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user: 3. 8.5 kW熔盐蓄热太阳能ORC发电系统设计 3.1. 系统流程 本文设计的熔盐蓄热槽式太阳能驱动有机朗肯循环发电系统装机量为8.5 kW，每天发电9 h，集热发电4 h，蓄热发电5 h。采用北京天瑞星集热管，成都禅德太阳能电力有限公司反光镜，镜场支架委托北京建筑工程大学进行设计并由冀中能源井矿集团新能源事业部制造，跟踪系统委托井矿集团大有机电公司进行设计加工，采用北京工业大学研发的低熔点四元盐作为传热蓄热工质，利用显热蓄热方式。采用北京工业大学自主研发的117型单螺杆膨胀机作为有机朗肯循环热工转换核心部件。 图2. 8.5 kW太阳能有机朗肯循环热发电基本原理图 图2给出了8.5 kW太阳能有机朗肯循环发电实验系统示意图。其中集热蓄热系统以红色线表示，ORC循环系统由黑色线表示。该系统以太阳能集热系统加热熔融盐作为驱动热源，热能以熔融盐显热蓄热方式储存在熔盐罐内，以冷却水作为冷源，通过将热源传递给ORC进行发电。其中熔融盐作为传热蓄热介质，保证系统在太阳能非稳定工况及夜间稳定运行。 3.2. 槽式太阳能集热系统 本系统基于中国七大地区典型城市，并由Solargis太阳能资源评估工具提供各城市直射辐照度，对集热系统进行设计计算，假设光热转换效率70%，热工转换效率10%，并根据表1集热管与反光镜参数，设计计算结果如表2。 Table 1 The basic parameters of the receiver and reflecto 集热管相关参数 数值 反光镜相关参数 数值 金属吸热管长度 4060 mm 内片尺寸 1700 × 1641 (mm) 金属吸热管外径 70 mm 外片尺寸 1700 × 1501 (mm) 金属吸热管壁厚 3 mm 玻璃厚度 4 mm 玻璃罩外径 125 mm 反射率 ≥93% 金属吸热管材质 TP321 拦截率 ≥99.99% 吸热管吸收率 ≥95% 焦点偏差(Fdx) ≤8 mm 吸热管发射率 ≤9.7% 斜率偏差(Sdx) ≤3 mrad 太阳光透射率 ≥95% 焦距 1.71 绝对压力 ≤0.1 Pa 聚光比 82:1 辐射投射比率 ≥95% 材质 镀银低铁浮法玻璃 表1. 集热管和反光镜的基本参数 Table 2 Parameters of concentrated solar collector system in various region 地理位置 城市 直射辐照度 /kWh/m 2 工作时长 /h 镜场进出口温度 / ° C 发电功率 /kWe 镜场面积 /m 2 集热管 /根 华南 广州 744 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 528 23 华中 郑州 804 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 489 21 华东 上海 810 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 485 21 华北 北京 1143 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 344 15 东北 沈阳 1334 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 294 13 西北 德令哈 1930 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 203 9 西南 拉萨 2543 9 h (5 h蓄热) 300/200 8.5 154 7 表2. 各地区聚光系统参数 3.3. 熔盐蓄热系统 1) 熔盐蓄热系统主要组成：1个热盐罐、1个冷盐罐、1个热盐泵、1个冷盐泵。系统包括8个电加热器(每个盐罐各4个)。 2) 熔融盐 本系统采用北京工业大学研发的低熔点四元盐作为传热蓄热工质，其熔点为84℃，初晶点为163℃，潜热约为71.75 J/g，分解温度为628℃，利用显热蓄热。熔盐蓄热系统详细设计参数见表3。 Table 3 Parameters of molten salt heat storage tan 熔盐蓄热罐性能 性能参数 熔盐蓄热罐性能 性能参数 蓄热容量/kWh 450 冷罐加热功率/kW 20 熔盐质量/t 12 冷罐加热功率/kW 20 热罐熔盐温度/℃ 300 热罐材质 316L 冷罐熔盐温度/℃ 200 冷罐材质 Q345R 热罐温度范围/℃ 200~350 冷、热罐封头形式 椭圆形 热罐温度范围/℃ 300~450 蓄热罐平均热效率/% 96 表3. 熔盐蓄热罐性能参数 熔盐罐顶部和底部均采用封头设计，底部采用平底封头，顶部采用椭圆封头，有助于焊接及整体受力。在整个系统中包括集热管至熔盐罐的管道、阀门、换热器都需要伴热带进行加热保温防止熔盐凝固。在罐底部、罐顶、罐壁均设置保温层，罐底部保温考虑熔盐罐及罐内熔盐的重量，采用耐火砖与泡沫玻璃层结合的方式进行保温，耐火砖起到承重及保温的作用。 