基于空气吸热器的塔式光热布雷顿循环的优化研究及matlab仿真

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基于空气吸热器的塔式光热布雷顿循环的优化研究及matlab仿真

基于空气吸热器的塔式光热布雷顿循环的优化研究

摘  要

伴着化石能源的逐步消耗殆尽,新能源的开发已刻不容缓。其中又以太阳能和风能为主角。目前太阳能开发利用,存在着许多缺陷。如发电效率较低和研发成本较大都是目前需要攻克的难题,并且太阳能发电的不稳定性和间歇性问题,都要开展基于空气吸热器的塔式光热布雷顿循环的优化研究,以对该问题进行解决。为了研究塔式太阳能与燃气轮机发电系统的能量传递与热功转化规律,并研究里面主要参数,如压比、孔隙率、厚度、吸热器面积,本文分别建立了压气机、泡沫陶瓷吸热器、燃烧室、透平四部分的传热和热功转化模型,采用Matlab语言编程,进行系统运行仿真模拟,并分析了孔隙率、进气温度、压比、吸热器面积等对系统性能的影响。

1.建立了传热和热功转化模型,特别是泡沫陶瓷吸热器中泡沫陶瓷与空气的非局部热平衡传热传质模型。

2.结合设计规范与现有系统部件的技术水平,按照效率优先、兼顾成本的原则,优化设置了压气机压比,泡沫陶瓷孔隙率,太阳能吸热器面积,燃烧室过量空气系数等参数。

3.采用Matlab语言编程仿真,定量分析了结构参数和运行参数对系统性能的影响,对系统设置进行优化。

关键词:塔式太阳能-燃气轮机;压比;泡沫陶瓷;吸热器;稳态模型

Abstract

With fossil energy gradually exhausted, the development of new energy has been urgent. With solar and wind can lead again among them. Solar energy development and utilization at present, there are many defects. Such as low efficiency and research and development costs are mostly need to attack the problem at present, and the instability of solar power and intermittent problem, should be carried out based on the air heat absorber tower brayton cycle optimization of field research, developing solar - gas turbine tower. In order to study the solar tower and gas turbine power generation system of energy transfer and thermal power conversion rule, main parameters and study it, such as compression ratio, porosity, thickness, heat absorber area. This paper established the system of the compressor, the foam ceramic heat absorber, combustion chamber and turbine heat transfer and thermal energy conversion model of four parts, using Matlab language programming, to run the system simulation, and analyzes the porosity, inlet temperature, pressure ratio, heat absorber area will affect the performance of the system, etc.

1. Set up the system of the heat transfer and thermal power conversion model, especially foam ceramic foam ceramic heat absorber with nonlocal heat balance of heat and mass transfer model of air.

2. Combining with the design specifications and technical levels of existing system components, according to the principle of priority to efficiency and due consideration to the cost, the optimization of set the compressor pressure ratio, foam ceramic porosity, area of solar heat absorber, combustion chamber parameters such as excess air coefficient.

3. The simulation using the Matlab language programming, quantitative analysis of the structure parameters and operation parameters effect the performance of the system, optimize the parameter setting in the system.

Key words: solar - gas turbine tower; Compression ratio; Foam ceramics; Heat absorber; The steady-state model

