王楚航,徐 博,周 翀,鄒 楊,余笑寒
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基于Modelica語言的塔式太陽能光熱電站的熔鹽回路建模與仿真
王楚航1,2,徐 博1,周 翀1,鄒 楊1,余笑寒1
(1中國科學院上海應用物理研究所,上海 201800;2中國科學院大學,北京 100049)
CSP(concentrated solar power)系統(tǒng)通過聚焦太陽光進行光熱發(fā)電,主要工作介質(zhì)包括導熱油及熔鹽。由于太陽能的不連續(xù)性,為了提供更穩(wěn)定的能量輸出,發(fā)展出了采用熔鹽為儲熱工質(zhì)進行蓄熱的系統(tǒng),該系統(tǒng)同時也提供了與其它能源系統(tǒng)耦合的可行性。該系統(tǒng)的熔鹽回路主要由3個部分構成,分別為集熱器、高低溫儲熱罐和蒸汽發(fā)生器。通過對50 MW塔式太陽能的熱發(fā)電系統(tǒng)熔鹽回路的各個組件的模型進行建立,設計一套與之相應的控制系統(tǒng),并針對不同工況下,各個組件及整個系統(tǒng)的響應進行了模擬,得出熔鹽回路的瞬態(tài)響應特性。由于其熔鹽回路與熔鹽反應堆具有一定的相似性,本研究也可為熔鹽反應堆核能綜合利用中儲能系統(tǒng)提供參考。
熔鹽回路;儲熱;瞬態(tài)分析;PID控制
CSP系統(tǒng),即concentrated solar power system,聚焦太陽能系統(tǒng),是一種通過利用反射鏡或聚焦鏡大面積聚焦太陽光產(chǎn)生高溫,再用導熱油或熔融鹽等導熱介質(zhì)將產(chǎn)生的熱量帶走,并連接蒸汽發(fā)生器與汽輪機,從而進行發(fā)電的系統(tǒng),又稱為光熱發(fā)電[1]。
該系統(tǒng)主要由5個部分構成,分別為聚光系統(tǒng)、集熱系統(tǒng)、熱量傳輸和儲存系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。太陽光的光能主要在聚光集熱部分損失,因此這兩者在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的效率。熱量傳輸和儲存系統(tǒng)則主要包括傳熱管道與兩個儲熱罐,通過儲熱罐來儲存高峰期的熱能,從而延長系統(tǒng)整體的工作時間,提高能量利用率。后續(xù)的發(fā)電系統(tǒng)則與常規(guī)的熱電站沒有不同,都是通過熱交換器產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機進行發(fā)電[2]。目前已有許多帶有儲熱系統(tǒng)的光熱電站,如由美國能源部建設的Solar Two已經(jīng)成功商業(yè)運行[3]。國際上正在進行的太陽能光熱發(fā)電項目包括:美國內(nèi)華達州的50 MW槽式太陽能發(fā)電、西班牙10 MW塔式發(fā)電和50 MW槽式發(fā)電,以色列在2010年于Negev沙漠建立的額定功率為100 MW的光熱電站,并計劃將總裝機容量逐步擴展至500 MW。國內(nèi)目前還有三花-阿拉善和益科博-三亞兩個采用碟式聚光系統(tǒng)的太陽能光熱電站項目正在進行中[4]。
出于經(jīng)濟性和技術門檻考慮,目前光熱電站采用的工作介質(zhì)主要是導熱油,聚光方式也以槽式為主,采用導熱油為工質(zhì)的電站很少有儲能系統(tǒng),帶有儲熱系統(tǒng)的電站基本都選擇采用熔鹽同時作為導熱介質(zhì)和儲熱介質(zhì)。采用熔鹽為傳熱介質(zhì)的帶有儲熱系統(tǒng)的太陽能光熱電站是目前的主要發(fā)展方向,對其進行相關研究十分必要。
