技术领域
[0001] 本
发明涉及
太阳能技术领域，特别是涉及介质为
水的管状式接收器。
背景技术
[0002] 塔式
太阳能热电站是利用聚光系统(镜场)聚集太阳能，经塔顶接收器内工质吸收转化为
热能，进而利用该热能产生
过热蒸汽，推动
汽轮机发电，最终实现太阳能到
电能的转换。
[0003] 在塔式太阳能热发电系统中，太阳能接收器是实现发电最为关键的核心技术，因此，接收器的建模与仿真是对整个电站进行建模与仿真的
基础。
[0004] 目前已经建立塔式太阳能管状接收器的集总参数动态模型。集总参数模型中的模型各变量与空间
位置无关，把变量看作在整个系统中是均一的。该模型较为真实的模拟了接收器的实际运行状态。但是集总参数模型假设接受面板上聚集的
能量均匀分布，而在实际情况下，接受面板上接受到
太阳辐射能是不均匀分配的，具有中心能量高，周边能量低的特点。因此，集总参数模型只能模拟接收器整体的动态性能，不能得到接收器各部位动态性能，如循环速率、产气率等。尤其当太阳辐射扰动时，集总参数默认各个部位金属
温度一样，而在实际情况下，接收器面板上各部位金属的温度特性会有很大差异。
[0005] 为了改进接收器模型，获得更为准确的结果，本文对接收器进行分布参数建模，即对接受面板网格化。分布参数模型中变量与空间位置有关，因此可以模拟出接收板在接收到的能量为不均匀分布情况下内部
流体的动态特性，更贴近实际情况，仿真结果更为准确。
[0006] 另外，根据接收器设备规范要求，升温升压一定要缓慢，温升不应超过55℃/h，升压过程中应对各膨胀热承压部件的膨胀情况进行监督，发现膨胀不均或被卡住，应及时采取措施予以消除。分布式模型可以很好的得到接收板各部位金属的升温动态特性，因此，对接收器安全运行有指导作用。
发明内容
[0007] 为了克服上述
现有技术的不足，本发明提供了一种塔式太阳能热电站管状接收器的分布参数建模方法。包括：
[0008] 步骤(1)建立塔式太阳能热电站管状接收器的整体
质量守恒、能量守恒模型。
[0009] 如图1为管状式接收器模型示意图，(a)图为
正面示意图，(b)图为侧面示意图。
[0010] 接收器工作原理：上集箱中为汽水混合物，其中水由于重
力自然下降，经过
下降管进入上升管，吸收太阳能
汽化形成蒸汽，由于汽水混合物
密度小于水的密度，因此自然上升回到上集箱，如此循环。
[0011] 由于接收器模型的复杂性，建模时应对系统进行简化，同时做出以下假设：
[0013] 2.忽略蒸发区工质
流动阻力和重力压头变化，各处工质压力同步变化，与上集箱压力相同；
[0014] 3.接收板上升管横截面上汽液均匀，水与蒸汽的流速相同。
[0015] 塔式太阳能热电站管状接收器的分布参数建模方法包括以下步骤：
[0016] 1)建立塔式太阳能热电站管状接收器的整体质量守恒、能量守恒模型；
[0017] 测量当日太阳辐射DNI值，根据热电站
镜面反射面积、镜场效率、阶段效率、
定日镜反射率和接收器效率，计算得到提供给接受板内工质的太阳能热量Q；测量得到给水流量qf、蒸汽流量qs；
[0018] 能量Q计算公式如下：
[0019] Q＝DNI×Sm×η镜场效率×ηtrunc×ηref×ηclr (1)
[0020] 其中，DNI表示太阳辐射能量值；Sm为镜面反射面积；η镜场效率表示镜场的均值效率，为镜场大气透射率、余弦效率和阴影遮挡效率成绩的均值；ηref表示当时的截断效率；ηref表示定日镜反射率；ηclr表示定日镜的清洁度，这些值均从实际镜场情况得到；
[0021] 管状接收器系统质量守恒如下：
[0022]
