Новый двойной контур питательной воды для солнечной электростанции с параболическим желобом

Nov 01, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7471 (2023) Цитировать эту статью

663 доступа

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Утвержденная динамическая модель электростанции с параболическим желобом (ПТЭС) усовершенствована за счет сочетания нового контура питательной воды (питательная вода/контур HTF) и эталонного контура питательной воды (питательная вода/паровой контур), а также разработки модели паровой турбины. . Такая конструкция представляет собой первую попытку исследования по использованию двойного контура питательной воды внутри ПТЭС для увеличения выходной мощности в дневное время с 50 до 68 МВтэл. и увеличения времени работы в ночное время при меньших затратах. Целью увеличения продолжительности работы в ночное время при мощности (48 МВт эл.), как в эталонной ПТЭС, является отказ от резервной системы, работающей на ископаемом топливе, и использование только поглощенной солнечной энергии и энергии, запасенной в расплавленной соли. В светлое время суток контур питательной воды работает с использованием питательной воды/HTF. В переходный период контур питательной воды/HTF будет постепенно закрываться из-за уменьшения солнечной радиации. Кроме того, остальная часть номинального массового расхода питательной воды (49 кг/с) постепенно пополняется из контура питательной воды/пара. После захода солнца вся питательная вода нагревается за счет пара, отбираемого из турбины. Целью этого улучшения является увеличение количества часов работы в ночное время за счет снижения номинальной нагрузки с 61,93 до 48 МВт эл. энергии в результате низкого спроса на электроэнергию в вечерние часы. Поэтому сравнительное исследование между эталонной моделью и этой оптимизацией (оптимизация 2) проводится в ясные дни (26–27 июня и 13–14 июля 2010 г.), чтобы понять влияние двойного контура питательной воды. Сравнение показывает, что часы работы энергоблока (ПБ) будут явно увеличены. Более того, это улучшение снижается в зависимости от системы ископаемого топлива в ночное время. На последнем этапе был проведен экономический анализ затрат на упомянутую и оптимизированную PTPP в зависимости от приведенной стоимости энергии (LEC). Результаты показывают, что удельные затраты энергии ПТЭС с емкостью хранения 7,5 ч снижаются примерно на 14,5% за счет увеличения мощности ПТЭС с 50 до 68 МВт эл.

Использование концентрированной солнечной энергии (КСЭ) для производства электроэнергии является ключевым шагом в направлении экологически устойчивого роста и предлагает весьма предпочтительную альтернативу против деградации атмосферы1, 2. Используются технологии КСЭ для достижения высоких температур. Установки CSP ориентированы на прямое солнечное излучение на узких участках, что позволяет достигать высоких температур. В технологиях CSP параболический желоб (ПТ) можно рассматривать как усовершенствованную технологию под установками CSP, которая также продемонстрировала свою экономическую целесообразность3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17. Например, ПТПП способны достигать температуры, приближающейся к 395 °C18. Такие электростанции имеют систему аккумулирования тепла (TSS) для непрерывного производства электроэнергии в течение нескольких часов при отсутствии солнечного света6.

В дополнение к экспериментальным исследованиям имитационное моделирование PTPP помогает понять работу системы, ее потенциал и ограничения. Улучшения и реконфигурации энергетических систем обычно начинаются с моделирования процессов в установившемся режиме. В отличие от этого, использование динамического моделирования позволяет пользователям и инженерам разрабатывать более эффективные стратегии эксплуатации и предложения по управлению технологическими процессами17, 19. На данный момент были проведены различные виды экспериментов по моделированию и моделированию PTPP. Основными целями этих усилий были проверка достоверности модели достижений и тестирование различных операционных подходов. Ниже представлен широкий обзор исследований динамического моделирования, связанных с PTPP.