通過使用熔鹽作為傳熱流體,可以在保證更高的工作溫度的同時降低系統(tǒng)壓力,從而具有更高的工作效率和安全性。但由于熔鹽熔點較高,輸入功率下降時可能會導致溫度降低至熔點以下從而發(fā)生凝固事故,因此必須保證其熔鹽回路的熱惰性并提供熱保護,所以需要配備預熱防凝系統(tǒng)及儲熱系統(tǒng)。儲熱系統(tǒng)可以在功率高峰期將多余的能量以熱能形式儲存起來,使得系統(tǒng)在功率低谷期仍可以輸出能量并提供一個熱阱保證一段時間內(nèi)熔鹽不會凝固,而預熱防凝系統(tǒng)則作為啟動和低溫狀態(tài)下的熔鹽熱源。為了驗證這種系統(tǒng)的可靠性,需要對帶儲熱功能的熔鹽回路進行瞬態(tài)模擬分析。
Modelica語言是一種面向對象的建模語言,它具有方程非因果性、模型可復用性等特點,并且可以直接使用數(shù)學方程(線性/非線性、常微分/偏微分)表達模型并求解,無需自行設計其解法,但也可以在必要時手動編寫算法及離散格式以滿足不同需求,在多領域物理過程系統(tǒng)的建模中有廣泛應用。最常用的Modelica語言軟件為Dymola,它包含了機械、熱工、水力等物理領域的標準庫,十分適用于熔鹽回路的瞬態(tài)特性研究[5]。
本文的主要研究內(nèi)容為塔式太陽能電站熔鹽回路的仿真模擬分析,通過使用Modelica語言對現(xiàn)有的塔式光熱電站的熔鹽回路各部分進行建模,分析不同工況下系統(tǒng)各組件的響應,并編寫PID控制程序對儲熱系統(tǒng)進行控制,最終得出其系統(tǒng)的瞬態(tài)響應特性,從而為運用熔鹽進行儲熱的系統(tǒng)在實際工程上的運行方案提供理論基礎。
塔式CSP系統(tǒng)的整體結構如圖1所示[3]。本文主要的研究對象為系統(tǒng)的熔鹽回路,包括吸熱器、高溫與低溫儲熱罐和蒸汽發(fā)生器。系統(tǒng)采用的傳熱與儲熱工質(zhì)均為solar salt(質(zhì)量比例60%硝酸鈉,40%硝酸鉀)。由于整個系統(tǒng)運行中熔鹽均處于常壓狀態(tài),且熔鹽的流速很慢,約為1 m/s量級,雷諾數(shù)為10^1量級,因此可認為整個系統(tǒng)中熔鹽均為層流,且流動及換熱均達到充分發(fā)展條件。
圖1 塔式CSP系統(tǒng)的整體結構圖
由于聚光鏡場部分受當?shù)貧夂?、環(huán)境等因素影響較大,而發(fā)電系統(tǒng)的效率則基本只受蒸汽出口溫度、壓力和透平循環(huán)的影響,因此本文主要針對熔鹽回路部分進行模擬,以排除其它因素的影響。
吸熱器參數(shù)如表1所示[5],其流道板采用交錯式排布。
表1 吸熱器基本參數(shù)
由于吸熱器工作時整體溫度較高,且相對于太陽入射強度的空間變化范圍,其體積很?。欢埯}在工作溫度范圍內(nèi)基本為液體,因此做出如下假設:①吸熱器上各表面接收到的太陽入射能流密度相同(由于整體管道足夠長,質(zhì)量流量不大,因此在吸熱管道內(nèi)的時間可以讓熔鹽充分吸熱,對于后續(xù)系統(tǒng)的主要影響來自于吸熱器的輸出溫度,管道內(nèi)的溫度分布對整體系統(tǒng)的影響不大);②吸熱過程中管道表面及管道內(nèi)熔鹽各處均達到熱力學平衡;③熔鹽及空氣均不可壓縮(管道內(nèi)熔鹽運行時為常壓狀態(tài),管道外空氣與大氣相通,其密度變化很?。?;④不考慮熔鹽沿徑向的溫度變化(即一維等效,因為相比于單根管道的直徑很小)。
太陽的總體入射功率為:
吸收功率:
熱損失功率:
對于內(nèi)部的流體:
熔鹽儲熱罐的主要參數(shù)如表2所示。儲熱系統(tǒng)的工作模式主要包括如下幾種。①蓄熱:僅低溫熔鹽泵組運行,將吸熱器產(chǎn)生的熱量送往高溫熔鹽罐;②蓄熱+放熱+發(fā)電:低溫熔鹽泵組和高溫熔鹽泵組同時運行,高溫熔鹽從高溫儲熱罐進入蒸汽發(fā)生器進行熱交換;③放熱+發(fā)電:僅高溫熔鹽泵組運行;④預熱/防凝:伴熱系統(tǒng)運行,啟動前對熔鹽預熱,或輸入功率長時間保持低水平,伴熱系統(tǒng)加熱熔鹽防止凝固。
表2 儲熱罐基本參數(shù)
