外露管式熔鹽吸熱器動(dòng)靜態(tài)特性研究

徐玫，彭懷午，牛東圣，王曉，肖斌，周治，段楊龍，張俊峰

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710000）

引 言

熔鹽儲(chǔ)能型塔式光熱發(fā)電技術(shù)以其效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為新建光熱電站的主流技術(shù)[1-4]。熔鹽吸熱器是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著將太陽(yáng)能輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)槿埯}熱能的任務(wù)，其工作條件十分惡劣：一方面，其表面實(shí)時(shí)接收著不斷變化的太陽(yáng)輻射，聚光場(chǎng)的工作特點(diǎn)使得吸熱器表面的能流密度極不均勻[5-8]，使得吸熱器表面溫度分布也極不均勻，造成管材的熱疲勞；另一方面，集熱管內(nèi)流動(dòng)的熔鹽通常凝固點(diǎn)較高，一旦凍結(jié)將堵塞管道，造成輻射熱無(wú)法被帶走，凍結(jié)部位溫度可能短時(shí)間內(nèi)超過(guò)管材所能承受的限度，造成爆管。因此，熔鹽吸熱器工作的安全可靠性一直備受關(guān)注[9-10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)吸熱器的特性也展開(kāi)了多方面的研究[11-18]。文獻(xiàn)[19]開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的腔式熔鹽接收器的熱性能模型,并研究了兩種控制策略（固定吸熱器流速和固定吸熱器出口溫度）用于兩種非設(shè)計(jì)操作模式（儲(chǔ)能和無(wú)儲(chǔ)能）的運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[20-22]針對(duì)八達(dá)嶺1 MW 太陽(yáng)能熱發(fā)電腔式吸熱器，利用STAR90 仿真平臺(tái)，建立了過(guò)熱型腔式吸熱器的動(dòng)態(tài)仿真模型，模擬了八達(dá)嶺l MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站過(guò)熱型腔式吸熱器的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[23]對(duì)熔融鹽腔式吸熱器在多云氣象條件下的熱性能進(jìn)行了研究，并研究了頻繁云遮期間鹽罐中熔融鹽體積與儲(chǔ)熱流體平均溫度的關(guān)系。文獻(xiàn)[24]對(duì)塔式太陽(yáng)能熱電站熔鹽吸熱器進(jìn)行傳熱特性和散熱損失的研究，并基于熔鹽吸熱器材料熱應(yīng)力提出了熔鹽吸熱器的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[25]模擬了由20 根管構(gòu)成的外露管式吸熱器的結(jié)構(gòu)和單根集熱管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱，研究了不同的熱流分布或者入口工況參數(shù)等對(duì)這種結(jié)構(gòu)熱效率的影響。但對(duì)太陽(yáng)能輻射變化對(duì)吸熱器受光面的整體影響卻鮮有研究，因此，本文根據(jù)某50 MW 熔鹽儲(chǔ)能型塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目所用外露管式熔鹽吸熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了全工況仿真數(shù)學(xué)模型，模擬了該吸熱器的動(dòng)靜態(tài)特性，并分析其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的特點(diǎn)。

1 外露管式熔鹽吸熱器

1.1 外露管式熔鹽吸熱器結(jié)構(gòu)

典型的外露管式熔鹽吸熱器總體呈多棱柱，工藝流程如圖1 所示，包括入口緩沖罐、出口緩沖罐、壓縮空氣罐、空氣壓縮機(jī)、管屏、相關(guān)閥門、管道等。冷罐中的冷鹽通過(guò)冷鹽泵輸送到吸熱塔頂，進(jìn)入入口緩沖罐，空氣壓縮機(jī)將空氣壓力提高，通過(guò)壓縮空氣罐進(jìn)入入口緩沖罐，將入口緩沖罐中的熔鹽壓入吸熱器管屏。熔鹽自正北方流入，采用交叉流路徑，分別通過(guò)管屏W1→W2→W3→W4→E5→E6→E7→E8 和E1→E2→E3→E4→W5→W6→W7→W8，接收太陽(yáng)輻照的加熱，溫度逐漸升高，最后從南側(cè)流出，進(jìn)入出口緩沖罐，再通過(guò)下鹽管進(jìn)入熱罐。

