太陽能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)在南京地區(qū)運行的模擬

陳志鵬，婁清輝，黃 靜，李存霖，唐菲菲，王培紅

（東南大學 能源與環(huán)境學院，南京 210096）

太陽能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)（DSG）技術相對成熟，規(guī)模效益顯著，結合南京地區(qū)太陽能輻射規(guī)律，采用數(shù)值計算的方法對無儲熱的太陽能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)全年的運行進行模擬。

1 南京地區(qū)太陽能輻射規(guī)律

南京太陽能資源不是十分理想。全年的輻射強度隨季節(jié)變化較大，并以中低水平為主，高強度輻射的小時數(shù)不多。夏季的7月和8月正午，太陽輻射強度可以達到900W／m2，但冬季12月和1月份正午，最高輻射強度僅400W／m2，特別是5月和6月南京地區(qū)進入梅雨季節(jié)陰雨天較多，太陽能資源很有限。

2 全年穩(wěn)態(tài)運行模擬

太陽能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)設計的額定太陽輻射強度為471W／m2，額定給水流量3.4kg／s、額定發(fā)電功率為5MW。在設計工況下發(fā)電效率為16.75%。系統(tǒng)的集熱部分共有集熱器為2 750個集熱器分11排安裝，每排集熱器250個，其中第209段與210段之間裝有汽水分離器。集熱部分總長1 000m，其中預熱蒸發(fā)段長836m，過熱段總長164m，見圖1。由于日出和日落時輻射強度值較低，過冷水在預熱蒸發(fā)段內循環(huán)流動加熱，太陽輻照僅用于系統(tǒng)蓄熱。

圖1 單排管束示意圖

按照太陽能輻射強度模型計算出的每月典型日輻射值分布，太陽輻射強度從100W／m2到最高值960W／m2。在相同的給水流量和給水壓力下，根據(jù)再循環(huán)方式系統(tǒng)模型進行計算，結果見表1。

表1 不同輻射強度Ib的系統(tǒng)參數(shù)和功率計算結果

表1顯示，隨著太陽輻射強度的升高，汽水分離器產生的蒸汽干度將不斷增大，蒸發(fā)量也逐漸增大，過熱蒸汽溫度先升后降。這是因為低輻射強度時，盡管蒸發(fā)量較少，但過低的輻射強度下過熱段總有效吸熱量很少，因此過熱溫度較低。隨著輻射強度的逐漸升高，過熱段吸收的有效能逐漸增大，過熱溫度將逐漸升高。當輻射強度繼續(xù)升高時，蒸發(fā)量增加，雖然過熱段有效能也增加，但是增加的幅度不及蒸發(fā)量增加的幅度，因此過熱溫度逐漸降低。同時集熱器出口壓力逐漸降低，并且在高輻射強度時壓力下降幅度過大，因此必須對高輻射強度的運行策略進行調整。

從表1可以看出，隨著太陽輻射強度的增加，雖然蒸汽壓力不斷降低、溫度先升后低，但是蒸發(fā)量不斷增大；由于蒸發(fā)量是影響汽機功率的主導因素，因此汽機的功率幾乎線性增長，見圖2。

圖2 功率與輻射強度的理論關系

由圖2可以得到擬合式：

但是汽輪機的額定功率為5MW，汽輪機最多可發(fā)5.5MW的功率，受汽輪機能力的制約集熱場產生的多余的蒸汽將經(jīng)過減溫減壓旁路到凝汽器內。利用擬合式可以得到，為了讓汽輪機功率維持在5.5MW，要求太陽輻射強度為520W／m2，即太陽輻射強度超過這個界限，汽輪機功率維持在5.5MW不變。另外通過計算還可以得到太陽輻射強度低于100W／m2，汽輪機的功率為0；圖2經(jīng)過修正如圖3。圖3反映了該系統(tǒng)的運行性能和特點。

圖3 本案DSG發(fā)電功率與輻射強度的關系

利用圖3的關系進行計算，南京地區(qū)DSG發(fā)電功率的年分布見圖4。

圖4 南京地區(qū)DSG發(fā)電功率的年分布

可以看出：即使在冬季，正午太陽輻射強度最高時，汽輪機也不能滿負荷運行；春秋兩季，平均每天滿負荷運行約4h，欠負荷下運行4h；夏季，平均每天滿負荷運行7h，欠負荷下運行5h。

3 結論

從運行模擬結果可以看出，在低輻射強度下，主汽溫度較低，而在高輻射強度下，主汽壓力下降明顯。因此當輻射強度較低時，可將汽水分離器位置前移，提高過熱汽溫和發(fā)電量；當輻射強度較高時，降低給水流量以穩(wěn)定主汽壓力。