儲熱系統(tǒng)采用雙罐模型,以熔鹽顯熱進行儲熱。冷罐與熱罐分別獨立運行,因此系統(tǒng)中存在兩個儲熱罐,它們的各項參數(shù)不同,實際運行中兩者的輸入與輸出也不同,但它們的物理模型一樣,因此可以采用同一個物理模型進行描述。
考慮到實際應用的需要,我們對儲熱罐模型做出如下假設:①不考慮管道的進出口效應(熔鹽流速很慢,且罐體很大,局部流動狀態(tài)對整體影響較小);②不考慮熔鹽沿徑向的溫度變化(一維等效);③熔鹽為不可壓縮流體。
對于某一長度微元,其能量變化包含溫度變化、與環(huán)境換熱和與相鄰微元的換熱可對其列能量守恒方程見式(6)。
則其蓄熱功率可以表示為:
蓄熱功率對時間求積分即可得到儲熱罐內(nèi)儲存的總熱能[8]。
熱交換器采用U型管式逆流管殼換熱器,其參數(shù)如表3所示,針對熱交換器,做出如下假設:①換熱管壁上的熱流均勻分布;②流體的換熱只在徑向進行。
表3 熱交換器基本參數(shù)
一次側及二次側的質(zhì)量和能量方程分別如下。
(10)
總換熱量:
平均對數(shù)溫差:
總換熱系數(shù):
m為金屬熱阻:
m為金屬的導熱系數(shù)[9]。
一次側換熱系數(shù)為:
式中,和上標由雷諾數(shù)確定。
二次側換熱系數(shù)由Dittus-Boelter關系式確定[10]:
本系統(tǒng)的控制部分采用PID控制系統(tǒng),它由比例單元P、積分單元I和微分單元D構成。受控參數(shù)與目標參數(shù)的差為(),則其輸出()為:
式中,為比例系數(shù);T為積分時間常數(shù);T為微分時間常數(shù)。
通過控制高溫及低溫熔鹽泵,從而調(diào)節(jié)其流量,根據(jù)輸入?yún)?shù)的不同,基于功率控制和溫度控制分別編寫了一套控制程序。
針對吸熱器的瞬態(tài)模擬包括以下兩個工況:系統(tǒng)恒功率啟動和輸入功率階躍下降。
恒功率啟動工況為從=0時刻起以入射能流密度恒定為628 kW/m2的參數(shù)啟動系統(tǒng)。
選擇出入口及每經(jīng)過兩個吸熱板處的金屬管道表面與管內(nèi)流體為對象,恒功率啟動時吸熱器金屬管道表面及管內(nèi)熔鹽在各點的溫度隨時間的變化如圖2及圖3所示,由于金屬的導熱能力遠遠強于熔鹽的導熱能力,因此初始時金屬升溫最快,此后逐漸變慢;而熔鹽的升溫則是先變快后變慢,這是因為初始時金屬與熔鹽的溫差不大,隨著金屬的升溫,兩者的溫差逐漸變大,之后由于金屬升溫變慢,熔鹽的升溫也隨之變慢,但兩者均能在30 s的時間內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。此時,等距離的各點的溫差也基本相同,金屬管道表面各點的溫差為40.1 ℃,熔鹽內(nèi)各點溫差為43.4 ℃。
圖2 恒功率啟動時吸熱器金屬管道表面各點溫度變化
圖3 恒功率啟動時吸熱器管內(nèi)各點熔鹽溫度變化
達到穩(wěn)態(tài)后各點處金屬管外壁和流體熔鹽的溫差如圖3隨位置逐漸減小,由入口處的356 K降低至出口處的340 K,造成這種現(xiàn)象的原因是由于金屬管外壁還存在與大氣的熱交換,溫度上升后熱損失也隨之升高,因此溫差變小。
輸入功率階躍下降的工況為:從=0時刻起以入射能流密度恒定為628 kW/m2的參數(shù)啟動系統(tǒng),從=100 s時刻起,輸入能流密度降為20%,模擬受云層等天氣影響帶來的輸入功率變化。
輸入功率階躍下降時吸熱器管內(nèi)熔鹽在各點的溫度隨時間的變化如圖4所示,輸入階躍降低時,吸熱器的響應也十分迅速,但由于吸熱器自身與空氣之間也存在換熱,受其影響溫度的下降過程比升溫過程更快,只需要24 s即可以達到穩(wěn)態(tài)。
圖4 輸入功率階躍下降時吸熱器內(nèi)各點熔鹽溫度變化