圖1 典型熔鹽吸熱器工藝流程Fig.1 Schematic of typical molten salt receiver process flow

吸熱器管屏由多根吸熱管組成，如圖2所示，同一片管屏中的熔鹽在吸熱管屏中并聯(lián)流動(dòng)，吸熱器圓管一般采用無(wú)縫不銹鋼管，吸熱管之間無(wú)間距緊密排列，只有向外的半個(gè)表面接受來(lái)自定日鏡場(chǎng)的太陽(yáng)輻射，屬于徑向非均勻受熱。與此同時(shí)，多面定日鏡反射光在長(zhǎng)度方向上疊加導(dǎo)致在軸向上也為非均勻受熱。

圖2 典型外露管式熔鹽吸熱器管屏結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical panel structure of external tubular molten salt receiver

1.2 熔鹽吸熱器數(shù)學(xué)模型

模擬外露管式熔鹽吸熱器在實(shí)際工作過(guò)程中的特性，受光面吸熱管的建模是關(guān)鍵。為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

（1）吸熱器周向上，由于管與管之間緊密排列，吸熱管完全相同，吸熱管間的導(dǎo)熱和輻射換熱忽略不計(jì)；

（2）吸熱管軸向上，由于管內(nèi)工質(zhì)的對(duì)流換熱比導(dǎo)熱大得多，軸向?qū)岷雎圆挥?jì)。

1.2.1 管外能量平衡方程 由于吸熱管接收到的能量是不均勻的，對(duì)其依次沿軸向進(jìn)行空間離散化，假設(shè)每段吸熱管微元接收到的能量分布均勻，取長(zhǎng)度為Δx的一段吸熱管為研究對(duì)象，該微元管段受到多種傳熱過(guò)程影響，如圖3所示。

對(duì)于每一個(gè)微元管段，總的靜態(tài)能量平衡為

（1）入射輻射項(xiàng)微元管段上的入射熱流量為

圖3 單吸熱管微元模型Fig.3 Micro-element model of a single receiver tube

式中，Dtube為吸熱管直徑，m；Pfield為能流密布分布函數(shù)，W/m2。

（2）反射項(xiàng)

式中，R為吸熱管涂層反射率。

（3）輻射換熱項(xiàng)吸熱塔高度較高，周圍較為空曠，因此，僅考慮吸熱器表面對(duì)環(huán)境和天空的輻射散熱[26]。

本文利用Duffie-Bechman公式[27]計(jì)算天空溫度

式中，Tdew為露點(diǎn)溫度，K；t為以0:00為第0小時(shí)的當(dāng)前小時(shí)數(shù)，h。

（4）對(duì)流換熱項(xiàng)

式中，hm為混合對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，由自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)組成。

強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)為

式中，hfor為強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Nufor為強(qiáng)制對(duì)流換熱Nusselt 數(shù)，反映對(duì)流換熱的強(qiáng)烈程度；kfilm為空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)；Dtube為吸熱管外徑，m。

自然對(duì)流傳熱系數(shù)為

式中，hnat為自然對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Nunat為自然對(duì)流換熱Nusselt 數(shù)；kfilm為空氣熱導(dǎo)率，W/(m?K)；Hx,tube為微元吸熱管高度，m。

式中，Grnat為Grashof數(shù)；β為體脹系數(shù)，k-1；νamb為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；g為重力加速度，m/s2。

1.2.2 管內(nèi)換熱方程 圖4 為管壁換熱模型，吸熱管微元管段管外壁與管內(nèi)壁之間的傳熱方式為導(dǎo)熱，管內(nèi)壁與傳熱工質(zhì)之間的傳熱方式為對(duì)流，該換熱過(guò)程遵循以下關(guān)系式。

圖4 管壁換熱模型Fig.4 Tube wall heat transfer model

式中，qin,x為流體與管壁間的熱流量，W；Rcond、Rconv分別為管內(nèi)壁與傳熱工質(zhì)之間的導(dǎo)熱熱阻、對(duì)流熱阻，K/W；Ts,x為管外壁溫度，K；THFT,ave,x為工質(zhì)平均溫度，K；Dtube為單吸熱管外徑，m；Dinner為單吸熱管內(nèi)徑，m；ktube為管壁熱導(dǎo)率，W/(m·K)；hinner為管內(nèi)流體與管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2?K)。

1.2.3 模型驗(yàn)證 為驗(yàn)證所建模型的正確性，利用Solar Two 電站最終測(cè)試文檔中接收器效率的測(cè)試結(jié)果[28]進(jìn)行了驗(yàn)證，將表1 中接收器的熔鹽入口溫度和熔鹽流速作為模型的輸入，進(jìn)行仿真，將得到的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行偏差對(duì)比，如表2所示。