Юаньцзин и др. 1 предложил усовершенствовать солнечную тепловую электростанцию ​​с параболическим акведуком мощностью 30 МВт. Они указали модель для всей производительности завода. Рассчитана коммерческая программа Ebsilon для построения имитационной модели завода (SEGS VI). Далее был проведен анализ работы двух установок в конкретной конструкции и условиях эксплуатации. Кроме того, они оценили все факторы реализации SEGS VI с помощью расширенной системы. Результаты показывают, что эффективность солнечного поля повышается примерно на 0,52%, а общая производительность электростанций повышается примерно на 0,22% при рабочей атмосфере. При этом коллекторы солнечного аспекта увеличиваются, что дает большие возможности применения. Лю и др.20 разработали модальный прогнозирующий регулятор, позволяющий объединить истинную энергетическую нагрузку с информацией для прогнозных климатических данных, чтобы снизить совокупное потребление угля в определенный день и определенное время. Кроме того, они проводили моделирование в течение десяти дней подряд, чтобы увидеть преимущества и рабочие процедуры модели прогнозирующего регулятора. Было проведено сравнение между традиционным регулятором и прогнозами нагрузки. Моделирование конкретного дня показывает, что сокращение потребления угля с использованием метода прогнозирующего регулятора увеличилось примерно (21,3 тонны) на 13,6%, тогда как в последующие десять дней моделирования оно составило 20,3%. Сделан вывод, что внедрение солнечного коллектора, а также параболического желоба, работающего на угле, улучшило понимание преимуществ и ограничений использования метода прогнозирующего регулятора в рабочем процессе. Выбор конденсаторного охлаждения, скорее всего, повлияет на технико-экономическую целесообразность. В связи с этим предпринимаются усилия по оценке срока службы способности снижения выбросов в эквиваленте CO2 (LCCM) для минимальной мощности (50 МВт) как сухого, так и мокрого охлаждения. Азери и др.3 Провели это исследование в Индии с использованием двух регионов (PTSC), а также (SPT) установок CSP с сухим охлаждением (6,0 ч) хранения тепловой энергии. Результаты показали, что сухое охлаждение может сэкономить большое количество воды на 91,99% на этих установках, что соответствует установкам мокрого охлаждения. Ван и др.21 предложили, изготовили и экспериментировали с уникальным приемником солнечной энергии с параболическим каналом с радиационной защитой, в соответствии с подходом зоны отрицательного теплового потока, для улучшения характеристик преобразования солнечной энергии в тепловую для коллектора рабочего канала после его деградации. при максимальных рабочих температурах. Они установили математические закономерности сбора тепла, а также экономическую оценку. Результаты моделирования хорошо согласуются с практическими данными. Всесторонне изучены технико-экономические возможности солнечных электростанций, создающих представленные солнечные приемники в трех регионах с различной установленной мощностью и теплоаккумулирующими мощностями. Результаты показали, что представленный солнечный приемник обладает замечательной возможностью существенного улучшения технико-экономических показателей солнечной энергетической системы. При этом улучшение годовой полезной выработки электроэнергии солнечной энергосистемой с представленными солнечными приемниками, размещенными в Дуньхуане, составляет около 9,77%, а снижение приведенной стоимости электроэнергии составляет около 8,67%. Манеш и др.22 осуществили разработку электростанции совместного использования в городе Кум, которая была запущена на основе многократного процесса опреснения солнечной энергии. Учитывая это, они провели (6E) исследование энергетики, эксергии, экономического воздействия, эксэргоэкологической, развивающейся экономики и эмергоэкологической ситуации. Кроме того, они использовали многокритериальный генетический алгоритм (MOGA) для уточнения предложенного цикла на основе (6 E)-анализа. Результаты показали, что эффективность предлагаемого растения улучшилась на 3,22%. Кроме того, после оптимизации и в лучших рабочих состояниях цены на выработку энергии, экологические последствия производства электроэнергии, цены на производство пресной воды, экологические последствия производства пресной воды и энергия предлагаемой системы снизились примерно на 6,27%, 24,51%, 36,51. %, 26,13% и 1,87% соответственно. Линруи и др.4 создали модель электростанции с параболическим желобом и исследовали стратегию ее эксплуатации. Имеется солнечное поле, а также