非连续不均匀热流密度下太阳能腔式吸热器汽水系统不稳定性研究

The cavity receiver is a crucial device of light-heat -conversion in a solar thermal power tower plant. Due to non-uniformity and discontinuity of solar energy in time and space, the hydrodynamic behaviors of the steam-water system in the cavity receiver are characterized by dynamic instability. That is a fundamental problem that lays restraints on the progress of industrialization and scalization of the solar thermal power tower technology. Based on the coupling of radiation-conduction-convertion heat transfer of two-phase flow, the nonlinear dynamic parameters, and the non-continuous and non-uniform flux, the project will aim to propose the flow distribution and hydrodynamic characteristics model and the non-linear dynamic characteristics model of the solar cavity receiver,respectively. This study will focus on presence of the boiling heat transfer mechanism, the flow distribution and the temperature distribution in non-uniform solar flux conditions. Meanwhile, the dynamic responses of the characteristic parameters of the receiver in non-normal and transient weather conditions will be analyzed. The influence of the non-continuous and non-uniform solar flux on the hydrodynamic characteristics and the dynamic characteristics will be present in this study. Then, the hydrodynamic characteristics control method and the optimization design method of the parallel tubes will be proposed in order to weaken the influence of non-continuous and non-uniform radiation flux on steam-water system instability in non-normal and transient weather conditions. The results can provide scientific guidance to the safe operation and control of the solar cavity receiver system.

腔体吸热器是太阳能塔式热发电系统中光热转化的关键设备。由于太阳能时空分布的非均匀性和不确定性易于引起吸热器汽水系统水力不稳定性，这已成为影响太阳能塔式热发电技术向工业化、规模化发展的关键问题。本项目将基于热流密度空间分布不均匀和时间分布不连续的特点和辐射-传导-对流相互耦合的沸腾传热机理，分别构建完整的适用于水工质腔式吸热器汽水系统流量分配及水动力特性数学模型和动态特性数学模型。研究不均匀热负荷条件下并联管组的沸腾传热机制、流量分配机制和壁温分布规律，探索复杂非稳态条件下腔式吸热器耦合输出参数的动态响应过程，掌握热负荷不均匀非连续对吸热器热偏差特性和动态特性的影响规律；并在此基础上谋求相应的水动力特性参数的控制策略以保证系统稳定，同时优化并联管束的流量分配以防止管路高温烧蚀，从根本上改善其热效流偏差和动态特性。该研究可为进一步拓宽腔式吸热器的安全运行与控制的多相流动力学基础提供科学依据。

定日镜场的聚焦作用使得吸热器受热面热流密度分布呈现局部高度集中，时间上不稳定和空间上不均匀的特点，受这一分布特点的影响，塔式太阳能热发电系统中光热转换关键设备水工质腔体吸热器的汽水系统会出现流量分配不均、热偏差大等不稳定性的问题。本项目基于热流密度空间分布特点和辐射-传导-对流相互耦合的沸腾传热机理，构建适用于水工质腔式吸热器汽水系统流量分配及水动力特性和动态特性的数学模型，研究了非连续不均匀热流密度下系统的流量分配、热偏差及动态特性，探索复杂非稳态条件下吸热器耦合输出参数的动态响应过程，在此基础上谋求相应的水动力特性参数的控制策略以保证系统稳定。研究发现：①当系统平均热流密度较小时，蒸发受热面工质流量分配具有自调节能力，但随着热流密度增大，聚焦中心区域工质的这种自调节能力消失；过热面工质流量分配与热流密度分布相反，这使得热流密度集中区域管壁温过高，威胁系统安全；从聚焦方式、系统压力、管排结构等方面对系统流量分配特性进行了优化。②试验研究发现，随着热流密度集中度的增大，并联管组的流量分配不均匀性越发明显；系统压力的升高有利于改善并联管组的流量分配特性。③腔体内辐照强度、给水流量及给水温度扰动情况下，吸热器过冷段长度、水冷壁出口干度、汽包压力、蒸汽流量、过热器出口压力及过热蒸汽温度均有一定的自平衡性，但汽包水位无自平衡性，严重影响吸热器的安全和稳定运行。④基于增量式PID算法的前馈-反馈三冲量水位控制系统，编制了汽包水位控制系统子程序模块，将其运用在腔式吸热器汽包水位控制系统设计中，能够较好地维持汽包水位的稳定。⑤此外，基于复杂多面体角系数法评估了腔式吸热器热性能，腔体效率随腔体吸收入射面积比和宽深比的增加先增大后减小，吸收入射面积比在3.0-3.4之间时达到最大。本项目的研究为进一步拓宽腔式吸热器的安全运行与控制的多相流动力学基础提供科学依据。