表1 Solar Two吸熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure characteristics of Solar Two receiver

可以看到，本文所建立的外露式熔鹽吸熱器的出口鹽溫和效率計(jì)算值與實(shí)際電站的測(cè)試值偏差很小，所建模型較為準(zhǔn)確。

2 熔鹽吸熱器仿真實(shí)驗(yàn)

以某50 MW 塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目吸熱器為例進(jìn)行吸熱器性能的仿真實(shí)驗(yàn)。圖5為吸熱器額定工況下的表面能量分布，圖6～圖8 為在該能流密度投射下利用1.2節(jié)所述模型計(jì)算得到的結(jié)果。

表2 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparisons between simulation results and test results

圖5 額定工況吸熱器能流密度分布/(kW/m2)Fig.5 Flux density distribution on receiver in rated condition

圖6 額定工況吸熱器表面溫度分布/℃Fig.6 Surface temperature distribution of receiver in ratedcondition

圖7 額定工況吸熱管溫度梯度分布/(℃/m)Fig.7 Temperature gradient distribution of receiver tube in rated condition

圖8 額定工況吸熱器表面散熱功率密度/(MW/m2)Fig.8 Heat dissipation power density distribution of receiver in rated condition

當(dāng)吸熱器在額定流量下工作，出口熔鹽溫度達(dá)到額定值時(shí)，其表面能流密度最大值900 kW/m2，平均值532 kW/m2，分布如圖5 所示；其表面溫度最大值為611.8℃，平均值505.2℃，如圖6所示。

吸熱器管屏單根吸熱管上的軸向溫度梯度分布從整個(gè)管屏上看呈現(xiàn)出北高南低的趨勢(shì)，從單吸熱管上看呈現(xiàn)兩邊高中間低的趨勢(shì)，如圖7 所示。溫度梯度和管材的應(yīng)力密切相關(guān)，可以看到最北邊的兩片管屏，即熔鹽入口處吸熱管的溫度梯度最大，是軸向應(yīng)力最大的位置，在設(shè)計(jì)制造中應(yīng)予以考慮。

外露管式吸熱器由于換熱表面直接與大氣接觸，散熱較大[29-30]，吸熱器表面散熱功率密度如圖8所示，其中，輻射散熱總功率為10.47 MW，對(duì)流散熱總功率為4.81 MW，以輻射散熱為主，吸熱器效率為0.89。

2.1 吸熱器靜態(tài)變化特性

為探索吸熱器各項(xiàng)特性隨輻照的變化規(guī)律，對(duì)吸熱器主要特性參數(shù)隨太陽(yáng)法向直射輻照度、風(fēng)速、流量的變化進(jìn)行了仿真，由于吸熱器在較低的太陽(yáng)法向直射輻照度下不能正常工作，故只針對(duì)300 W/m2以上的太陽(yáng)法向直射輻照度進(jìn)行了仿真。

由圖9可以看到，除效率外，其余各項(xiàng)隨太陽(yáng)法向直射輻照度的增大基本呈線性變化，在太陽(yáng)法向直射輻照度達(dá)到900 W/m2以上時(shí)，吸熱器效率的增大就不明顯了。

由圖10 可以看到，風(fēng)速主要影響對(duì)流散熱功率，它通過(guò)影響Reynolds 數(shù)影響管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)，當(dāng)風(fēng)速增大到8 m/s 以上時(shí)，對(duì)流散熱開(kāi)始超過(guò)輻射散熱占據(jù)了主導(dǎo)地位。

吸熱器的熔鹽流量一般情況下隨吸熱器表面投射能量的增減而進(jìn)行調(diào)整，以維持吸熱器出口鹽溫在設(shè)計(jì)值附近，為探討吸熱器特性受流量變化的影響，不考慮吸熱器表面溫度和出口熔鹽溫度限制，仿真分析了吸熱器特性參數(shù)隨熔鹽流量的變化規(guī)律，如圖11 所示?？梢钥吹?，隨著熔鹽流量的增大，吸熱器出口熔鹽溫度、表面最高溫度降低、效率升高，但變化速率都逐漸減小，相比于輻射散熱，對(duì)流散熱受流量變化的影響不太明顯。

圖9 吸熱器特性隨太陽(yáng)法向直射輻照度變化Fig.9 Parameter variations of receiver performance with direct normal irradiance