[0023] 管状接收器系统能量守恒如下：
[0024]
[0025] 其中，ρ为密度，h为比
焓，Cp为金属
热容，T为温度，V为体积，p为系统压力；下标s表示蒸汽，w表示水，m表示金属，t表示整个系统；Vst、Vwt分别为总的蒸汽体积和
水体积，Vt为整个系统总体积，则有：
[0026] Vt＝Vst+Vwt (4)
[0027] 2)建立塔式太阳能热电站管状接收器汽包质量守恒、能量守恒模型；
[0028] 蒸汽和水混合物从接收板上升管进入汽包，给水也进入汽包，水从汽包流出进入下降管，蒸汽从
阀门离开汽包，下标d表示汽包，则Vsd、Vwd分别表示汽包液面下蒸汽和水的体积，qsd表示汽包液面下水蒸发成蒸汽的流量，qcd表示汽包液面上蒸汽冷凝成水的流量，qr表示流出接受板、流入汽包的工质流量，αr表示工质流量qr中的蒸汽质量百分比，汽包液面下质量平衡方程如下：
[0029]
[0030] 其中：
[0031]
[0032] qsd为一个经验模型，β为经验参数：
[0033]
[0034] 其中hc＝hs-hf，表示水蒸气和水的焓差； 表示在没有冷凝情况下汽包内蒸汽体积；Td是蒸汽在汽包内的
停留时间；
[0035] Vwd为汽包内水的总体积，等于系统总的水体积Vwt减去下降管中水的体积Vdc和接收板中水的体积 其中下标dc表示下降管，下标r表示接收板， 表示整个接收板内蒸汽的平均体积百分比：
[0036] l为汽包液位，等于汽包中液位下水体积Vwd与液位下蒸汽体积Vsd除以汽包平均横截面积Ad，具体公式如下：
[0037]
[0038] 3)建立塔式太阳能热电站管状接收器接受板分布式能量守恒、质量守恒模型；
[0039] 接收板一共由m
根管子组成，将每根管子分成n段，则可将接收板分为m×n个小模
块，考虑第i(0＜i≤m)根竖直管，对其第j(0≤j≤n)段进行模块建模，该段中，ρ(i,j)代表汽水混合密度，q(i,j)代表质量流率，A(i,j)代表管的横截面面积，V(i,j)是体积，h(i,j)是比焓，Q(i,j)是提供给该段流体的热量，z(i,j)为该段长度；
[0040] 得到质量、能量守恒方程如下，其中，qdc,qr分别表示该段入口、出口流体流速：
[0041]
[0042] 上式中αr(i,0),表示的是第一段管子的入口蒸汽含量，由于入口是饱和水，故有αr(i,0)＝0；
[0043] 接收板金属管壁温度为Tm,接收板金属质量为mr，金属热容为Cp，金属接受到的能量为Qm，换热面积为Ai，
对流传热系数为hi，对管壁进行动态建模：
[0044]
[0045] 则管壁传递给接收器内部工质热量为
[0046] Q(i,j)＝Aihi(Tm(i,j)-Ts(i,j)) (12)
[0047] 根据接收板和下降管的动量守恒可得第i根管子的入口流量qdc0， 表示第i根管子中的流体所含蒸汽体积百分比，V0(i)表示第i根管子的体积，k为接收板和下降管循环回路
摩擦系数：
[0048]
[0049] 其中
[0050]
[0051] 4)建立水和蒸汽物性关系模型；
[0052] 5)利用联立求解的方法对所述管状接收器分布式模型进行求解。
[0053] 所述步骤3)中塔式太阳能热电站管状接收器接受板分布式能量守恒、质量守恒模型推导步骤如下：
[0054] 列写质量、能量守恒方程：
[0055]
[0056] αm表示流体中蒸汽所占的质量百分比，hs、hw分别表示
饱和蒸汽和饱和水的比焓，则流体比焓h(i,j)可表示为:
[0057] h(i,j)＝αm(i,j)hs+(1-αm(i,j))hw＝αm(i,j)hc+hw (16)
