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的DSG系統(tǒng)大多采用Euro Trough系列聚光集熱器，本文利用的ET－100集熱器是Euro Trough系列的一種。ET－100集熱器主要參數(shù)如下：聚光器開(kāi)口寬度B為5.76m，單段管長(zhǎng)L為4m；吸收管外徑Dabo為0.07m，吸收管內(nèi)徑Dab為0.055m，玻璃罩管直徑Dg為0.115m；光學(xué)效率ηop為0.74，吸收管導(dǎo)熱系數(shù)λab為54W／（m·K）；玻璃罩管材料的導(dǎo)熱系數(shù)λg為0.2W／（m·K），發(fā)射率εg為0.9；吸收管采用含陶合金材料，發(fā)射率εab與管壁溫度Twall有關(guān)：

2.2 槽式集熱器的加熱方式

DSG直接利用槽式集熱器中的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功，進(jìn)入集熱器的工質(zhì)水可以采用一次通過(guò)方式、逐次注入方式或者再循環(huán)方式［1］。其中一次通過(guò)式?jīng)]有明確的預(yù)熱蒸發(fā)段和過(guò)熱段分界，因此當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，介質(zhì)狀態(tài)均發(fā)生較大變化。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)預(yù)熱段及蒸發(fā)段變長(zhǎng)，導(dǎo)致相界面后移過(guò)熱段縮短，嚴(yán)重影響過(guò)熱蒸汽的溫度和質(zhì)量，甚至出現(xiàn)濕蒸汽的狀態(tài)，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的運(yùn)行；當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，出口的過(guò)熱汽溫本來(lái)就會(huì)上升，預(yù)熱段及蒸發(fā)段縮短還會(huì)加劇過(guò)熱汽溫的上升，過(guò)高的蒸汽溫度將危害集熱器的正常運(yùn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)爆管等現(xiàn)象。

再循環(huán)方式的特點(diǎn)是過(guò)熱汽溫相對(duì)穩(wěn)定，保證了蒸汽的品質(zhì)，安全性和經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于一次通過(guò)式。采用再循環(huán)方式，從汽水分離器分離出的飽和水返回到集熱器進(jìn)口處，可以提高進(jìn)口水溫。在低輻射強(qiáng)度下，蒸發(fā)段出口的蒸汽少、干度低，因此過(guò)熱段的蒸汽流量較小，蒸汽溫度的下降不會(huì)很大；在高輻射強(qiáng)度下，蒸發(fā)段出口的蒸汽較多并且干度較高，因此過(guò)熱段的蒸汽流量較大，過(guò)熱汽溫也不會(huì)升高很多。采用再循環(huán)方式可以保持出口汽溫基本不變，出口汽焓基本恒定，而且效率最高。南京地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低，太陽(yáng)能槽式的給水適合采用再循環(huán)方式。

2.3 輻射強(qiáng)度與汽輪機(jī)選型

汽輪機(jī)的選型取決于當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射強(qiáng)度及其有效時(shí)數(shù)。由于輻射強(qiáng)低于100W／m2的太陽(yáng)能在集熱器產(chǎn)生蒸汽質(zhì)差量少無(wú)法利用，因此不計(jì)入方案的太陽(yáng)能計(jì)算中。

根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以把太陽(yáng)能輻射分成i個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)的輻射強(qiáng)度和時(shí)間不同。全年的有效平均輻射強(qiáng)度：

式中：Ibm為有效年平均輻射強(qiáng)度，W／m2；Ib，i為i區(qū)間的平均輻射強(qiáng)度，W／m2；hi為i區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)，h；H為各區(qū)輻射的總時(shí)長(zhǎng)，h，。

根據(jù)南京全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布（圖2）計(jì)算，結(jié)果表明南京全年平均輻射強(qiáng)度為471W／m2，全年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)2 539h。