圖10 散熱功率隨風(fēng)速變化曲線Fig.10 Heat dissipation power variations with wind speed

2.2 外部參數(shù)擾動(dòng)下的吸熱器特性變化規(guī)律

2.2.1 太陽(yáng)法向直射輻照度擾動(dòng)的影響 實(shí)際太陽(yáng)法向直射輻照度由于云遮等影響，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度變化，為模擬太陽(yáng)法向直射輻照度的極端變化情況，仿真了吸熱器在太陽(yáng)法向直射輻照度階躍擾動(dòng)情況下的變化規(guī)律，太陽(yáng)法向直射輻照度初始值為800 W/m2，在10 s 時(shí)，使其階躍變化-20%、-15%、-10%、-5%、+5%、+10%、+15%、+20%，觀察吸熱器特性參數(shù)的變化情況。

由圖12（a）～（e）可以看到，吸熱器在10 s 時(shí)接收光斑能量發(fā)生階躍變化時(shí)，出口熔鹽溫度、表面最高溫度、散熱功率經(jīng)歷了約5～10 s 的過(guò)渡時(shí)間后趨于穩(wěn)定，變化過(guò)程較為緩慢平穩(wěn)；而吸熱管軸向溫度梯度變化在不到5 s的時(shí)間就達(dá)到穩(wěn)定，較為劇烈；吸熱器效率在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)變化很快，但隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸回復(fù)到擾動(dòng)發(fā)生前的水平，這主要由于熱慣性的存在，當(dāng)入射能量階躍上升（下降）時(shí)，吸熱器溫度和散熱功率還未來(lái)得及上升（下降）到相應(yīng)水平，所以存在效率的短時(shí)間突變，但隨著吸熱器溫度和散熱功率逐漸達(dá)到新的水平，效率又回復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 吸熱器特性隨流量變化曲線Fig.11 Parameter variations of receiver performance with flow rate

圖12 太陽(yáng)法向直射輻照度階躍擾動(dòng)下吸熱器特性參數(shù)變化Fig.12 Parameter variations of receiver performance in presence of direct normal irradiance step disturbance

由圖12（f）可以看到，出口熔鹽溫度和吸熱器表面最高溫度與太陽(yáng)法向直射輻照度的變化基本呈1∶2 的關(guān)系；集熱管表面最大軸向溫度梯度、散熱功率的基本與太陽(yáng)法向直射輻照度的變化呈等比例關(guān)系；吸熱器效率在太陽(yáng)法向直射輻照度增大時(shí)增大，但斜率逐漸減小。

通過(guò)對(duì)圖13 所示數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，模塊E1～E4、W5～W8 最終分別變化了2.29%、4.06%、5.48%、6.61%、7.48%、8.13%、8.62%、9.00%，即擾動(dòng)發(fā)生后，越靠近出口處串聯(lián)模塊的出口鹽溫變化越大，太陽(yáng)法向直射輻照度階躍下降時(shí)也有相似的結(jié)論。

由圖14可以看到，吸熱器表面溫度變化百分比也呈現(xiàn)出靠近出口處高，入口處低的趨勢(shì)，結(jié)合圖6，可以看到吸熱器管屏出口處的中心部位是溫度最高且受太陽(yáng)法向直射輻照度波動(dòng)影響最大的區(qū)域。

2.2.2 流量擾動(dòng)的影響 實(shí)際流量是根據(jù)控制要求實(shí)時(shí)調(diào)整的，為研究流量突變可能帶來(lái)的影響，仿真了吸熱器在流量階躍擾動(dòng)情況下的變化規(guī)律，在10 s 時(shí)，使流量階躍變化-20%、-15%、-10%、-5%、+5%、+10%、+15%、+20%，觀察吸熱器特性參數(shù)的變化情況。

圖13 吸熱器流動(dòng)路徑1出口鹽溫在太陽(yáng)法向直射輻照度階躍上升20%時(shí)的變化Fig.13 Variations of molten salt out temperature in receiver flow path 1 in presence of direct normal irradiance 20%step increase

圖14 吸熱器表面溫度在太陽(yáng)法向直射輻照度階躍上升20%時(shí)的變化/%Fig.14 Variations of receiver surface temperature in presence of direct normal irradiance 20%step increase

由圖15（a）～（e）可以看到，吸熱器在10 s 時(shí)進(jìn)入熔鹽流量發(fā)生階躍變化時(shí)，出口熔鹽溫度、表面最高溫度、散熱功率、效率經(jīng)歷了約80 s左右的過(guò)渡時(shí)間后趨于穩(wěn)定，變化幅度在開(kāi)始的10 s 左右較為劇烈，而后經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間緩慢下降或上升的過(guò)程；而吸熱管軸向溫度梯度變化在不到5 s的時(shí)間就達(dá)到穩(wěn)定，較為劇烈。