儲熱罐的模擬包含以下兩個工況:無輸入時熱罐漏熱,驗證儲熱罐保溫性能;輸入功率階躍下降,分析儲熱罐在受天氣影響時對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
儲熱罐的保溫層采用40 cm厚的無石棉硅酸鈣,在無輸入功率情況下,12 h內(nèi)整體平均溫度降低23 ℃,降溫速率滿足安全要求,且實際工程中存在伴熱系統(tǒng),不會導致熔鹽溫度過低而發(fā)生凝固事故。
輸入功率階躍下降的工況為:從=0時刻起,輸入溫度穩(wěn)定為565 ℃,時間=3600 s時,輸入溫度階躍減小為250 ℃,時間=4200 s時,輸入溫度回升至565 ℃,模擬受云層等天氣影響帶來的輸入功率變化。
首先對儲熱罐模型進行了恒功率模擬。由于初始時罐內(nèi)溫度較低,因此需要648 s時間入口溫度才能達到穩(wěn)定狀態(tài),每隔20%罐體高度,達到穩(wěn)定溫度需要的平均時間增加5100 s,這是因為熔鹽的流動與傳熱需要一定時間,且離出口越遠的地方,其升溫過程中的升溫速率也越慢,這是因為相對于入口處,這些地方溫差越來越小的緣故。
圖5則表示了輸入功率階躍變化時熔鹽罐不同高度處的溫度變化曲線。在不同高度處,其溫度變化的幅度不同,溫度變化達到最大值所需要的時間也不同。每隔20%罐體高度,達到最大溫差值所需要的時間差為3811 s,相比達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間少,這是因為輸入功率在600 s的時間內(nèi)減小,而此時距離入口較遠的流體尚未達到最高溫度,因此傳熱所需要的時間也減少了。輸入功率恒定與輸入階躍減小時,罐內(nèi)各處溫差的最大值可以在一定程度上表示輸入功率對該處溫度的影響程度,兩者的關系可進行指數(shù)擬合,其擬合關系為:
圖5 輸入功率階躍減小時儲熱罐內(nèi)不同高度處各點熔鹽溫度變化
熱交換器的模擬包含兩個工況:系統(tǒng)恒功率啟動和輸入溫度波動。
對系統(tǒng)恒功率啟動時1 h內(nèi)蒸汽出口溫度隨時間的變化情況進行了模擬。由于熱交換器中有足夠的換熱面積,因此系統(tǒng)剛啟動時,蒸汽出口溫度就達到了較高的527 ℃,但此后出口溫度仍在上升,溫度上升速度逐漸變慢,又經(jīng)過了1500 s的時間,才達到最終的穩(wěn)定輸出溫度533 ℃。這是因為剛啟動時水蒸汽整體的輸出溫度較低,水蒸汽內(nèi)部相互之間也存在傳熱的關系,此外,與熔鹽的換熱也需要一定的時間才能達到穩(wěn)定。
由于實際情況中輸入功率總是會變化,但因為控制系統(tǒng)的存在,熱交換器的輸入溫度不會出現(xiàn)大的變化,但由于PID控制系統(tǒng)的特性,熱交換器的實際輸入溫度會存在一個小的波動。本工作以一個正弦波動來模擬其變化。
圖6為該工況下的熔鹽輸入溫度和蒸汽出口溫度的變化曲線,從圖中可以看出,兩者的變化幾乎是同時的,這說明熱交換器的換熱面積足夠大,兩側的換熱已經(jīng)達到充分發(fā)展條件。
圖6 輸入波動時熔鹽入口及蒸氣出口溫度變化
本文基于PID控制的思想,針對不同的控制參數(shù),分別編寫了溫度控制和功率控制兩種控制程序。
實際中一天內(nèi)的太陽輻射強度可以近似用一個拋物線來表示,用來模擬一天10 h內(nèi)系統(tǒng)輸入功率隨時間的變化,并在此輸入條件下,模擬儲熱罐的響應特性。
圖7為基于溫度控制下儲熱罐內(nèi)總儲熱量和儲熱功率的變化。從圖中可以看出,=18000 s時,控制系統(tǒng)檢測到輸入溫度開始下降,為了保證儲熱罐中儲存的是高溫熔鹽,保證儲熱效率,此時儲熱罐不再有進口熔鹽,從而功率變?yōu)?。由于儲熱罐尚未裝滿熔鹽時輸入溫度就開始下降,因此無法達到理論設計的最大儲熱量,儲熱罐中儲存的能量可保證系統(tǒng)以額定功率運行5.5 h。
圖7 基于溫度控制下儲熱罐內(nèi)總儲熱量及儲熱功率變化
