化工学报 ›› 2020, Vol. 71 ›› Issue (5): 2049-2060.DOI: 10.11949/0438-1157.20191351
收稿日期:
2019-11-08
修回日期:
2020-03-13
出版日期:
2020-05-05
发布日期:
2020-05-05
通讯作者:
徐玫
作者简介:
徐玫(1989—),女,硕士,工程师,Mei XU(),Huaiwu PENG,Dongsheng NIU,Xiao WANG,Bin XIAO,Zhi ZHOU,Yanglong DUAN,Junfeng ZHANG
Received:
2019-11-08
Revised:
2020-03-13
Online:
2020-05-05
Published:
2020-05-05
Contact:
Mei XU
摘要:
以某50 MW塔式光热发电项目外露管式熔盐吸热器为研究对象,进行了建模,通过理想条件下的动静态仿真和实际气象条件下的模拟,给出吸热器特性参数的动静态响应曲线,提出了吸热器出口盐温控制的改进方法,分析了其在实际气象条件下的运行特点,总结了以下规律:吸热器表面最高温度、温度梯度、散热功率与太阳法向直射辐照度的变化基本呈正比关系;效率随太阳法向直射辐照度增大而升高但斜率逐渐减小;风速主要影响对流散热功率;太阳法向直射辐照度扰动下吸热器出口熔盐温度、表面最高温度、散热功率的过渡过程响应时间较吸热管轴向温度梯度更长,效率在瞬间突变后会重新逐渐回复到接近扰动前的水平;流量阶跃下降对吸热器性能影响更大。利用吸热器特性参数与太阳法向直射辐照度和熔盐流量三者间的定量关系可改进运行中的熔盐流量调整策略。
中图分类号:
徐玫, 彭怀午, 牛东圣, 王晓, 肖斌, 周治, 段杨龙, 张俊峰. 外露管式熔盐吸热器动静态特性研究[J]. 化工学报, 2020, 71(5): 2049-2060.
Mei XU, Huaiwu PENG, Dongsheng NIU, Xiao WANG, Bin XIAO, Zhi ZHOU, Yanglong DUAN, Junfeng ZHANG. Study on dynamic and static performance of external tubular molten salt receiver[J]. CIESC Journal, 2020, 71(5): 2049-2060.
参数 | 数值 |
---|---|
额定功率/MW | 42.2 |
吸热管长度/m | 6.2 |
管屏数目 | 24 |
各管屏吸热管数目 | 32 |
吸热器直径/m | 5.1 |
吸热管外径/m | 0.025 |
吸热管壁厚/m | 0.00125 |
表1 Solar Two吸热器结构参数
Table 1 Structure characteristics of Solar Two receiver
参数 | 数值 |
---|---|
额定功率/MW | 42.2 |
吸热管长度/m | 6.2 |
管屏数目 | 24 |
各管屏吸热管数目 | 32 |
吸热器直径/m | 5.1 |
吸热管外径/m | 0.025 |
吸热管壁厚/m | 0.00125 |
工况 | 工况参数 | 模型计算结果验证 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
环境温度/℃ | 风速/(m/s) | 平均能流密度/(kW/m2) | 熔盐流量/(kg/s) | 入口熔盐温度/℃ | 实测出口熔盐温度/℃ | 计算出口熔盐温度/℃ | 偏差/% | 实测效率 | 计算效率 | 偏差/% | |
1 | 32 | 0.6 | 341 | 80 | 294 | 555 | 556 | 0.18 | 0.888 | 0.895 | 0.80 |
2 | 33 | 1.2 | 372 | 90 | 300 | 552 | 555 | 0.54 | 0.884 | 0.899 | 1.64 |
3 | 33 | 1 | 373 | 90 | 304 | 556 | 560 | 0.69 | 0.88 | 0.898 | 2.05 |
4 | 14 | 2 | 289 | 67 | 302 | 564 | 562 | -0.34 | 0.881 | 0.878 | -0.34 |
5 | 18 | 3.2 | 340 | 78 | 303 | 564 | 567 | 0.55 | 0.874 | 0.882 | 0.92 |
6 | 18 | 0.9 | 302 | 69 | 301 | 564 | 567 | 0.45 | 0.87 | 0.884 | 1.63 |
7 | 17 | 2.5 | 311 | 70 | 298 | 564 | 567 | 0.55 | 0.871 | 0.827 | 1.04 |
表2 仿真结果与测试结果对比
Table 2 Comparisons between simulation results and test results
工况 | 工况参数 | 模型计算结果验证 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
环境温度/℃ | 风速/(m/s) | 平均能流密度/(kW/m2) | 熔盐流量/(kg/s) | 入口熔盐温度/℃ | 实测出口熔盐温度/℃ | 计算出口熔盐温度/℃ | 偏差/% | 实测效率 | 计算效率 | 偏差/% | |
1 | 32 | 0.6 | 341 | 80 | 294 | 555 | 556 | 0.18 | 0.888 | 0.895 | 0.80 |
2 | 33 | 1.2 | 372 | 90 | 300 | 552 | 555 | 0.54 | 0.884 | 0.899 | 1.64 |
3 | 33 | 1 | 373 | 90 | 304 | 556 | 560 | 0.69 | 0.88 | 0.898 | 2.05 |
4 | 14 | 2 | 289 | 67 | 302 | 564 | 562 | -0.34 | 0.881 | 0.878 | -0.34 |
5 | 18 | 3.2 | 340 | 78 | 303 | 564 | 567 | 0.55 | 0.874 | 0.882 | 0.92 |
6 | 18 | 0.9 | 302 | 69 | 301 | 564 | 567 | 0.45 | 0.87 | 0.884 | 1.63 |
7 | 17 | 2.5 | 311 | 70 | 298 | 564 | 567 | 0.55 | 0.871 | 0.827 | 1.04 |
图13 吸热器流动路径1出口盐温在太阳法向直射辐照度阶跃上升20%时的变化
Fig.13 Variations of molten salt out temperature in receiver flow path 1 in presence of direct normal irradiance 20% step increase
系数 | 出口熔盐温度变化 百分比/% | 吸热器表面最高温度 变化百分比/% | 吸热器散热功率变化 百分比/% | 最高轴向温度梯度变化百分比/% | 效率变化百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
二次项系数 | -0.00009 | -0.00037 | 0.00231 | -0.00049 | -0.00024 |
一次项系数 | 0.45123 | 0.47237 | 0.81103 | 0.94977 | 0.01107 |
常数项 | 0.00286 | 0.00251 | 0.00286 | -0.00004 | -0.00017 |