[0058] 稳态时，质量、能量守恒为：
[0059]
[0060] 由(17)可得：
[0061]
[0062] 在该段中，某个时刻的热量Q(i,j)，截面积A(i,j)，流量q(i,j)，体积V(i,j)均为定值，可见αm(i,j)与z(i,j)呈线性关系。做如下归一：设ξ为一个线性系数，相应于上升管长度，αr为该段出口蒸汽质量百分比，则沿长度的质量比是：
[0063] αm(i,j)＝αr(i,j)ξ0≤ξ≤1 (19)
[0064] 而体积比αv(i,j)与质量比αm(i,j)的关系如下：
[0065]
[0066] 从而可以得到平均体积比
[0067]
[0068] 所述步骤2)整个接收板内流体所含蒸汽的体积百分比 为每个模块 等效和，结果如下：
[0069]
[0070] 所述步骤4)建立水和蒸汽物性关系模型是水和蒸汽性质国际协会公布的工业标准IAPWS-IF97。
[0071] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0072] 由于本发明管状接收器的建模方法考虑了聚集在接收板上的太阳辐射能是不均匀分布的，采用分布式建模，对接收板进行网格化，因此可以仿真模拟出接收器各个部位内部介质动态特性，获得更为准确的产汽量及汽包液位。且所述模型可以仿真得出接收板各部位管壁温度受太阳辐射扰动的影响，涉及接收器运行的安全性，该结果可以为电站设计聚焦策略提供依据。
附图说明
[0073] 图1为管状式接收器模型示意图，图1(a)为正面示意图，图1(b)为侧面示意图；
[0074] 图2为管状式接收器接受板第i根竖直管分布式模型示意图；
[0075] 图3为接受器上能量分布示意图；
[0076] 图4为分布参数模型与集总参数模型系统压力对比图；
[0077] 图5为分布参数模型与集总参数模型接收板出口蒸汽所占质量比对比图；
[0078] 图6为分布参数模型与集总参数模型接收板出口工质流量对比图；
[0079] 图7为分布参数模型与集总参数模型接收板内蒸汽体积百分比对比图；
[0080] 图8为分布参数模型与集总参数模型汽包液位对比图；
[0081] 图9为分布参数模型接收器管壁温度。
具体实施方式
[0082] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0083] 测量当日太阳辐射DNI值，根据热电站镜面反射面积、镜场效率、阶段效率、定日镜反射率和接收器效率，计算得到提供给接受板内工质的太阳能热量Q；测量得到给水流量qf、蒸汽流量qs。
[0084] 能量Q计算公式如下：
[0085] Q＝DNI×Sm×η镜场效率×ηtrunc×ηref×ηclr (1)
[0086] 系统质量守恒：
[0087]
[0088] 系统能量守恒：
[0089]
[0090] 其中，ρ为密度，h为比焓，Cp为金属热容，T为温度，V为体积，p为系统压力；下标s表示蒸汽，w表示水，m表示金属，t表示整个系统；Vst、Vwt分别为总的蒸汽体积和水体积，Vt为整个系统总体积，则有：
[0091] Vt＝Vst+Vwt (4)
[0092] 步骤(2)建立塔式太阳能热电站管状接收器汽包质量守恒、能量守恒模型。
[0093] 如图1(b)所示，蒸汽和水混合物从接收板上升管进入汽包，给水也进入汽包，水从汽包流出进入下降管，蒸汽从阀门离开汽包，下标d表示汽包，则Vsd、Vwd分别表示汽包液面下蒸汽和水的体积，qsd表示汽包液面下水蒸发成蒸汽的流量，qcd表示汽包液面上蒸汽冷凝成水的流量，qr表示流出接受板、流入汽包的工质流量，αr表示工质流量qr中的蒸汽质量百分比，汽包液面下质量平衡方程如下：