обтекаемый силовой блок. Они продемонстрировали, что принятая технология увеличила выработку электроэнергии на 3,4 процента по сравнению с исходной стратегией. Вэй и др.23 разработали новую схему динамического анализа локомотивов с теплообменниками. Кроме того, впервые предложена простая аналитическая схема комбинированной параболической желобной КСП, включающей в себя часть ВТС, подсистему энергомассы и накопителя тепловой энергии. Сверка текущих данных платформы с расчетными данными на установке Andasol II была проведена для демонстрации точности интегрированной схемы. Каждый результат проверки стационарного случая и нескольких динамических сценариев показывает, что представленный шаблон может описывать основные операции системы с приемлемой точностью и вычислительной производительностью. Учитывая преимущества надежности и ясности, интегрированный шаблон можно использовать для разработки и оценки системных средств управления объектами CSP. Системы ASI предоставляют данные DNI для всего завода с разрешением (20 × 20 м2), тогда как система теневых камер предоставляет данные DNI с разрешением (5 × 5 м2). Оба метода отслеживают движение облаков и в результате дают краткосрочные прогнозы до 30 минут. Эти прогнозы используются для сложных методов регулирования солнечной энергетики, потенциально увеличивая общую урожайность электростанции до 2%24. Лю и др.9 представили систему SAPG, которая предварительно нагревает питательную воду с помощью параболического желоба и нагревает пар с помощью солнечной башни. Была исследована производительность системы при трех различных нагрузках (100%, 75% и 50%), а также нормальная часовая производительность в течение четырех типичных дней. Это может привести к увеличению солнечной эксергии более чем на (10%). Арслан и др.25 исследовали нижнюю область Солнца в петле Ренкина. они оценили несколько параметров, таких как R600a, толуол и циклопентан. Кроме того, они спроектировали установку, включающую в себя солнечную электростанцию, подстанцию ​​по хранению тепловой энергии и энергоблок для круглосуточной работы без внешнего источника энергии. Было обнаружено, что традиционные контуры имеют лучшую конструкцию с чистым коэффициентом 0,0009012 миллиардов долларов США, и они определили наилучшую температуру и давление на входе в турбину как 380 °C и 3,25 бар соответственно. Параболический желоб на основе солнечной электростанции зависит от снижения приведенной стоимости электроэнергии за счет прямой рециркуляции расплавленной соли. В этом исследовании подчеркиваются изменения и проблемы, которые имеют отношение к замене термических масел расплавленными солями, такие как коэффициент теплопередачи, снижение давления, решения для сопротивления замерзанию, конструкция энергетического блока и цена. Результаты показали, что снижение давления в солнечной области происходит быстрее, чем при движении расплавленных солей, а не термического масла, из-за повышенных рабочих диапазонов температур12. Рао и др.26 создали уникальный термодинамический прототип для воспроизведения поведения реакций основного метода и регенерации CO2-TRC с помощью методов CSP с желобом в присутствии различных возмущений тумана. Результаты показывают, что при проверке производительности системы толщина облака оказывает наибольшее влияние на диапазон возможностей, а длина облачности оказывает наибольшее влияние на время восстановления. При том же образовании тумана процесс восстановления регенеративной системы может быть в три раза быстрее, чем у простой системы. При таком же периоде облачности простая система достигла устойчивого состояния за меньшее время. Между LFC и PTC существует много общего с точки зрения их возможной интеграции в метод профилирования ICST на основе AT. Оба метода можно масштабировать до различных размеров без заметного влияния масштаба с точки зрения стоимости и веществ. Масштабируемость обычно достигается в обоих случаях путем регулировки области апертуры, а также расстояния до прямого приемника27. Работа системы солнечной генерации с параболическим желобом была смоделирована и усовершенствована Вангом28 в пасмурных условиях. Разница между эксергетическими характеристиками потребляющей мощности и теплового аккумулирования и теплоэнергетических систем возникла из-за туманных обстоятельств. Были проверены данные модели по сравнению с данными известных испытаний. Поведение комбинированного управления энергией-эксергией (CEEC) использовалось в этом исследовании для рассмотрения проблемы разработки эффективной термодинамической