由圖15（f）可以看到，流量下降20%，表面最高溫度上升了約11%，流量上升20%，表面最高溫度只下降了約8%，與太陽(yáng)法向直射輻照度變化時(shí)的性能參數(shù)對(duì)稱變化的特點(diǎn)明顯不同，流量下降時(shí)的變化對(duì)吸熱器性能影響更大，且對(duì)集熱管表面最大軸向溫度梯度、散熱功率的影響明顯較表面溫度和出口鹽溫更大。吸熱器效率在流量增大時(shí)增大，但增大速率有略微減小的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)圖16 所示數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，模塊E1～E4、W5～W8 最終分別變化了3.09%、5.42%、7.25%、8.69%、9.78%、10.60%、11.19%、11.63%，過(guò)渡時(shí)間分別為7、11、16、24、35、46、62、77 s，即擾動(dòng)發(fā)生后，越靠近出口處串聯(lián)模塊的出口鹽溫變化越大，達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。

由圖17可以看到，吸熱器表面溫度變化百分比也呈現(xiàn)出沿流程增大的趨勢(shì)，由于正常運(yùn)行過(guò)程中，熔鹽流量常常進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)鏡場(chǎng)投射能量的變化，結(jié)合圖14 仿真結(jié)果可以看到，吸熱器出口處管屏是受熔鹽流量和太陽(yáng)法向直射輻照度的波動(dòng)影響最大的區(qū)域，即運(yùn)行中工況最惡劣區(qū)域，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

圖15 流量階躍擾動(dòng)下吸熱器特性參數(shù)變化Fig.15 Parameter variations of receiver performance in presence of flow rate step disturbance

圖16 吸熱器流動(dòng)路徑1串聯(lián)模塊出口鹽溫在流量階躍下降20%時(shí)的變化Fig.16 Variations of molten salt out temperature in receiver flow path 1 in presence of flow rate 20%step down

圖17 吸熱器表面溫度在流量階躍下降20%時(shí)的變化/%Fig.17 Variations of receiver surface temperature in presence of flow rate 20%step down

2.2.3 運(yùn)行中出口鹽溫控制的改進(jìn)做法 在實(shí)際運(yùn)行中一般采取定出口鹽溫，根據(jù)太陽(yáng)法向直射輻照度的變化調(diào)整熔鹽流量的策略，每次調(diào)整一個(gè)固定的百分比，但由于并不知道調(diào)整多少能夠使出口鹽溫回復(fù)之前的水平，這種試探性質(zhì)的做法沒(méi)有考慮鹽溫變化的滯后性，往往存在過(guò)調(diào)的問(wèn)題。根據(jù)2.2.1、2.2.2 節(jié)中的研究結(jié)果，可以看到出口鹽溫和太陽(yáng)法向直射輻照度和熔鹽流量三者之間存在定量的關(guān)系，如表3、表4 所示。由于太陽(yáng)法向直射輻照度為外部影響因素，不受控制，因此當(dāng)作自變量處理，而熔鹽流量是被控制量，因此當(dāng)作因變量處理。

利用太陽(yáng)法向直射輻照度的變化預(yù)測(cè)吸熱器特性參數(shù)的變化情況，可以定量制定熔鹽流量的調(diào)整策略。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)太陽(yáng)法向直射輻照度階躍上升20%時(shí)，出口鹽溫達(dá)到穩(wěn)定后將會(huì)上升約9%，那么控制的目的是使出口鹽溫下降9%，可以通過(guò)提高熔鹽流量實(shí)現(xiàn)，利用2.2.2節(jié)中得到的熔鹽流量與出口鹽溫的定量關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔鹽流量提高22%時(shí)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因此可以直接將熔鹽流量調(diào)整到目標(biāo)值。本文仿真了這一過(guò)程，在10 s 時(shí)將太陽(yáng)法向直射輻照度階躍升高20%，并分別采用傳統(tǒng)和改進(jìn)的策略進(jìn)行了調(diào)控，如圖18 所示，可以看到傳統(tǒng)做法在出口鹽溫高于原來(lái)水平時(shí)不斷增大熔鹽流量，導(dǎo)致穩(wěn)定后的出口溫度明顯低于原來(lái)的水平，而改進(jìn)做法只進(jìn)行了一次調(diào)整，穩(wěn)定后出口鹽溫基本回復(fù)到原來(lái)的水平上，調(diào)控效果好且避免了控制器的頻繁動(dòng)作。

