論塔式太陽(yáng)能光熱配套電站系統(tǒng)仿真

王李波 黃圓明

摘要：塔式太陽(yáng)能光熱配套電站的建設(shè)，是利用太陽(yáng)能發(fā)電解決常規(guī)電廠能源利用、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的課題。系統(tǒng)仿真研究的方法，為電廠節(jié)能開辟思路，本文對(duì)塔式太陽(yáng)能光熱配套電站系統(tǒng)采用仿真模型論證的方法進(jìn)行分析，期望能夠?qū)︾R場(chǎng)運(yùn)行規(guī)律、塔式太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)、工質(zhì)流動(dòng)等特性的闡述，能夠?yàn)轭A(yù)測(cè)系統(tǒng)變化特性，準(zhǔn)確反應(yīng)太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)律具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能發(fā)電;光熱配套;電站系統(tǒng)

太陽(yáng)能光熱配套電站，不需安裝純太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)，因此降低了投資，減少了風(fēng)險(xiǎn)，使用太陽(yáng)能節(jié)約了燃煤等的消耗使用，為電站節(jié)能減排提供支持。

1. 太陽(yáng)能光熱配套電站系統(tǒng)概述

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由前后端發(fā)電子系統(tǒng)組成，前端聚光集熱子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，后端發(fā)電子系統(tǒng)進(jìn)行傳熱介質(zhì)的傳送，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是一種常見的大規(guī)模光熱發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)多個(gè)跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，根據(jù)發(fā)電原理驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，，由定日鏡場(chǎng)和接收器組成的聚光集熱子系統(tǒng)將太陽(yáng)光反射匯聚，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能到熱能的轉(zhuǎn)化，接收器基于太陽(yáng)能的發(fā)電形式，產(chǎn)生高溫蒸汽，通過(guò)加熱接收管道中的傳熱介質(zhì)生產(chǎn)具有無(wú)污染的能源，技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于擁有可持續(xù)發(fā)展的前景^[1]。

2、太陽(yáng)能光熱配套電站系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

以某350MW機(jī)組配套太陽(yáng)能光熱電站系統(tǒng)為例，建立塔式太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，基于仿真平臺(tái)，構(gòu)建包括系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停運(yùn)在內(nèi)的塔式太陽(yáng)能光熱配套系統(tǒng)仿真模型。

2.1建模和仿真試驗(yàn)

建立聚光集熱子系統(tǒng)模型，包括集熱子系統(tǒng)接受啟蒙模型和聚聯(lián)合鏡場(chǎng)模型。基于蒙特卡洛光纖追蹤發(fā)，將接收器表面的流密度加以接收，根據(jù)柱狀傳熱機(jī)理獲取出口溫度數(shù)值。得到接收器的集熱模型，通過(guò)圖形處理單元優(yōu)化加速模型結(jié)算，獲得仿真結(jié)果，驗(yàn)證實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)比模型的正確性^[2]。

2.2優(yōu)化求解

滿足表面能量分布均勻約束的前提下，利用序列二次規(guī)劃算法（SQP）進(jìn)行求解在光熱能量模型的基礎(chǔ)上，為了保證系統(tǒng)在接收器不產(chǎn)生過(guò)熱損壞的情況，采用約束優(yōu)化方法，通過(guò)基于模型的無(wú)梯度信息優(yōu)化算法調(diào)節(jié)聚焦點(diǎn)分布，優(yōu)化得到的聚焦點(diǎn)位置使得接收器擁有高發(fā)電效率，接近系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的最高溫度，SQP算法求解過(guò)程中建立聚光集熱子系統(tǒng)優(yōu)化模型能夠驗(yàn)證接收器表面能量均勻分布的程度，使接收器出口熔鹽溫度達(dá)到最優(yōu)。解決求解時(shí)間長(zhǎng)和收斂困難等問(wèn)題，運(yùn)用復(fù)合形法和MBDFO（Model-Based Derivative-Free Optimization優(yōu)化求解。

