[发明专利]基于联立方程模型的塔式太阳能热电系统运行优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热电系统领域，特别是涉及一种基于联立方程模型的塔式太阳能热电系统运行优化方法。

背景技术

太阳能是一种可再生的新能源，储量丰富，并且具有清洁、环保、持续、长久的优势，越来越受到人们的广泛关注。美国能源部研究表明，目前太阳能聚光类发电中，塔式发电系统聚光倍数高，可得到较高的光热转换效率，更可能取代常规能源、实现大功率发电。太阳能热发电的主要原理是：定日镜场反射聚焦太阳光至集热器，加热集热器中的工作介质，工作介质进入蒸汽发生器换热，加热给水使其产生高温蒸汽推动汽轮机的运作，从而发电。

太阳能间歇性这一特性的存在，要求太阳能热电站加入储热系统，从而使得发电产出变得可控。这就要求对太阳能电站的操作运营包括发电量等进行优化调度。加入储热系统的意义在于，通过镜场集热器收集得到的太阳能，不再只能输送向发电装置部分，取而代之的，可以使其全部或者部分储进储热罐中，并在合适的时候再次取出来进行发电。

塔式太阳能热电系统一般包括集热器、储热罐、管道和蒸汽发生器。正常运行时一般要保证系统有稳定的功率输出，但经济效益上不是最优的。如果考虑电价的预测，通过储热系统能在高价格时间段释放更多热量，太阳能电站能够收到更大的收益。一种优秀的优化调度方法能够应对天气状况、环境温度以及电价水平等方面的变化，以最佳的策略，尽可能快的对电站的操作运营作出诸如调整发电量等合理的调度，从而使得电站取得更大的收益。

现有的针对塔式太阳能热电系统的优化调度策略，有的是针对一年的长时间段的根据不同季节进行调整的太阳能电站优化操作策略，有的是根据自由市场电价和子系统的输入输出关系进行一天内子系统间的静态能量调度，也有调度策略使得电站产出量尽可能大但未与市场电价进行关联。这些优化方法并不是基于电站整体机理模型，也没有进行根据整体模型进行实时动态调度，因此没有考虑运行中各参数的变化情况，无法对系统内存在的各种影响系统稳定安全运行的参数变化进行实施调控。

发明内容

本发明提供了一种基于联立方程模型的塔式太阳能热电系统运行优化方法，使电站在市场电价下获得最高的收益，并且发电功率、热能存储、工质流量以及工质温度都能满足电站正常安全运行的要求，达到保护电站设备、提高系统稳定性的目的。

本发明采用的技术方案如下：

(1)对热电系统各子系统进行分析，建立各子系统的动态数学模型。

塔式太阳能电站的热电系统包括集热器、储热系统、蒸汽发生器和管路系统。在实际的生产过程中，由于太阳辐射强度DNI和天气状况因素的变化，系统内的各变量也会随着时间变化，因此需要对各个模块建立动态数学模型，也就是系统在动态过程中各种参数随着时间变化的数学描述。

建立动态模型可以采用机理建模方法，根据各子系统的工作原理和换热方式，用质量平衡、能量平衡和流体传热平衡方程，以及传热工质的物性参数方程进行描述，分别建立接收器、管道、储热罐和蒸汽发生器子系统的动态数学模型。

接收器模型表示为：

其中，A_mirror为定日镜总面积，I为太阳辐射强度，ξ为定日镜场的效率；ε为黑度，σ为黑体辐射常数；A_m为吸热器外部面积，D_m为吸热器外部直径，T_f为吸热器内工质温度，T_a为环境温度，A_f为吸热器内部面积，m₁为流过吸热器内的工质流量，h_m、h_f为体积对流传热系数。

管道模型表示为：

其中，τ₁是与流体密度、比热、管径相关的常数，τ₁₂、τ₂是与管壁金属密度、比热、管径相关的常数，T_a为管道外环境温度，T_f为管内流体温度，T_w为管壁温度。

储热罐模型表示为：

其中，A为填充床的横截面积，m为流过储热罐的空气流量，T_f为储热罐内的工质温度，U为流体与环境之间的传热系数，T_a为环境温度，D为储热罐的直径。

蒸汽发生器模型表示为：