表3 太阳法向直射辐照度变化百分比与吸热器特性变化百分比关系函数多项式系数
Table 3 Polynomial coefficient of relationship between change percentage of direct normal irradiance and receiver performance parameters
系数 | 出口熔盐温度变化 百分比/% | 吸热器表面最高温度 变化百分比/% | 吸热器散热功率变化 百分比/% | 最高轴向温度梯度变化百分比/% | 效率变化百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
二次项系数 | -0.00009 | -0.00037 | 0.00231 | -0.00049 | -0.00024 |
一次项系数 | 0.45123 | 0.47237 | 0.81103 | 0.94977 | 0.01107 |
常数项 | 0.00286 | 0.00251 | 0.00286 | -0.00004 | -0.00017 |
系数 | 出口熔盐温度变化 百分比/% | 吸热器表面最高温度 变化百分比/% | 吸热器散热功率变化 百分比/% | 最高轴向温度梯度变化百分比/% | 效率变化百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
二次项系数 | 0.04076 | 0.03655 | 0.01762 | 0.01597 | 6.29842 |
一次项系数 | -2.18062 | -2.19347 | -1.32236 | -1.26851 | 24.86554 |
常数项 | 0.05639 | 0.05055 | 0.13319 | 0.46436 | 0.13108 |
表4 熔盐流量变化百分比与吸热器特性变化百分比关系函数多项式系数
Table 4 Polynomial coefficient of relationship between change percentage of salt flow rate and receiver performance parameters
系数 | 出口熔盐温度变化 百分比/% | 吸热器表面最高温度 变化百分比/% | 吸热器散热功率变化 百分比/% | 最高轴向温度梯度变化百分比/% | 效率变化百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
二次项系数 | 0.04076 | 0.03655 | 0.01762 | 0.01597 | 6.29842 |
一次项系数 | -2.18062 | -2.19347 | -1.32236 | -1.26851 | 24.86554 |
常数项 | 0.05639 | 0.05055 | 0.13319 | 0.46436 | 0.13108 |
1 | Lovegrove K, Watt M, Passey R, et al. Realising the potential of concentrating solar power in Australia: summary for stakeholders[R]. Australia: Australian Solar Institute Pty. Ltd., 2012. |
2 | Franchini G, Perdichizzi A, Ravelli S, et al. A comparative study between parabolic trough and solar tower technologies in solar rankine cycle and integrated solar combined cycle plants[J]. Solar Energy, 2013, 98(pt. C): 302-314. |
3 | Wagner S J, Rubin E S. Economic implications of thermal energy storage for concentrated solar thermal power[J]. Renewable Energy, 2014, 61(1): 81-95. |
4 | Tehrani S S M, Taylor R A, Nithyanandam K, et al. Annual comparative performance and cost analysis of high temperature, sensible thermal energy storage systems integrated with a concentrated solar power plant[J]. Solar Energy, 2017, 153(1): 153-172. |
5 | Collado F J, Gómez A, Turégano J A. An analytic function for the flux density due to sunlight reflected from a heliostat[J]. Solar Energy, 1986, 37(3): 215-234. |
6 | 陈将. 塔式太阳能热电系统的聚光仿真与聚焦策略优化[D]. 杭州: 浙江大学, 2015. |
Chen J. Concentrating simulation and aiming strategy optimization of solar tower power system[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2015. | |
7 | 常春, 张强强, 李鑫. 周向非均匀热流边界条件下太阳能高温吸热管内湍流传热特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(17): 104-109. |
Chang C, Zhang Q Q, Li X. Turbulent heat transfer characteristics in solar thermal absorber tubes with circumferentially non-uniform heat flux boundary condition[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(17): 104-109. | |
8 | Zheng Z J, Li M J, He Y L. Thermal analysis of solar central receiver tube with porous inserts and non-uniform heat flux[J]. Applied Energy, 2017, 185(2): 1152-1161. |
9 | Prairie M R, Pacheco J E, Gilbert R L, et al. Performance of the solar two central receiver power plant[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratories, 1998. |
10 | Litwin R Z. Receiver system: lessons learned from solar two[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratories, 2002. |