2.2.4 多云情況吸熱器運(yùn)行過(guò)程特性分析 實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受云遮影響，吸熱器的入射能量隨太陽(yáng)法向直射輻照度波動(dòng)不斷變化，環(huán)境溫度和風(fēng)速也不可能保持恒定，為觀察吸熱器在實(shí)際太陽(yáng)法向直射輻照度下的運(yùn)行情況，取某地多云天的某時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該時(shí)段吸熱器采用定流量方式運(yùn)行，該時(shí)段的太陽(yáng)法向直射輻照度、溫度和風(fēng)速曲線如圖19（a）所示。

表3 太陽(yáng)法向直射輻照度變化百分比與吸熱器特性變化百分比關(guān)系函數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)Table 3 Polynomial coefficient of relationship between change percentage of direct normal irradiance and receiver performance parameters

表4 熔鹽流量變化百分比與吸熱器特性變化百分比關(guān)系函數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)Table 4 Polynomial coefficient of relationship between change percentage of salt flow rate and receiver performance parameters

溫度變化相對(duì)有一定的滯后性，所以其變化的幅度總是小于太陽(yáng)法向直射輻照度的，如圖19（b）所示。而吸熱器效率由于是輸出功率和輸入能量的比值，在輸出功率和輸入能量同時(shí)降低時(shí)變化不大，但某些能量急劇降低的時(shí)刻，輸出功率由于變化有滯后并沒(méi)有立即降低，導(dǎo)致了效率的急劇下降，如圖19（b）的150 s和170 s處。受吸熱器表面溫度的影響，輻射散熱功率與太陽(yáng)法向直射輻照度的變化趨勢(shì)基本相同；而對(duì)流散熱受風(fēng)速影響較大，但由于其占比較小，在一天中的變化并不明顯，如圖19（c）所示。

圖19 多云天氣象參數(shù)及吸熱器特性參數(shù)變化曲線Fig.19 Variations of meteorological parameters and receiver performance parameters in a cloudy day

3 結(jié) 論

本文針對(duì)塔式光熱發(fā)電技術(shù)中采用的外露管式熔鹽吸熱器進(jìn)行了建模，通過(guò)與實(shí)際項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。對(duì)吸熱器的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真，并以此為基礎(chǔ)提出了吸熱器出口鹽溫控制的改進(jìn)方法，分析了其在實(shí)際氣象條件下的運(yùn)行特點(diǎn)，得到以下結(jié)論。

（1）吸熱器表面最高溫度、溫度梯度、散熱功率與太陽(yáng)法向直射輻照度的變化呈正比關(guān)系，效率隨太陽(yáng)法向直射輻照度增大而升高，但增加幅度逐漸減弱；風(fēng)速主要影響對(duì)流散熱功率；隨著熔鹽流量的增大，吸熱器溫度、效率、散熱功率等特性參數(shù)的變化速率逐漸減小。

（2）太陽(yáng)法向直射輻照度擾動(dòng)下出口熔鹽溫度、表面最高溫度、散熱功率的過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，較為平緩，吸熱管軸向溫度梯度的變化較為短促，效率在瞬間突變后會(huì)重新逐漸回復(fù)到接近擾動(dòng)前的水平；流量擾動(dòng)下出口熔鹽溫度、表面最高溫度、散熱功率、效率的過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，較為平緩，吸熱管軸向溫度梯度的變化較為短促，與太陽(yáng)法向直射輻照度變化時(shí)的性能參數(shù)對(duì)稱變化的特點(diǎn)明顯不同，流量階躍下降對(duì)吸熱器性能影響更大。

（3）實(shí)際法向直射輻照度下的模擬結(jié)果顯示：吸熱器表面溫度、出口鹽溫、輻射散熱功率隨法向直射輻照度波動(dòng)變化較為明顯，實(shí)際法向直射輻照度只有在劇烈波動(dòng)時(shí)才對(duì)效率有影響，對(duì)流散熱功率主要隨風(fēng)速變化。

（4）吸熱器特性參數(shù)與太陽(yáng)法向直射輻照度和熔鹽流量三者之間存在定量關(guān)系，利用太陽(yáng)法向直射輻照度的變化預(yù)測(cè)吸熱器特性參數(shù)的變化，再定量制定熔鹽流量的調(diào)整策略可改善實(shí)際運(yùn)行中的過(guò)調(diào)問(wèn)題。