[发明专利]塔式太阳能热电站管状接收器的分布参数建模方法

摘要

本发明公开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。该方法建立了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，汽包质量守恒、能量守恒模型，接受面板分布式质量守恒、能量守恒模型。利用联立法对模型进行求解，并分析接收器管壁金属升温特性。本发明采用分布式建模，考虑到接收器接受到能量不均匀分布特性，相对于现有的集总参数模型，仿真结果更接近实际情况。利用本发明模型，可以仿真出接收器金属在太阳辐射扰动下的升温特性，进而解决接收器安全运行问题。

主权项

一种塔式太阳能热电站管状接收器的分布参数建模方法，其特征在于，包括以下步骤：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；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、截断效率、定日镜反射率和接收器效率，计算得到提供给接收板内工质的太阳能热量Q；测量得到给水流量qf、水蒸气流量qs；太阳能热量Q计算公式如下：Q＝DNI×Sm×η镜场效率×ηtrunc×ηref×ηclr (1)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；ηtrunc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；管状接收器系统质量守恒如下：ddt[ρsVst+ρwVwt]=qf-qs---(2)]]>管状接收器系统能量守恒如下：ddt[ρshsVst+ρwhwVwt-pVt+mtCpTm]=Q+qfhf-qshs---(3)]]>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表示水蒸气，w表示水，t表示整个系统；Vst、Vwt分别为总的水蒸气体积和水体积，Vt为整个系统总体积，则有：Vt＝Vst+Vwt (4)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；水蒸气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，水蒸气从阀门离开汽包，下标d表示汽包，则Vsd、Vwd分别表示汽包液面下水蒸气和水的体积，qsd表示汽包液面下水蒸发成水蒸气的流量，qcd表示汽包液面上水蒸气冷凝成水的流量，qr表示流出接收板、流入汽包的工质流量，αr表示工质流量qr中的水蒸气质量百分比，汽包液面下质量平衡方程如下：ddt(ρsVsd)=αrqr-qsd-qcd---(5)]]>其中：qcd=hw-hfhcqf+1hc(ρsVsddhsdt+ρwVwddhwdt-(Vsd+Vwt)dpdt+mdCpdTsdt)---(6)]]>qsd为一个经验模型，β为经验参数：qsd=ρsTd(Vsd-Vsd0)+αrqdc+αrβ(qdc-qr)---(7)]]>其中hc＝hs‑hw，表示水蒸气和水的焓差，hs和hw分别表示饱和水蒸气和饱和水的比焓；表示在没有冷凝情况下汽包内水蒸气体积；Td是水蒸气在汽包内的停留时间；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，表示整个接收板内水蒸气的平均体积百分比：Vwd=Vwt-Vdc-(1-α‾v)Vr---(8)]]>l为汽包液位，等于汽包中液位下水体积Vwd与液位下水蒸气体积Vsd除以汽包平均横截面积Ad，具体公式如下：l=Vwd+VsdAd---(9)]]>3)建立塔式太阳能热电站管状接收器接收板分布式能量守恒、质量守恒模型；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根竖直管，对其第j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)是第i根管子的第j段管壁传递给该段管子内部工质的热量，z(i,j)为该段长度；得到质量、能量守恒方程如下，其中，qdc(i,j),qr(i,j)分别表示该段入口、出口流体流速：ddt(ρsα‾v(i,j)V(i,j)+ρw(1-α‾v(i,j))V(i,j))=qdc(i,j)-qr(i,j)ddt(ρshsα‾v(i,j)V(i,j)+ρwhw(1-α‾v(i,j))V(i,j)-pVr(i,j)+mr(i,j)CpTs)=qdc(i,j)(αr(i,j-1)hc+hw)+Q(i,j)-(αr(i,j)hc+hw)qr(i,j)---(10)]]>上式中αr(i,0)表示的是第一段管子的入口水蒸气含量，由于入口是饱和水，故有αr(i,0)＝0；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，金属接收到的能量为Qm，换热面积为Ai，对流传热系数为hi，对管壁进行动态建模：mrCpdTmdt=Qm(i,j)-Aiki(Tm(i,j)-Ts(i,j))---(11)]]>则第i根管子的第j段管壁传递给该段管子内部工质的热量为Q(i,j)＝Aihi(Tm(i,j)‑Ts(i,j)) (12)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水蒸气体积百分比，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，12kqdc02(i)=ρwAdc(ρw-ρs)gα‾v0(i)V0(i)---(13)]]>其中V0(i)=Σj=1nV(i,j)α‾v0(i)=Σj=1nα‾v0(i,j)×V(i,j)V0(i)---(14)]]>4)建立水和水蒸气物性关系模型；5)利用联立求解的方法对管状接收器分布式模型进行求解。