11 | 盛玲霞, 李佳燕, 赵豫红. 塔式太阳能电站接收器的建模及动态仿真[J]. 化工学报, 2016, 67(3): 737-742. |
Sheng L X, Li J Y, Zhao Y H. Modeling and dynamic simulation of receiver in a solar tower power station[J]. CIESC Journal, 2016, 67(3): 737-742. | |
12 | 王建楠, 李鑫, 常春. 太阳能塔式热发电站熔融盐吸热器过热故障的影响因素分析[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(29): 107-114. |
Wang J N, Li X, Chang C. Analysis of the influence factors on the overheat of molten salt receiver in solar tower power plants[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(29): 107-114. | |
13 | Du B C, He Y L, Zheng Z J, et al. Analysis of thermal stress and fatigue fracture for the solar tower molten salt receiver[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 99: 741-750. |
14 | 刘占斌, 何雅玲, 王坤, 等. 泡沫填充方式对管内超临界CO2流动换热的影响研究[J]. 化工学报, 2019, 70(9): 3329-3336. |
Liu Z B, He Y L, Wang K, et al. Research on effects of foam filling types on heat transfer of supercritical CO2 flow in tube[J]. CIESC Journal, 2019, 70(9): 3329-3336. | |
15 | 张莉, 方嘉宾, 魏进家. 圆锥螺旋管腔式熔融盐吸热器热性能的数值研究[J]. 太阳能学报, 2019, 48(7): 1832-1836. |
Zhang L, Fang J B, Wei J J. Numerical study on a conical spiral tube cavity receiver with molten salt[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2019, 48(7): 1832-1836. | |
16 | 沈向阳, 张奇淄, 陆建峰, 等. 熔盐吸热管非稳态对流换热特性[J]. 化工学报, 2012, 63(5): 36-40. |
Shen X Y, Zhang Q Z, Lu J F, et al. Unsteady convective heat transfer performances of molten salt in receiver tube [J]. CIESC Journal, 2012, 63(5): 36-40. | |
17 | 王沛, 李嘉宝, 赵亮, 等. 塔式太阳能熔盐吸热器传热特性及分析[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(12): 3605-3613. |
Wang P, Li J B, Zhao L, et al. Thermal and exergy performance of molten salt external cylindrical receiver of solar power towers[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(12): 3605-3613. | |
18 | 郑建涛, 严俊杰, 韩临武, 等. 多点聚焦的太阳能柱式吸热器能流分布研究[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(11): 2796-2803. |
Zheng J T, Yan J J, Han L W, et al. Analysis of the solar thermal cylinder receiver heat flux distribution under multi-aiming point strategy[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(11): 2796-2803. | |
19 | Tehrani S S M, Taylor R A. Off-design simulation and performance of molten cavity receivers in solar tower plants under realistic operational modes and control strategies[J]. Applied Energy, 2016, 179(1): 698-715. |
20 | Xu E S, Yu Q, Wang Z F, et al. Modeling and simulation of 1MW DAHAN solar thermal power tower plant[J]. Renewable Energy, 2011, 36(2): 848-857. |
21 | 徐二树, 余强, 杨志平, 等. 塔式太阳能热发电腔式吸热器动态仿真模型[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(32): 115-120. |
Xu E S, Yu Q, Yang Z P, et al. Solar thermal power tower cavity receiver dynamic simulation mode[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(32):115-120. | |
22 | 高维, 徐蕙, 徐二树, 等. 塔式太阳能热发电吸热器运行安全性研究[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(2): 92-97. |
Gao W, Xu H, Xu E S, et al. Research on operation security of solar thermal tower plant receiver[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(2): 92-97. | |
23 | 张强强, 李鑫, 常春, 等. 多云气象条件下熔融盐腔式吸热器的热性能分析[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(8): 1291-1296. |
Zhang Q Q, Li X, Chang C, et al. Thermal performance analysis of molten salt cavity receivers under cloudy conditions[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(8): 1291-1296. | |