圖8為基于功率控制下儲熱罐內(nèi)總儲熱量和儲熱功率的變化。相比于溫度控制系統(tǒng)的情況下,可以看出儲能階段前期幾乎沒有不同,這是因為吸熱器的輸出溫度穩(wěn)定,只有流量變化,控制系統(tǒng)的作用基本相同。但基于功率控制的儲熱系統(tǒng)相比之下多運行了8000 s,這是因為在=19800 s時儲熱罐裝滿熔鹽,開始向外輸出熔鹽,因此儲能功率存在一個階躍下降,此后由于輸入溫度的降低導致儲熱功率也隨之不斷降低,但只要儲熱功率大于0,儲熱罐就能夠繼續(xù)儲熱以保證達到最大的儲熱量。這種情況下,儲熱罐中儲存的能量可保證系統(tǒng)以額定功率運行6.7 h,未能達到最大儲熱時間是因為此時初始的輸入溫度較低,無法保證罐內(nèi)儲存的熔鹽溫度。
圖8 基于功率控制下儲熱罐內(nèi)總儲熱量及儲熱功率變化
使用面向對象的編程語言Modelica及相應軟件Dymola,以50 MW塔式太陽能光熱電站的熔鹽回路為研究對象,建立了其物理模型,通過輸入?yún)?shù)的變化模擬現(xiàn)實中可能出現(xiàn)的不同工況,根據(jù)各組件響應的仿真結果,得出其瞬態(tài)特性。并針對該儲熱系統(tǒng)設計了兩套控制模型,結果表明。
(1)吸熱器是整個熔鹽回路中響應最快的組件,最快只需要30 s時間即可在啟動工況下達到穩(wěn)定,降溫工況則只需要20 s。
(2)儲熱罐具有很強的熱穩(wěn)定性,輸入功率的變化需要6 h才能反映在輸出溫度上,且變化幅度只相當于輸入的4.7%,這主要是因為儲熱罐容量很大,而熔鹽的質(zhì)量流速相對又很小,因此其響應很慢,而較長的流動時間令熔鹽內(nèi)部有充足的時間進行換熱,因此出口溫度的變化幅度也很小,對后續(xù)的熱交換器可以起到保護作用。
(3)在熱交換器的換熱面積足夠大的情況下,二次側輸出參數(shù)的響應幾乎是即時的。
最后基于該系統(tǒng)編寫了相應的兩套控制程序?;跍囟瓤刂频南到y(tǒng)邏輯更簡單,但會導致總儲熱量比沒有控制系統(tǒng)時減小,失去輸入功率后,系統(tǒng)只能以額定功率運行5.5 h,相比之下減少了0.8 h;而基于功率控制的系統(tǒng)在本工作中的工況下可以儲存的能量足以使系統(tǒng)額定功率運行6.7 h,但實際工程中對功率的檢測更困難,并且該控制系統(tǒng)只要功率大于零就會進行儲能,如果輸入溫度較低,則會導致儲熱罐中混入能量品質(zhì)較低的熔鹽,反而降低其效率。
由于儲熱罐的存在,令整個熔鹽回路系統(tǒng)具有很大的熱惰性,雖然吸熱器和熱交換器自身的瞬態(tài)響應非常迅速,但由于儲熱罐中可以儲存大量的熔鹽,因此可以對熱交換器起到保護作用,保證后續(xù)系統(tǒng)能以額定參數(shù)運行,相比于沒有儲熱系統(tǒng)的熔鹽回路,該回路具有更高的穩(wěn)定性和安全性。
目前運行的光熱發(fā)電站的工質(zhì)多數(shù)為導熱油或水,且傳熱介質(zhì)與儲熱介質(zhì)相互獨立,本工作采用的熔鹽同時作為傳熱工質(zhì)與儲熱工質(zhì)的項目尚在少數(shù)。且大多數(shù)同類系統(tǒng)采用分布式處理控制,對每個組件進行并行獨立控制,而本工作則采用PID控制系統(tǒng),通過整個系統(tǒng)多處參數(shù)的輸入對系統(tǒng)進行整體控制,控制系統(tǒng)更復雜,但卻能更好的應對工況轉換等情況。
本研究基于一個額定功率為50 MW,熱源為光-熱轉換吸熱器的熔鹽回路分析了其各部件及整體的瞬態(tài)響應特性,證明了由于儲熱罐的存在給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了明顯提升。其它具有儲熱功能的能源系統(tǒng),雖然其熱源、傳熱介質(zhì)不盡相同,但采用雙罐儲熱的系統(tǒng)在結構上都具有相似性,因此本文的研究結果可為采用熔鹽儲熱系統(tǒng)的其它能源系統(tǒng),如熔鹽堆系統(tǒng)[11],以及多能源系統(tǒng)耦合、能量的綜合利用等相關研究提供一定的參考和借鑒,同時,本工作采用的建模相關的研究方法和工具也可適用于上述系統(tǒng),通過Modelica語言面向對象的特性,可以將本工作中的熔鹽回路用于其它儲能相關系統(tǒng)的模擬。