2.3建立鏡場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)太陽(yáng)在天空位置改變使用時(shí)角表示，對(duì)太陽(yáng)能直射強(qiáng)度采用輻射值表示，建立定日鏡模型，通過(guò)光電傳感器判斷太陽(yáng)光投射到吸熱器的情況，使得定日鏡法線與太陽(yáng)光線保持平行。選擇跟蹤控制高度角方位角雙周跟蹤的方法，得到跟蹤精度值。

3、塔式太陽(yáng)能光熱配套系統(tǒng)運(yùn)行模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1春分日系統(tǒng)的運(yùn)行特征為例，從上午7點(diǎn)到下午17點(diǎn)，太陽(yáng)能鍋爐啟動(dòng)后，根據(jù)太陽(yáng)能輻射熱量的變化，產(chǎn)生的蒸汽達(dá)到負(fù)荷條件穩(wěn)定，繪制滿負(fù)荷、降低符合后的曲線圖，發(fā)現(xiàn)滿負(fù)荷條件下，機(jī)組的運(yùn)行最為穩(wěn)定，此時(shí)太陽(yáng)能系統(tǒng)對(duì)主機(jī)的影響最大的是主蒸汽流量和燃煤兩，發(fā)揮太陽(yáng)能系統(tǒng)的作用，減少主蒸汽流量效果較強(qiáng)。在降負(fù)荷的過(guò)程中，機(jī)組的符合、主蒸汽流量變化趨勢(shì)基本相同，隨著機(jī)組的負(fù)荷變化，蒸汽流量等發(fā)生了變化，降負(fù)荷的幅度較大，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性不高^[3]。

3.2根據(jù)太陽(yáng)能輻射熱量的變化，太陽(yáng)能系統(tǒng)測(cè)發(fā)揮的作用最大可節(jié)約燃煤10噸每小時(shí)，對(duì)于主機(jī)側(cè)的經(jīng)濟(jì)性能有明顯的改善，隨著機(jī)組的負(fù)荷拜年話，機(jī)組的運(yùn)行不穩(wěn)定會(huì)帶來(lái)較大的參數(shù)波動(dòng)，升降負(fù)荷的程度不同，選取不同的負(fù)荷率用于復(fù)核，得到目標(biāo)值，設(shè)定機(jī)組的穩(wěn)定調(diào)節(jié)時(shí)間。不同季節(jié)下太陽(yáng)能的光照時(shí)間有所不同，因此太陽(yáng)能鍋爐側(cè)的運(yùn)行情況相應(yīng)地會(huì)發(fā)生改變，對(duì)太陽(yáng)能光熱配套電站系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，討論不同負(fù)荷條件下的太陽(yáng)能光熱配套系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整方案^[4]。

1. 結(jié)論

獨(dú)立太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)提高機(jī)組的調(diào)峰能力，替代燃煤機(jī)組的燃料，提高機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。根據(jù)塔式太陽(yáng)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，從機(jī)組高加出口引入總給水量，經(jīng)過(guò)加熱產(chǎn)生的蒸汽與電站鍋爐蒸汽混合，產(chǎn)生做功，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的影響下，進(jìn)行太陽(yáng)能系統(tǒng)的集熱效率和換熱效率的提升，緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪琦，張慧芬，俞紅嘯，等.太陽(yáng)能光熱發(fā)電中導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].上海節(jié)能，2020，（3）：224-230.

[2]白炳林，楊曉宏，田瑞，等.太陽(yáng)能光熱-光電中空纖維真空膜蒸餾系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào)，2019，70（9）：3517-3526.

[3]魏煒，賈皓越，穆云飛，等.光電-光熱區(qū)域綜合能源系統(tǒng)太陽(yáng)能消納能力評(píng)估模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019，43（20）：16-23，38.

[4]魏貞凱.太陽(yáng)能光熱發(fā)電儲(chǔ)熱系統(tǒng)建模與控制策略研究[J].城鎮(zhèn)建設(shè)，2019，（8）：260，294.