表1 有效年平均輻射強(qiáng)度

輻射強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值低于實(shí)際值，設(shè)計(jì)的聚光集熱面積就會(huì)過(guò)大，系統(tǒng)可能發(fā)生過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。設(shè)計(jì)的額定值高于實(shí)際值，設(shè)計(jì)的聚光集熱面積較小，系統(tǒng)將長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，效率不高。南京地區(qū)的太陽(yáng)能槽式DSG系統(tǒng)方案，可以按計(jì)算結(jié)果輻射強(qiáng)度471W／m2設(shè)計(jì)。

方案選用N5 -3.43型號(hào)的5.0MW汽輪機(jī)，汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力3.43MPa，進(jìn)汽溫度435℃，進(jìn)汽流量24.7t／h；汽耗4.94kg／kWh，排汽壓力0.008 7MPa。因此方案的集熱器設(shè)計(jì)輸出蒸汽參數(shù)取3.43MPa／435℃。

2.4 設(shè)計(jì)給水流量

集熱器中的濕蒸汽流動(dòng)是一種流型較復(fù)雜的兩相流，在集熱器的吸收管中通常會(huì)出現(xiàn)分層流動(dòng)、波狀流動(dòng)和環(huán)狀流動(dòng)［2］，其中汽液的分層流動(dòng)可能引起傳熱不均，必須避免。

文獻(xiàn)［3］給出產(chǎn)生和維持環(huán)形流的最小質(zhì)量流密度mcaf與太陽(yáng)輻射及流體壓力的關(guān)系：

式中：mcaf為質(zhì)量流密度，kg／（m2·s）；p為流體壓力，kPa；q為熱流密度，kW／m2；ηop為光學(xué)效率；B為聚光器開(kāi)口寬度，m；B0為光斑寬度，取0.02m；qm為質(zhì)量流量，kg／s；Dsbi為金屬吸收管內(nèi)徑，m

可以看出，在一定工作壓力下，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越小、維持環(huán)狀流動(dòng)的最小流量越低；當(dāng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)，維持環(huán)形流動(dòng)的最小流量隨工作壓力增大。本文所選的汽輪機(jī)，集熱器內(nèi)的介質(zhì)工作壓力約為4MPa。因此，設(shè)計(jì)流量應(yīng)盡量保證在低輻射強(qiáng)度下仍能維持環(huán)狀流動(dòng)的最小流量0.317 6kg／s。設(shè)計(jì)流量時(shí)還需要考慮管道壓降，流量過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致給水泵耗功增加。

3 系統(tǒng)計(jì)算模型和設(shè)計(jì)

采用再循環(huán)方式，聚光集熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求包括確定給水流量、汽水分離器位置和集熱器個(gè)數(shù)。其中聚光集熱場(chǎng)的集熱器總數(shù)決定了聚光集熱場(chǎng)的總面積；汽水分離器的安裝位置取決于預(yù)熱蒸發(fā)段和過(guò)熱段的長(zhǎng)度比例，以及給水的流量。這三個(gè)因素決定了單排管束在額定的輻射強(qiáng)度下所產(chǎn)生的蒸汽量和蒸汽參數(shù)。圖3為單排集熱管束的示意圖。

圖3 單排管束示意圖

流量為qm的給水經(jīng)過(guò)預(yù)熱蒸發(fā)段后產(chǎn)生qmχ的蒸汽和流量的飽和水，經(jīng)過(guò)汽水分離器分離后，飽和蒸汽進(jìn)入過(guò)熱段產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽；過(guò)熱蒸汽經(jīng)汽機(jī)做功凝汽器冷凝后，通過(guò)凝泵升壓與飽和水匯合，由給水泵打入集熱器進(jìn)口處。因此集熱器進(jìn)口水所含能量，包括由流量為qm（1－χ）的飽和水的焓和流量為qmχ的飽和水焓，只有確定了濕蒸氣的干度χ，才能確定兩股流量。給水流量、汽水分離器位置和單排集熱器個(gè)數(shù)決定了聚光集熱場(chǎng)出口的蒸汽量和蒸汽參數(shù)，必須在汽輪機(jī)選定的基礎(chǔ)上合理配置這3個(gè)因素，才能使出口參數(shù)滿足汽機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)要求。