[0094]
[0095] 其中：
[0096]
[0097] qsd为一个经验模型，β为经验参数：
[0098]
[0099] 其中hc＝hs-hf，表示水蒸气和水的焓差； 表示在没有冷凝情况下汽包内蒸汽体积；Td是蒸汽在汽包内的停留时间。
[0100] Vwd为汽包内水的总体积，等于系统总的水体积Vwt减去下降管中水的体积Vdc和接收板中水的体积 其中下标dc表示下降管，下标r表示接收板， 表示整个接收板内蒸汽的平均体积百分比：
[0101]
[0102] l为汽包液位，等于汽包中液位下水体积Vwd与液位下蒸汽体积Vsd除以汽包平均横截面积Ad，具体公式如下：
[0103]
[0104] 步骤(3)建立塔式太阳能热电站管状接收器接受面板分布式能量守恒、质量守恒模型。
[0105] 如图2所示，接收板一共有m根管子组成，将每根管子分成n段，则可将接收板分为m×n个小模块，考虑第i(0＜i≤m)根竖直管，对其第j(0≤j≤n)段进行模块建模，该段中，ρ(i,j)代表汽水混合密度，q(i,j)代表质量流率，A(i,j)代表管的横截面面积，V(i,j)是体积，h(i,j)是比焓，Q(i,j)是提供给该段流体的热量，z(i,j)为该段长度。
[0106] 列写质量、能量守恒方程：
[0107]
[0108] αm表示混合物中蒸汽所占的质量百分比，hs、hw分别表示饱和蒸汽和饱和水的比焓，则流体比焓h(i,j)可表示为:
[0109] h(i,j)＝αm(i,j)hs+(1-αm(i,j))hw＝αm(i,j)hc+hw (11)
[0110] 稳态时，质量、能量守恒为：
[0111]
[0112] 由(12)可得：
[0113]
[0114] 在该段中，某个时刻的热量Q(i,j)，截面积A(i,j)，流量q(i,j)，体积V(i,j)均为定值，可见αm(i,j)与z(i,j)呈线性关系。做如下归一：设ξ为一个线性系数(相应于上升管长度)，为该段出口蒸汽质量百分比，则沿长度的质量比是：
[0115] αm(i,j)＝αr(i,j)ξ 0≤ξ≤1 (14)
[0116] 而体积比αv(i,j)与质量比αm(i,j)的关系如下：
[0117]
[0118] 从而可以得到平均体积比
[0119]
[0120] 整个接收板内流体所含蒸汽的体积百分比 为每个模块 等效和，结果如下：
[0121]
[0122] 将公式(10)在长度维z(i,j)积分，改写后的质量、能量守恒方程如下，其中，qdc,qr分别表示该段入口、出口流体流速：
[0123]
[0124] 上式中涉及到αr(i,0),表示的是第一段管子的入口蒸汽含量，由于入口是饱和水，故有αr(i,0)＝0。
[0125] 设接收板金属管壁温度为Tm,金属质量为mr，金属热容为Cp，金属接受到的能量为Qm，换热面积为Ai，对流传热系数为hi，对管壁进行动态建模：
[0126]
[0127] 则管壁传递给接收器内部工质热量为
[0128] Q(i,j)＝Aihi(Tm(i,j)-Ts(i,j)) (20)
[0129] 根据接收板和下降管的动量守恒可得第i根管子的入口流量qdc0， 表示第i根管子中的流体所含蒸汽体积百分比，V0(i)表示第i根管子的体积，k为接收板和下降管循环回路摩擦系数：
[0130]
[0131] 其中
[0132]
[0133] 步骤(4)建立水和蒸汽物性关系模型。由于本发明模型假设整个系统为饱和态，因此水和蒸汽关系模型参照水和蒸汽性质国际协会公布的工业标准IAPWS-IF97中的区域4(饱和态)方程。