системы с адекватными функциями регулирования. С этой целью было проведено энергетическое и эксергетическое исследование представленного цикла с последующим точным моделированием параболических желобов-коллекторов (ПТК). Они проиллюстрировали основные уравнения управления и, следовательно, рассчитали период реакции системы регулирования. Оптимальная стратегия CEEC обеспечивается за счет использования многоцелевой оптимизации для оптимизации энергетических/энергетических показателей при одновременном сокращении предлагаемого времени установления цикла. Результаты показали улучшение энергетических показателей всего цикла на 36,06% и время стабилизации на 25,09%. В то время как время энергии, эксергии и времени стабилизации показали 34,02, 28,25 и 17,63% прогресса в достижении цели соответственно29. Чтобы компенсировать потери на концах, Редди и Анантсорнарадж30 предложили солнечный коллектор с параболическим желобом (PTC) с увеличенной длиной поглощающей трубки. Длина желоба составляла 4,6 м, ширина желоба 5,7 м, фокусное расстояние 1,7 м, угол обода 80,3°. Этот компенсационный метод эффективен для желобчатых коллекторов большого размера, поскольку процент рассеивания тепла в необогреваемой области приемника был минимальным по сравнению с общей эффективностью сбора тепла системы. Эль Куш и Гальего31 разработали численное моделирование ПТК с температурой, основанное на физических особенностях. Были созданы математические выражения. Было смоделировано несколько известных и недавних корреляций для коэффициентов теплопередачи. Кроме того, было выполнено несколько численных моделей, которые предоставили полезную информацию о ходе работы и эффективности завода PTC в выбранном регионе. Морено и др.32 предложили использовать синтетические нейронные сети для оценки наилучшего расхода, обеспечиваемого конструкцией регулятора, чтобы существенно снизить вычислительную нагрузку до 3 процентов от времени расчета MPC. Нейронные сети обучались на месячном тестовом наборе данных коллекторного поля, контролируемого MPC. Было исследовано использование переменного количества показателей в качестве чистых затрат. Результаты показали, что регуляторы нейронной сети предлагают примерно ту же среднюю мощность, что и регуляторы MPC, с отклонениями менее 0,02 кВт, как и у большинства нейронных сетей, менее резкими изменениями выходной мощности и незначительными нарушениями ограничений. Кроме того, предложенные нейронные сети эффективно функционируют даже при использовании небольших множественных датчиков и оценок, при этом набор входных данных нейронной сети сокращается до 10 процентных пунктов от фактического размера. В этом соревновании более поздние установки CSP используют расплавленные соли (MS) в солнечных коллекторах в качестве средства хранения тепла и, в некоторых случаях, в качестве теплоносителя (HTF). При реализации CoMETHy был разработан и широко проверен на промышленном уровне (производительность пермеата H2 до 3 Нм3/ч) в цикле расплавленных солей33. Гоял и Редди34 создали численную тепловую диаграмму для оценки эффективности s-CO2 в качестве HTF в солнечном PTC. Они рассчитали энтропию, вызванную внутри HTF конечными изменениями температуры и трением потока жидкости, используя региональные поля температуры и скорости. Кроме того, они использовали метод оптического анализа, основанный на трассировке лучей Монте-Карло. Результаты продемонстрировали снижение энтропии, создаваемой в ресивере PTC, до минимума при идеальном числе Рейнольдса для каждого рабочего давления и температуры на впуске HTF. Число Беяна рассчитывает вклад энтропии, возникающей в результате необратимости теплопередачи, в энтропию, возникающую в результате необратимости теплопередачи и потока жидкости, где оно было в пределах (0,2–0,4) при максимальных скоростях потока и около 1,00 при минимальных скоростях потока35. В соответствии с неоднородной температурной диффузией в цикле ПТК существует новый подход к каскадному включению нескольких выбранных солнечных поглощающих картин в различные подразделения цикла хранения. Для реализации намеченной методики были рассмотрены две системы: подход с участием нескольких подразделений и идеальный подход. Было обнаружено, что идеальный подход с несколькими подразделениями обеспечивает более высокую эффективность, чем традиционный подход. Кроме того, при рабочей температуре от 290 до 550 °C потери тепла при многосекционном подходе снизились на 29%, а тепловые характеристики улучшились на 4%35. Субраманья и др.36 экспериментально исследовали работу