槽式太阳能热与燃煤互补发电系统的耦合机理与集成优化研究

发布时间：2020-05-26 03:41

【摘要】：电力工业是我国经济发展中最重要的能源产业。近几年来,我国所面临的化石能源短缺与污染物排放问题日益突出。为了优化能源结构,实现节能减排,需要进一步扩大可再生能源的发电份额并提高能源的利用效率。太阳能辅助燃煤发电机组将聚光式集热技术收集的太阳能热引入燃煤机组预热给水,通过取代部分抽汽实现减少燃煤或增加发电功率的作用。该技术具有集成方案的多样性、发电输出的稳定性、与电网需求的一致性以及运行方式的灵活性等优点,也符合我国大力发展太阳能并降低其投资成本的需求。本课题针对槽式太阳能集热与燃煤电厂互补发电技术,从系统建模、光煤耦合机理、热力性能分析、年经济性以及关键参数优化等多个方面展开研究。其主要研究总结如下:(1)太阳能辅助燃煤发电系统的建模与热力性能算法优化本文对互补发电系统的关键子系统进行了建模。所建立的单轴跟踪槽式太阳集热场模型可用于研究在不同设计参数或辐照条件下,集热场的能量转换过程。通过建立汽轮机回热系统的并联矩阵通用形式,设计了汽轮机机组变工况计算方法,具有运算速度快、迭代次数少的优点。通过对已有的锅炉“黑箱模型”进行改进,将锅炉视为一系列换热器进行传热计算,以进一步研究光煤耦合对锅炉出口蒸汽参数的影响。通过对油水换热器“黑箱模型”进行改进,对油水换热器的换热面积及换热温差进行优化研究。通过对上述所建立或改进的模型进行结合,本文设计了两种互补发电系统热力性能算法,即“黑箱算法”与“改进算法”。“黑箱算法”主要基于锅炉和油水换热器的“黑箱模型”。该算法需要假设主蒸汽参数、再热蒸汽参数以及油水换热器各换热流体的进出口参数不随集热场热输出的变化而改变。“改进算法”主要基于改进的锅炉和油水换热器模型,该算法一方面可在不预先假设主蒸汽、再热蒸汽参数不变的前提下,通过对锅炉各受热面进行传热计算得到锅炉出口蒸汽的参数;另一方面,该算法也可实现对油水换热器变工况特性的研究,通过换热器计算理论得到传热流体间的换热量以及进出口参数。(2)太阳能辅助燃煤发电系统的稳态变工况热力学特性与耦合机理研究在互补发电系统建模的基础上,分别利用两种算法对多种光煤耦合方式进行热力计算,研究变工况条件下系统热力学参数随太阳能热输出的变化情况。结果表明,“黑箱算法”不能用于太阳能集成位置位于再热蒸汽入口之前的情形。在这种耦合方式下,太阳能的引入导致再热系数增加和再热蒸汽出口温度下降,与该算法所依据的假设矛盾。再热蒸汽出口温度下降既不利于锅炉的安全运行,也会进一步导致循环效率和太阳能热电转化效率降低。“黑箱算法”和“改进算法”均可用于太阳能集成位置位于再热蒸汽之后的情形。此时,太阳能的引入不改变再热系数和锅炉热负荷分配,再热温度、互补发电系统循环效率和太阳能热电转化效率不受太阳能引入量的影响,太阳能取代的抽汽压力越高,互补发电系统的循环效率和太阳能热电转化效率越高。通过对互补发电系统进行耦合优化研究,发现用太阳能热取代第三级抽汽无论在太阳能光热转化效率、太阳能热发电量等热力学指标,还是从锅炉安全性而言,都优于其他集成方案,应作为最优集成方案。(3)互补发电系统关键参数优化方法的提出通过研究互补发电系统的能量转化效率和年经济性,提出了互补发电系统关键参数的优化方法。通过定义多个评价指标,可在不依赖于经验值的基础上,进一步提高太阳能光电转化效率并降低系统的投资成本。通过研究发现,油水换热器换热温差及导热油温降的取值会影响换热器的换热面积、换热效率与集热场所需的集热面积,其最优值应当使得集热场与换热器的总投资最小。通过推导任意方位角与倾斜角下,单轴跟踪槽式集热场太阳入射角的计算公式,定义了单双轴跟踪系统的年集热比来评价各跟踪方式的集热能力。结果表明,南北极轴跟踪方式集热能力最强,分别比南北轴水平跟踪方式和东西轴水平跟踪方式高11.4%和33.8%。通过分析太阳能的整个光电转化过程和年经济性,对互补发电系统列间距、集热面积和蓄热量进行优化。结果表明,列间距的最优值决定于土地费用和集热场跟踪方式的选取;优化集热面积和蓄热量可以最大化年太阳能光热转化效率并降低太阳能标准化发电成本。(4)集热管三维模型、热-结构耦合分析及其热安全性评价对集热管进行三维建模,通过有限元分析方法,对集热管进行热-结构耦合分析,得到了集热管在变辐照、变对流换热系数下的温度场、温度梯度场和应力场的分布规律。结果表明,集热管的温度场可以分为三个区域——波纹管段、直管段及两者的过渡区域。其中,温度梯度和集热管Von Mises等效应力的最大值均位于集热管与波纹管的过渡区域。直射辐射增加或集热管内壁面对流换热系数减小都会使得管壁最大Von Mises等效应力增加,甚至超过材料的屈服极限。最后,在集热管稳态安全性分析的基础上,研究了在直射辐射突增条件下的集热管动态安全性,分析了集热管最高温度、最大温度梯度以及最大应力随时间的响应。
【图文】：

太阳能热发电

式太阳能示范电站在北京延庆县成功发电［３（Ｍ２］。２０１６年８月，中控１０ＭＷ塔式逡逑太阳能电站在青海省德令哈成功并网发电，实现了我国塔式光热发电技术规模化逡逑和商业化应用【３３］。图１－１为美国Ｃｒｅｓｃｅｎｔ邋Ｄｉｍｅｓ塔式太阳能发电站［３４】。逡逑ｊ逡逑图１－１邋Ｃｒｅｓｃｅｎｔ邋Ｄｕｎｅｓ塔式太阳能热发电站逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｒｅｓｃｅｎｔ邋Ｄｕｎｅｓ邋ｓｏｌａｒ邋ｔｏｗｅｒ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｐｏｗｅｒ邋ｐｌａｎｔ逡逑３逡逑

太阳能热发电系统,太阳能电站

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍａｒｉｃｏｐａ邋ｓｏｌａｒ邋ｄｉｓｈ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１．２．１．２线聚焦太阳能热发电系统逡逑线性菲涅尔太阳能热发电技术采用线聚光原理集热。其原理是利用菲涅射镜将太阳辐射聚集到其上方的吸热管，产生的氋温工质通过热力循环原理发电［２５，４４］。线性菲ml尔太阳能电站的聚光比一般为５０￣７０，用水／水蒸气为流体时，集热温度通常为２５０￣４００°Ｃ［４５，，４６］。目前，世界上己有７座线性菲涅太阳能电站投入运营［４３］。２００８年，Ａｒｅｎａ公司在美国加利福尼亚州Ｂａｋｅｒｓｆｉ建造了邋５ＭＷ的Ｋｉｍｂｅｒｌｉｎａ菲涅尔太阳能电站［４７］。２００９年和２０１２年，Ｎｏｖａ
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM621;TM615

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