[0134] 步骤(5)利用联立求解的方法对所述管状接收器分布式模型进行求解。联立法求解可在不同
软件平台上实现，如AMPL、GAMS、gPROMS等。
[0135] 本发明
实施例的求解平台是gPROMS。gPROMS过程模拟软件是对工艺设备及流程进行仿真建模及设计优化的新一代通用过程模拟平台，起源于英国帝国理工大学，具有世界领先的过程模拟能力及多项特有的仿真技术。
[0136] 1)分布参数模型与集总参数模型对比
[0137] 根据2013年7月25日实际DNI值，利用全镜场聚焦接收器的建模仿真，得到接收器接收到的总能量为300.44KW，分别对接收器的集总参数模型和分布参数模型进行仿真，保持汽包进水量与放汽量恒定在0.132kg/s，仿真到100s，接收器接收到的能量阶跃到330KW，比较仿真结果。
[0138] 由图4可知，由于分布参数模型和集总参数模型接收器接收到的能量相同，进水量和排汽量相同，根据能量守恒，两种模型仿真得到的系统压力(即工质温度)结果基本一致。
[0139] 由图5可知，集总参数模型出口蒸汽质量比小于分布参数模型出口蒸汽质量比，这是由于集总参数模型接收器能量分布均匀，而分布参数模型接收器上能量不均匀，具有中间能量高，两边能量逐渐减小的特点，更符合实际情况。
[0140] 由图6可知，集总参数模型出口工质流量大于分布参数模型出口工质流量，这是由于集总参数模型接收器能量分布均匀，而分布参数模型接收器上能量不均匀，具有中间能量高，两边能量逐渐减小的特点，更符合实际情况。
[0141] 由图7可知，集总参数模型接收板内蒸汽体积百分比大于分布参数模型接收板内蒸汽体积百分比，这是由于循环速率的平方与接收板内蒸汽体积百分比呈正比关系，集总参数模型的循环速率，即图6所示的出口工质流量，比分布参数模型的循环速率高，故集总参数模型接收板内蒸汽体积百分比比分布参数模型接收板内蒸汽体积百分比高。
[0142] 由图8可知，集总参数模型汽包液位大于分布参数模型汽包液位，这是由于两种模型总的蒸汽体积相同，而集总参数模型在接收板内蒸汽体积大于分布参数模型在接收板内蒸汽体积，故分布参数模型在汽包中的蒸汽体积要大于集总参数模型，从而导致集总参数模型汽包液位大于分布参数模型汽包液位。
[0143] 2)接收板管壁温度分析
[0144] 图9为塔式太阳能热电站管状接收器的分布参数模型，在100s时接收器接收到的能量阶跃10％，接收器上某5段的金属升温情况，以及接收器集总参数模型(接收到热量分布均匀)，在100s时将接收器接收到的能量阶跃10％，接收器整体金属升温情况。如图6可见，能量阶跃后，金属温度均上升，但是分布参数模型段3(接收器中间段，接受能量最密集处)的升温明显大于段2、3、4、5(接收器边缘段，接受能量较少)，由于段2和段4在接收器上位于对称部位，故两条曲线基本重合；同理，段3和段5两条曲线也基本重合。具体数值如表3所示，集总参数模型金属升温速度为36.85℃/h，只能反映整个接收器的平均升温速度，而分布参数模型则可表示不同部位金属升温情况，如段3的升温速度已经达到44.08℃/h，逼近规范要求的55℃/h，如果太阳辐射扰动较大，就可能导致接收器局部升温太快，毁坏设备。
[0145] 表3
[0146]模型 200s内升温度数(℃) 升温速度
[0147] (℃/h)
集总参数模型 2.05 36.85
分布参数段模型1 1.80 32.45
分布参数段模型2 2.21 39.76
分布参数段模型3 2.45 44.08
分布参数段模型4 2.21 39.78
分布参数段模型5 1.80 32.45