ПТК, управляя вращающейся приемной трубкой со скоростью от 0 до 4 об/мин, различными внутренними температурами и расходами. Исследуются многочисленные параметры, такие как тепловые характеристики, температурный перепад и характеристики трения. Результаты показали, что характеристики трения быстро растут, а также увеличиваются значения перепада температур из-за использования вращающейся приемной трубки. Наилучшее улучшение тепловых характеристик, вызванное снижением внутренней температуры и увеличением скорости потока, составило 190,3% по сравнению с фиксированной приемной трубкой. Штутцл и др.37 смоделировали линейный регулятор для разработки SEGS VI PTPP мощностью 30 МВт, чтобы обеспечить алгоритм регулирования для аппроксимации поведения оператора. Реакция регулятора оценивается как в зимний, так и в летний день. Также исследовано влияние регулятора на общую мощность ПТПП. Небольшое увеличение общей расчетной мощности ПТЭС достигается за счет регулирования температуры на выходе коллектора. Валенсуэла и др.38. описал PTPP, работающий в прямоточном режиме с использованием регуляторов прямой связи и PI-регуляторов в ясные дни и кратковременные изменения DNI. Для этой цели была выбрана конфигурация с частичным использованием традиционных регуляторов, поскольку операторы ПТПП имеют опыт использования такого типа регуляторов, корректируя настройки регулятора в соответствии с различными ситуациями, влияющими на динамику ПТПП и производительность регулятора, например, изменениями в конструкции ПТПП или модификациями, внесенными в систему. через некоторое время. Результаты показывают, что в установившемся режиме можно сохранять все заданные значения даже во время кратковременных переходных процессов DNI. В то время как в случае длительных периодов градиентов DNI трудно поддерживать температуру пара. Камачо и др.39 рассмотрели несколько технологий автоматического управления, использовавшихся до 2007 года для регулирования температуры на выходе элегазового топлива с помощью рассредоточенных коллекторов. Была представлена ​​категоризация концепций моделирования и регулирования, чтобы проиллюстрировать наиболее важные характеристики, связанные с различными подходами. Фелхофф и др.40 разработали два основных типа нестационарных моделей, основанных на прямом производстве пара (DSG) на ПТЭС. Во-первых, была разработана дискретная модель конечных элементов (DFEM), чтобы обеспечить более детальное описание характеристик PTPP и объяснение поведения PTPP. Кроме того, для прогнозирования поведения PTPP можно применить вторую модель подвижных границ (MBM), объединяющую сосредоточенные входные данные и рассредоточенные данные. Приведено сравнение обеих моделей с фактическими результатами с вариациями для разных параметров системы. Показано, что реакция на локальные возмущения внутри пути испарения не очень хорошо воспроизводится MBM. Однако MBM обеспечивает значительные преимущества в расчетах, если предположить, что освещенность на всем SF одинакова. DFEM рекомендуется для анализа местных влияний, получения передаточных функций или обеспечения более глубокого понимания свойств системы. Бьенчинто и др.41 с помощью экологического программного обеспечения TRNSYS реализовали квазидинамическую модель ПТЭС мощностью 38,5 МВт с DSG, используя рекомендованные подходы, и сравнили годовую выработку электроэнергии. Согласно результатам, представленным в этом анализе, было обнаружено, что применение подхода скользящего давления для регулирования давления пара в ПТЭС с DSG было более выгодным, чем подход фиксированного давления в отношении выработки полезной энергии. Бьенчинто и др.42 описали инновационную конструкцию PTPP, включающую коллекторы с широкой апертурой, где CO2 в сверхкритическом состоянии (sCO2) выбран в качестве рабочей среды, а расплавленная соль используется в качестве теплоносителя. Кроме того, представлена ​​модульная конструкция солнечного поля, которая снижает потребность в воздуходувках и теплообменниках при минимизации гидравлического контура расплавленной соли. Проведено сравнение ожидаемой годовой производительности нового подхода с эталонной производительностью PTPP, в которой в качестве HTF в SF используется термомасло. В программной среде TRNSYS разработаны две имитационные модели, воспроизводящие поведение как нового, так и эталонного PTPP. Согласно результатам данной работы, новая конструкция ПТПП способна обеспечить повышение годовой эффективности примерно на 0,5% и снизить затраты на электроэнергию примерно на 6% по сравнению с эталонной ПТПП.