CN110345650B - 一种光热电站外置式吸热器的设计方法 - Google Patents

一种光热电站外置式吸热器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光热电站外置式吸热器的设计方法，属于光热电站设计技术领域。包括以下步骤，1）、吸热器熔盐流量计算及吸热管内熔盐流量计算；2）、金属管壁与熔盐换热系数的计算方法；3）、能流密度图的分析；4）、建立吸热器及吸热管的热物理模型；5）、建立完整热力学模型，建立热平衡公式；6）、分析并建立数学模型，7）、求得吸热管壁温和吸热管内膜温的数值，并进行应力危险点分析，指导吸热器设备运行。本发明是一种光热电站外置式吸热器的设计方法，能够代替传统的吸热器设计方法，可靠、精确，极大优化吸热器设计热效率，保证设备安全长周期运行，为减少设备造价提高整个电站性能提供了保障。

Description

一种光热电站外置式吸热器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种光热电站外置式吸热器的设计方法，属于光热电站设计技术领域。
背景技术
外置式熔盐吸热器是塔式熔盐光热电站中最重要的组成部分，吸热器设备的投资在整个塔式光热电站中的占比很高，所以如何设计吸热器以提高吸热器热效率并保证长期安全可靠运行，从而提高全厂光热转化效率，对于提高整个电站的整体性能最为重要。吸热器由多根金属吸热管并排组成，熔盐介质在吸热管中流动从而吸收镜场反射来的太阳光能，设备运行温度高管道热应力大。传统的外置式熔盐吸热器设计方法采用估算吸热器表面允许最大能量分布，然后沿吸热管进行单一轴向计算的方法得出吸热器效率；传统设计方法认为吸热管同一截面温度一致，未考虑运行时沿管道周向方向的温度变化，从而传统方法计算得出辐射损失、对流损失和热效率与实际数值差别很大。并且传统方法只考虑管道轴向方向温度变化引起的热应力，忽略了管道周向温度梯度产生的热应力，从而使得应力计算结果不全面，有可能造成设计方法原因引起的设备安全运行风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种光热电站外置式吸热器的设计方法，来可靠、精确地优化吸热器设计热效率，保证设备安全长周期运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种光热电站外置式吸热器的设计方法，包括以下步骤，
1)、吸热器熔盐流量计算及吸热管内熔盐流量计算，具体的是根据电站出力和熔盐进出口参数确定通过吸热器的总熔盐量；
2)、金属管壁与熔盐换热系数的计算方法，具体的是根据管内熔盐介质的流态分析确定吸热器内熔盐整体换热系数；
3)、能流密度图的分析，对镜场反射后入射到吸热器表面的能量进行能流密度图模块划分及分析，获得每个模块的输入能量；
4)、建立吸热器及吸热管的热物理模型，对吸热器进行模块化分解并根据实际物理形态建立热物理模型，综合考虑管道轴向、径向和管道周向三个方向的传热形态；
5)、建立完整热力学模型，建立热力学计算模型，建立热平衡公式，通过热力学计算模型分析获得热损失计算方法和吸热量计算方法；
6)、分析并建立数学模型，对数学模型分析，采用迭代的和并行计算的方式最终获得符合实际工况的精确解，并获得优化的吸热器热效率数值；
7)、求得吸热管壁温和吸热管内膜温的数值，并进行应力危险点分析，指导吸热器设备运行。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1中熔盐总流量计算公式为M＝Pth,rated/Cp(Tout–Tin)。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2中吸热器熔盐换热系数计算公式为
Figure GDA0002577357820000021
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4的吸热器及吸热管的热物理模型建立过程如下，
(1)、模块出口熔盐温度计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000022
式中qt为换热管吸收的热量；
(2)、第j微元的管外壁温度公式如下，
Figure GDA0002577357820000031
式中qt为换热管吸收的热量；U0为换热系数；
(3)、第j微元的辐射能积分计算：
Figure GDA0002577357820000032
式中qt为换热管吸收的热量；U0为换热系数。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤5中基于微元的热平衡公式如下，
Figure GDA0002577357820000033
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤5中微元对外环境对流损失计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000034
吸热管的吸热量计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000035
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤6中出口处熔盐平均温度计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000036
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤7中吸热管壁温和吸热管内膜温计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000041
本发明技术方案的进一步改进在于：优化的吸热器热效率数值计算公式为，σeff＝Qt/Qinc，式中的Qinc为入射太阳能能量值。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
1、本发明能够提高吸热器设计精度，该方法通过采用精确的物理和热力学模型和数学模型并进行迭代求解的有限元计算的设计方法，极大提高了核心设备吸热器的设计精度，设计方法经过工程验证精确度高。
2、本发明能够提高全厂光热转化效率，该方法通过对吸热器的辐射损失、自然对流损失、强制对流损失计算精度极大提高，从而优化了吸热器的设计效率，并根据吸热器的热力学计算结果对镜场布置进行优化反馈，本设计方法实现了镜场和吸热器的耦合优化，在降低电站设备投资的同时，提高了全厂的光热转化效率。
3、本发明能够为吸热器的结构优化提供依据。传统设计方法未考虑运行时沿管道周向方向的温度变化，从而用传统方法计算得出热损失和热效率与实际数值差别很大；本发明采用的设计方法通过对轴向、周向等多方向传热变化进行求解分析，从而对吸热器结构优化提供了依据；
4、本发明能够为电站的安全运行提供可靠支持，该方面采用设计方法，通过对吸热器表面微小单元的温度和能流变化情况进行分析，并且对吸热管周向金属温度和膜温进行计算分析控制，从而为吸热器的长周期安全运行提供了有效的支持和依据，可以有效避免堵管爆管的风险发生，提高了光热电站运行的安全性。
附图说明
图1是本发明熔盐流动示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了一种光热电站外置式吸热器的设计方法，用于对光电热站的外置式吸热其进行设计。该方法的主体思路为，通过引入物理和热力学模型以及数学模型，并进行迭代求解的有限元计算，来提高核心设备吸热器的设计精度。图1是熔盐流动示意图。该方法包括以下步骤，
1)、吸热器熔盐流量计算及吸热管内熔盐流量计算，具体的是根据电站出力和熔盐进出口参数确定通过吸热器的总熔盐量；其中，熔盐总流量计算公式为M＝Pth,rated/Cp(Tout–Tin)。式中，Tout为出口处熔盐温度，Tin为进口处熔盐温度。
2)、金属管壁与熔盐换热系数的计算方法，具体的是根据管内熔盐介质的流态分析确定吸热器内熔盐整体换热系数；吸热器熔盐换热系数计算公式为
Figure GDA0002577357820000051
3)、能流密度图的分析，对镜场反射后入射到吸热器表面的能量进行能流密度图模块划分及分析，获得每个模块的输入能量。
4)、建立吸热器及吸热管的热物理模型，对吸热器进行模块化分解并根据实际物理形态建立热物理模型，综合考虑管道轴向、径向和管道周向三个方向的传热形态；吸热器及吸热管的热物理模型建立过程如下，
(1)、模块出口熔盐温度计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000052
式中qt为换热管吸收的热量；
(2)、第j微元的管外壁温度计算：
Figure GDA0002577357820000061
式中qt为换热管吸收的热量；U0为换热系数；
(3)、第j微元的辐射能积分计算：
Figure GDA0002577357820000062
式中qt为换热管吸收的热量；U0为换热系数。
5)、建立完整热力学模型，建立热力学计算模型，建立热平衡公式，通过热力学计算模型分析能够获得热损失计算方法和吸热量计算方法；
基于微元的热平衡公式如下，
Figure GDA0002577357820000063
微元对外环境对流损失计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000064
吸热管的吸热量计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000065
6)、分析并建立数学模型，对数学模型分析，采用迭代的和并行计算的方式最终获得符合实际工况的精确解，并获得优化的吸热器热效率数值。此处的精确解就是指上述的熔盐温度，吸热器管壁温度，吸热管内膜温度，吸热量，效率等的精确求解值。优化的吸热器热效率数值计算公式为，σeff＝Qt/Qinc，式中的Qinc为入射太阳能能量值。
出口处熔盐平均温度计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000071
7)、求得吸热管壁温和吸热管内膜温的数值，能够进行应力危险点分析，指导吸热器设备运行。求得温度值后，如果温度数值高于正常值的为危险点。
其中吸热管壁温和吸热管内膜温计算公式如下，
Figure GDA0002577357820000072
本发明是一种光热电站外置式吸热器的设计方法，尤其适用于大型的光热电站的设计。该方法能够代替传统的吸热器设计方法，可靠、精确，极大优化吸热器设计热效率，保证设备安全长周期运行，为减少设备造价提高整个电站性能提供了保障。