2）汽水分離器位置 汽水分離器的位置對(duì)集熱器的運(yùn)行影響很大，當(dāng)給水流量一定時(shí)，汽水分離器位置越靠后預(yù)熱蒸發(fā)段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，汽水分離器處的蒸汽干度就越高、蒸發(fā)量也越大，而且過(guò)熱段流量越大，因此為了保證過(guò)熱段出口蒸汽達(dá)到汽機(jī)進(jìn)口所需參數(shù)，過(guò)熱段長(zhǎng)度也應(yīng)該加長(zhǎng)。

3）集熱器個(gè)數(shù) 增加預(yù)熱蒸發(fā)段和過(guò)熱段集熱器個(gè)數(shù)，雖然也可以在單排管束集熱場(chǎng)中產(chǎn)生汽機(jī)所需的參數(shù)（24.7t／h，435℃和3.43MPa），但是單排管束過(guò)長(zhǎng)可能影響到系統(tǒng)的抗風(fēng)性和安全性，增加管排數(shù)可以縮短單排管束長(zhǎng)度。

根據(jù)已有的項(xiàng)目和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定單排集熱器個(gè)數(shù)為250個(gè)，即集熱器長(zhǎng)度1000m，針對(duì)不同給水流量樣本匹配汽水分離器位置獲得符合汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)。表2為不同給水流量樣本計(jì)算結(jié)果。其中，設(shè)計(jì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為471W／m2，汽水分離器壓降為2%，表中Nz代表汽水分離器前的集熱器個(gè)數(shù)，即預(yù)熱蒸發(fā)段集熱器個(gè)數(shù)。

表2 不同給水流量計(jì)算結(jié)果

由聚光集熱場(chǎng)出口與汽機(jī)進(jìn)口間有一定距離會(huì)產(chǎn)生壓力損失，因此設(shè)計(jì)時(shí)聚光集熱場(chǎng)產(chǎn)生的蒸汽壓力應(yīng)當(dāng)略高于汽機(jī)進(jìn)口參數(shù)。表2數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)給水流量為3.4kg／s時(shí)，蒸汽壓力略高于汽機(jī)進(jìn)汽參數(shù)，11排集熱管產(chǎn)生的蒸汽量實(shí)發(fā)總功率為5MW，符合項(xiàng)目要求。因此，設(shè)計(jì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為471W／m2，給水流量為3.4kg／s，進(jìn)口壓力為5.33MPa；單排集熱器250個(gè)，總長(zhǎng)1000m；汽水分離器位于第209段集熱器與210段集熱器之間，預(yù)熱蒸發(fā)段總長(zhǎng)836m，過(guò)熱段總長(zhǎng)164m，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下發(fā)電效率為16.75%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于南京地區(qū)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度變化規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。由于南京地區(qū)全年太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度差異較大，平均輻射強(qiáng)度較低，為了增加設(shè)備的發(fā)電能力，集熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)模偏大，高輻射季節(jié)或時(shí)段產(chǎn)生的蒸汽超過(guò)汽機(jī)的需要，導(dǎo)致蒸汽過(guò)剩，因此有必要采取儲(chǔ)能措施提高太陽(yáng)能熱利用效率。

［1］王軍，張耀明.DSG技術(shù)在槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電中的實(shí)踐［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，3：20－22.

［2］Eck M，W D Steinmann.Modelling and Design of Direct Solar Steam Generating Collector Fields［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2005，127（8）：371－380.

［3］Goebel O.Modelling of two－phase stratified an annular flow in heated horizontal tubes［C］／／Proc of Int Engineering Foundation 3rdConf Irsee，Germany，1997.