24 | 邹琴梅. 塔式太阳能熔盐吸热器的传热特性研究与设计[D]. 杭州: 浙江大学, 2014. |
Zou Q M. Study of flow and heat transfer performance and design of molten receiver in solar power plants[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014. | |
25 | 王幸智. 外露管式太阳能熔盐吸热器的传热研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013. |
Wang X Z. Research on heat transfer performance of external tubular receiver using molten salt as HTF for tower solar plant[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013. | |
26 | 李嘉宝, 王沛, 赵亮. 基于分布参数模型的塔式熔盐吸热器换热过程动态特性研究[J]. 可再生能源, 2018, 36(7): 991-996. |
Li J B, Wang P, Zhao L. Study on dynamic characteristics of heat exchange process of a tower type molten salt receiver based on distributed parameter model[J]. Renewable Energy Resources, 2018, 36(7): 991-996. | |
27 | Duffie J A, Beckman W A. Solar Engineering of Thermal Processes[M]. Hoboken: John Wiley and Sons Inc., 2006: 148. |
28 | Pacneco J E, Bradshaw R W, Dawson D B, et al. Final test and evaluation results from the solar two project[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratories, 2001. |
29 | 武君, 卢日时, 赵欢欢, 等. 塔式太阳能热发电吸热器技术进展[J]. 应用能源技术, 2013, 33(2): 36-41. |
Wu J, Lu R S, Zhao H H, et al. The development of solar center receivers for solar power tower[J]. Applied Energy Technology, 2013, 33(2): 36-41. | |
30 | Yang M L, Yang X X, Zhang S S. Performance comparisons of solar central receivers and working fluids for solar power tower systems[J]. Journal of Shaanxi University of Science&Technology(Natural Science Edition), 2008, 26(5): 21-27. |
[1] | 叶展羽, 山訸, 徐震原. 用于太阳能蒸发的折纸式蒸发器性能仿真[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 132-140. |
[2] | 张双星, 刘舫辰, 张义飞, 杜文静. R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 165-171. |
[3] | 张义飞, 刘舫辰, 张双星, 杜文静. 超临界二氧化碳用印刷电路板式换热器性能分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 183-190. |
[4] | 陈爱强, 代艳奇, 刘悦, 刘斌, 吴翰铭. 基板温度对HFE7100液滴蒸发过程的影响研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 191-197. |
[5] | 刘明栖, 吴延鹏. 导光管直径和长度对传热影响的模拟分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 206-212. |
[6] | 王志国, 薛孟, 董芋双, 张田震, 秦晓凯, 韩强. 基于裂隙粗糙性表征方法的地热岩体热流耦合数值模拟与分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 223-234. |
[7] | 晁京伟, 许嘉兴, 李廷贤. 基于无管束蒸发换热强化策略的吸附热池的供热性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 302-310. |
[8] | 程成, 段钟弟, 孙浩然, 胡海涛, 薛鸿祥. 表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 74-86. |
[9] | 李艺彤, 郭航, 陈浩, 叶芳. 催化剂非均匀分布的质子交换膜燃料电池操作条件研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3831-3840. |
[10] | 王玉兵, 李杰, 詹宏波, 朱光亚, 张大林. R134a在菱形离散肋微小通道内的流动沸腾换热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3797-3806. |
[11] | 齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林. 基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3921-3930. |
[12] | 李科, 文键, 忻碧平. 耦合蒸气冷却屏的真空多层绝热结构对液氢储罐自增压过程的影响机制研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3786-3796. |
[13] | 陈天华, 刘兆轩, 韩群, 张程宾, 李文明. 喷雾冷却换热强化研究进展及影响因素[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3149-3170. |
[14] | 傅予, 刘兴翀, 王瀚雨, 李海敏, 倪亚飞, 邹文静, 雷月, 彭永姗. F3EACl修饰层对钙钛矿太阳能电池性能提升的研究[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3554-3563. |
[15] | 洪瑞, 袁宝强, 杜文静. 垂直上升管内超临界二氧化碳传热恶化机理分析[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3309-3319. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||