Claims (8)

1.一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)、吸热器熔盐流量计算及吸热管内熔盐流量计算，具体的是根据电站出力和熔盐进出口参数确定通过吸热器的总熔盐量；
2)、金属管壁与熔盐换热系数的计算方法，具体的是根据管内熔盐介质的流态分析确定吸热器内熔盐整体换热系数；
3)、能流密度图的分析，对镜场反射后入射到吸热器表面的能量进行能流密度图模块划分及分析，获得每个模块的输入能量；
4)、建立吸热器及吸热管的热物理模型，对吸热器进行模块化分解并根据实际物理形态建立热物理模型，综合考虑管道轴向、径向和管道周向三个方向的传热形态；吸热器及吸热管的热物理模型建立过程如下，
(1)、模块出口熔盐温度计算公式如下，
Figure FDA0002593888240000011
式中qt为换热管吸收的热量；
(2)、第j微元的管外壁温度公式如下，
Figure FDA0002593888240000012
式中qt为换热管吸收的热量；U0为换热系数；
(3)、第j微元的辐射能积分计算：
Figure FDA0002593888240000013
式中qt为换热管吸收的热量；U0为换热系数；
5)、建立完整热力学模型，建立热力学计算模型，建立热平衡公式，通过热力学计算模型分析获得热损失计算方法和吸热量计算方法；
6)、分析并建立数学模型，对数学模型分析，采用迭代的和并行计算的方式最终获得符合实际工况的精确解，并获得优化的吸热器热效率数值；
7)、求得吸热管壁温和吸热管内膜温的数值，并进行应力危险点分析，指导吸热器设备运行。
2.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：步骤1中熔盐总流量计算公式为M＝Pth,rated/Cp(Tout–Tin)。
3.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：步骤2中吸热器熔盐换热系数计算公式为
Figure FDA0002593888240000021
4.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：步骤5中基于微元的热平衡公式如下，
Figure FDA0002593888240000022
5.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：步骤5中微元对外环境对流损失计算公式如下，
Figure FDA0002593888240000023
吸热管的吸热量计算公式如下，
Figure FDA0002593888240000024
6.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：步骤6中出口处熔盐平均温度计算公式如下，
Figure FDA0002593888240000031
7.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：步骤7中吸热管壁温和吸热管内膜温计算公式如下，
Figure FDA0002593888240000032
8.根据权利要求1所述的一种光热电站外置式吸热器的设计方法，其特征在于：优化的吸热器热效率数值计算公式为，σeff＝Qt/Qinc，式中的Qinc为入射太阳能能量值。
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