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究对象 3

1.3 塔式太阳能热发电的发展现状 4

1.4燃气轮机发展现状 7

1.5塔式太阳能—燃气轮机发展现状 7

1.6我国太阳能分布状况 8

1.7系统应用的实际情况 9

1.8论文章节安排 11

第二章 塔式太阳能—燃气轮机发电系统及部件 12

2.1引言 12

2.2互补系统 12

2.3燃气轮机的参数设定 13

2.4吸热器选择 16

2.5吸热器材料选择 16

2.6吸热器各结构对比选择 17

2.7吸热器参数设定 20

2.8有关空气余热的回收利用 20

第三章 塔式太阳能—燃气轮机发电系统模型 22

3.1建模方法 22

3.2压气机模型 22

3.3吸热器模型 23

3.3.1多孔介质理论概述 24

3.3.2多孔介质中的传质模型 27

3.3.3多孔介质压降模型 27

3.3.4泡沫陶瓷微观模型 30

3.3.5泡沫陶瓷传热模型 30

3.3.6泡沫陶瓷边界条件 32

3.4燃烧室模型 32

3.5透平模型 33

3.6本章小结 33

第四章 结构参数与运行参数对塔式太阳能—燃气轮机发电系统的影响 34

4.1引言 34

4.2主要参数设置与计算过程 34

4.3压比对系统的影响 34

4.4孔隙率对系统的影响 37

4.4.1产生的压降对系统效率的影响 37

4.4.2对吸热器向光面热辐射损失的影响 38

4.5厚度对系统的影响 40

4.6吸热器面积对系统的影响 41

4.7压气机进气温度对系统的影响 42

4.8仿真结果一览 43

4.9本章小结 44

第五章 结论与展望 46

6.1结论 46

6.2展望 46

第一章绪论

1.1研究背景

我国拥有丰富的化石能源资源,是能源消耗大国和能源生产大国。2006年,煤炭具有的资源量为10345亿吨,探明剩余可采的储量约占全世界的13%,排名世界第三。但是中国人均能源资源数量较少,人均煤炭与人均水资源拥有量仅有世界平均水平50%而已,石油和天然气人均资源占有量为世界平均水平的1/15左右。而且,我国能源结构极不平衡,以煤炭资源最丰富,缺乏石油和天然气。同时地域分布失衡。我国能源开发利用技术技术较为落后,有待于更新发展,在我国高经济增长速度下,耗费能源的速度更是匪夷所思。如今国际政治环境风云瞬变,能源将是未来国家发展的一个重大话题。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家,一次性能源生产和消费65%左右为煤炭,大量使用煤炭,使 66%的中国城市大气中颗粒物含量以及22%的城市空气二氧化硫含量超过国家空气质量二级标准。如果一如既往的使用以煤炭为主要能源的化石燃料,未来发展对环境产生的压力将影响整个社会主义可持续发展社会的构建。所以,如今我们有必要克制会污染大气环境的化石能源的使用,寻找长期发展的出路。

不仅如此,矿石燃料的污染问题上,平时使用矿石燃料的火电厂是重要的大气污染源,火电厂发电时产生的主要污染物有:NOx、SO2、灰渣、噪声和固体颗粒。这些个污染物危害都很大 ,如:大气中SO2氧化反应而生成SO3速度很缓慢,而且在太阳光的紫外线和NO x催化下,因为光化学反应能生成SO 3和酸雾;此外,大气里面SO 2是造成酸雨的重要原因 ;固体颗粒特别污染环境,影响可见度且会污染环境,影响可见度与污染环境,影响可见度并且会与NO x、SO 2等有害体结合,加剧危机。我国电力以火电为主,已占到75% 的总装机容量,80%的年发电量。煤炭是火电燃烧的主要矿石燃料,我国发电行业正因为此污染严重 ,大气污染每年都造成100多亿的经济损失,占到国民经济的2%左右,影响甚为严重。

随着经济的发展,污染问题渐渐的被摆到了桌面。人民对环境的要求也逐渐提高,追求绿色GDP成为了时代的主流。化石能源产生的硫化物和氮化物对环境有着极其不利的影响,所以,可再生能源将会是未来中国经济发展的重要选择和出路。在众多新能源中,有风能、太阳能、生物能、潮汐能等,其中,太阳能被认为是最有发展前景的新能源,被许多专家列出专属于太阳能的“七宗罪”:即:贡献最大、影响最大、最实用、普及率最高、技术最领先、投入产出比最大、政府及社会负担最轻。目前,太阳能大规模化发展技术不断提高,这为将来实现商业化发展提供了一个契机。作为新能源的领头羊,太阳能将成为中国乃至国际社会发展的一个新热点。

经过许多发达国家几十年来发展,太阳能发电进入较快速的发展。容量上,太阳能热发电系统完成了从千瓦级到兆瓦级跨越;结构上,太阳能热发电系统主要分为槽式、塔式和碟式三大类别,本文研究三种系统里面效率最高的塔式系统。

传统太阳能发电系统具有的间歇性和波动性是当前太阳能热发电利用的瓶颈之一,由其带来的电力输出不稳定与并网难等许多问题。解决办法一般是在系统中加入蓄能装置,缺点主要有二:

1. 投资与运行成本增高了。

2. 蓄热介质的低工作温度(不超过600 K)直接限制了发电系统整体效率。

为了解决太阳能间歇性和波动性的问题,本文将引入太阳能—矿石染料互补结构进行解决。燃气轮机组具有惯性小、功率调节速度快、加载和卸载负荷时间短等优点,这能够在太阳能资源较为薄弱的时候,提供充足热气体,使燃烧室能够以正常功率衡稳运行。燃气轮机在整个系统中起到辅助电源的作用,使整个电网的安全性、可靠性得到了保障。

燃气轮机技术的逐步发展和人们对环境保护要求的提高,给天然气在燃气轮机里的应用提供了一个契机。并且,这几年我国西气东输的政策项目不断投入运行,海上油气田的发现与挖掘,与那些石油天然气大国之间油气管道的建设工程逐渐完成,一切都将提高天然气在燃气轮机发电中的应用,会成为顺应环境发展和技术发展的出口。

以塔式太阳能、燃气轮机建成的互补系统,具有吸热器工作温度高的特点(本文所述系统最高可达1 570 K),较传统太阳能热发电系统具有高效,经济和稳定的优点。在稳态过程中,具有温度的光照强度,通过定日镜反射到吸热器上,对多孔介质进行加热,再对流过气体加热,形成恒温定量的热空气。通入一定比例的天然气,在燃烧室里燃烧产生热能,进行发电。尾气所剩余的能量在余热锅炉中回收利用。此过程中,各结构参数与运行参数的设置会直接影响到系统的安全、稳定、高效运行,但目前由于系统模型的欠缺,尚无法定量研究分析,更提不上优化。

其实,很久以前就形成了太阳能与化石能源互补形成循环发电的思路,但在二十世纪八十年代以来,太阳能技术发展缓慢,所以在这几十年里,国内该方面技术几乎寸步未行。至于针对该系统所形成的建模和仿真更未见报到。

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