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Modelling and simulation of a molten salt loop of a solar tower power plant in a Modelica environment
WANG Chuhang1,2, XU Bo1, ZHOU Chong1, ZOU Yang1, YU Xiaohan1
(1Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Concentrated solar power systems provide a high temperature heat source by concentrating solar radiation for electricity generation. To ensure a stable output, plants with molten salt-based energy storage system have been developed. This study aims to understand the dynamic response of the molten salt loop of a 50MW power plant by modelling and simulation. Such a loop includes a receiver, a hot and a cold storage tanks and a steam generator (heat exchanger). The work was done with the Modelica programming language and Dymola under different working conditions. The simulation results showed that the receiver could reach steady state in 30 s. However, it took ~5.5 hours for the storage tank to reach the steady state. The response of the heat exchanger was found to also be very quick with a steady-state reached within ~ 1500 s to reach a completely steady state.
molten salt loop; thermal energy storage; dynamic simulation; PID control
10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0066
TK 51
A
2095-4239(2018)04-0674-08
2018-04-20;
2018-06-07。
中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA0201002)、中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDY-SSW-JSC016)。
王楚航(1992—),男,碩士研究生,研究領域為熔鹽儲能及回路瞬態(tài)分析,E-mail:348068114@qq.com;
鄒楊,E-mail:zouyang@sinap.ac.cn。