3) 熔盐泵 熔盐泵采用立式高温液下泵，主要由泵体、泵盖、叶轮、接管、出液管、轴承支架、电机支架、支架、安装地板、联轴器、冷却水管、立式电机等组成。两台熔盐泵均设置变频装置。 4) 熔盐换热系统 熔盐/有机工质换热器(蒸发器)用于将熔盐的热量传递给有机工质以驱动单螺杆膨胀机发电机组发电。蒸发器采用管壳式，其中换热器壳侧为熔融盐，换热器管侧为有机工质。 3.4. 有机朗肯循环发电系统 3.4.1. 基本组成 系统循环过程如图3所示，主要包含绝热膨胀过程(1’-2s)、定压冷却过程(2s-3’)、绝热加压(3’-4s)以及定压加热过程(5-1’)，其中1’为过热点，2s为等熵点，3’为过冷点。本系统考虑膨胀机进口为过热蒸汽，冷凝器出口为过冷液态，且膨胀过程及加压过程均为非等熵过程(1’-2)，使得整个有机朗肯循环更加接近实际循环。在每个过程发生于四个主要设备：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵。 图3. 有机朗肯循环系统T-s图 3.4.2. ORC主要设计参数 1) 工质的选择。采用工质R123。 2) 膨胀机。采用北京工业大学自主研发的大膨胀比单螺杆膨胀机 [ 7 ]，其详细参数如表4。 Table 4 Parameters of single screw expande 螺杆直径 /mm 螺槽数 星轮直径 /mm 星轮齿数 啮合中心距 /mm 内容积比 最大基元容积 /mL 输出功率 /kW 117 6 117 11 93.6 4.86 478 8.5 表4. 单螺杆膨胀机参数 3) 系统参数。根据单螺杆膨胀机参数，该膨胀机转速为3000 r/min时，理论进气体积流量为17.7 m 3 h −1 ，最高蒸发压力在1.2 MPa左右，R123质量流量在1500 kg/h左右。膨胀机进口设计温度125℃，冷凝温度43℃，对ORC系统进行工况点设计(如表5)。 4) 工质泵。在1500 kg/h左右采用多级离心泵，相对于其他类型泵效率较高，且多级离心泵的耗功功率较其他类型泵较低。工质泵参数如表6。 5) 冷凝器。考虑到水冷效果优于风冷且不存在缺水情况，在本实验系统中选用水冷，根据表5所示，系统放热功率理论值80 kW左右，考虑极端情况，本系统采用的冷凝器换热量为100 kW，换热器形式为管壳式，冷源走管程，工质走壳程。 6) 冷却系统。冷却系统为开式系统，主要有冷凝器、冷却水泵、冷却塔等组成。作为冷却系统驱动力，采用有格兰富生产的多级离心泵作为冷却水泵，型号为TP50-190/2，冷却水泵的相关参数见表7。冷却塔应匹配冷却水泵，选用20 m 3 ∙h −1 冷却塔。 7) 润滑油系统。为确保单螺杆膨胀机工作可靠，利用润滑油系统对膨胀机进行润滑。润滑油系统主要包括油气分离器、润滑油泵和过滤器等。其中油气分离器根据膨胀机排气量进行选择，由大连联合制冷公司定做，型号为LYF2-60-BJ，容积为60 L，储油量为27 L，内设加热棒，油温感应器，液位控制器等。润滑油泵采用齿轮泵，为润滑油进入膨胀机提供动力，型号为CB-B2.5，功率0.75 kW。润滑油泵和油分之间安装过滤器，防止杂质进入润滑油泵和单螺杆膨胀机内。 Table 5 Parameters of OR 工况点 温度 /℃ 压力 /MPa 密度 /kg/m 3 焓 /kJ/kg 熵 /kJ(kg∙K) −1 1 120.00 1.20000 73.23 449.600 1.6938 1’ 125.00 1.20000 71.38 454.290 1.7055 2’ 43.00 0.16957 10.52 407.240 1.6657 2s 60.57 0.16957 9.84 420.160 1.7055 2 67.23 0.16957 9.62 425.119 1.7202 3 43.00 0.16957 1417.20 243.560 1.1477 3’ 40.00 0.16957 1425.20 240.440 1.1378 4 41.45 1.20000 1424.90 242.240 1.1412 4s 40.40 1.20000 1427.20 241.160 1.1378 5 120.00 1.20000 1175.00 328.970 1.3868 工质吸热量(kW) 92.50 工质放热量(kW) 80.56 表5. 有机朗肯循环的主要参数 Table 6 Parameters of the organic working fluid pum 型号 转速 r/min 流量 m 3 h −1 级数 扬程 m 配套功率 kW CRN 3-27 2899 3 27 131 2.2 表6. 多级离心泵结构参数 Table 7 Parameters of the cooling water pum 型号 转速 /r∙min −1 流量 /m 3 h −1 级数 扬程 /m 配套功率 /kW TP50-190/2 2870 22.2 2 15.5 1.5 表7. 冷却水泵泵参数 8) 发电机。单螺杆膨胀机与发电机进行直连，选用同步发电机进行并网连接。主要参数包括额定功率10 kW，功率因素0.5，额定频率50 Hz，额定转速3000 r/min。