小型太阳能汽轮机组的热力系统设计与镜场集成

【摘要】：随着能源危机的深入和环境问题的不断凸显,太阳能等新能源的发展日益受到重视。热功转换设备是太阳能热发电系统中的关键部件,开发适用于太阳能利用特点的太阳能汽轮机组可有效提高系统效率、降低投资成本,对进一步推动太阳能热发电技术的发展具有重要意义。 本文依托与相关企业的合作研究项目,开展了槽式太阳能汽轮机组的研发工作,并通过热力性能试验验证了设计结果。首先通过选用槽式太阳能热发电系统作为典型范例,分析其各部分的热力学原理,得到了影响汽轮机组总体设计的各主要因素。将光热转换效率和热热转换效率与蒸汽初参数相关联,建立了光热转换过程和热热转换过程的简化效率模型。对汽轮机系统的热力过程进行建模,并基于MATLAB平台编制了汽轮机组的总体热力计算程序。以该程序为工具结合实际要求对1.5MW太阳能汽轮机组进行了总体热力系统设计,机组采用分缸分轴的布置方案,高压缸采用向心涡轮形式,低压缸采用轴流形式。设计循环效率为25.32%,对应的系统总体光电转换效率为16.65%。在机组制造完成后通过热力性能试验进行了验证,机组达到了设计的预期效果,比国内同等功率汽轮机产品的效率提高5个百分点,如果用于太阳能热发电站,则有望在同等发电功率下减少20%的镜场面积。在此基础上对某10MW太阳能机组进行了初步总体设计,并结合蒸汽加热过程原理对导热油布置方案进行了优化探讨,使系统的光热转换效率比传统方案提高了约1.8%。 【关键词】：太阳能热发电 汽轮机设计 MATLAB 热力试验 总体效率优化
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 课题背景及意义11-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 太阳能热发电技术的发展现状15-16
• 1.2.2 槽式太阳能热发电技术的研究进展16-18
• 1.2.3 工业汽轮机组的设计发展及软件开发概况18-21
• 1.3 本文的研究内容21-22
• 2 太阳能热发电系统的热力学原理分析22-44
• 2.1 典型太阳能热发电系统的构成22-24
• 2.2 光热转换过程的热力学原理分析24-32
• 2.2.1 集热器热效率的理论模型24-29
• 2.2.2 集热器的实际效率数据拟合29-31
• 2.2.3 导热油出口温度与集热场效率的关系推算31-32
• 2.3 热热转换过程的热力学原理分析32-35
• 2.3.1 换热子系统的工作过程与原理32-33
• 2.3.2 蒸汽初参数对光热及热热转换过程效率的影响33-35
• 2.4 热电转换过程的热力学原理分析35-42
• 2.4.1 热电转换过程的热力学原理35-37
• 2.4.2 蒸汽参数对循环热效率的影响37-39
• 2.4.3 再热对循环热效率的影响39-40
• 2.4.4 回热系统的选取对循环热效率的影响40-42
• 2.5 本章小结42-44
• 3 太阳能汽轮机热力系统设计的简化建模与程序编制44-62
• 3.1 光热转换过程的简化建模与程序编制44-47
• 3.1.1 光热转换过程的程序编制框图44-47
• 3.1.2 光热转换过程计算程序的试算结果47
• 3.2 热热转换过程的简化建模与程序编制47-49
• 3.3 热电转换过程的简化建模与程序编制49-60
• 3.3.1 热力系统的基本过程与程序编制说明49-53
• 3.3.2 热电转换过程的程序计算框图53-54
• 3.3.3 程序的具体编制54-60
• 3.4 太阳能汽轮机的总体热力计算程序60-61
• 3.4.1 系统的光电转换总效率60
• 3.4.2 采用中间再热循环的系统总体计算程序60-61
• 3.5 本章小结61-62
• 4 1.5 MW太阳能汽轮机组的总体设计与热力试验62-83
• 4.1 太阳能汽轮机组的技术要求62-63
• 4.2 1.5MW太阳能汽轮机组的总体方案设计63-73
• 4.2.1 机组容量的选择63-64
• 4.2.2 机组总体结构形式的确定64-65
• 4.2.3 蒸汽初参数的确定65-69
• 4.2.4 排汽压力的选取69
• 4.2.5 再热的选择69-70
• 4.2.6 蒸汽回热系统形式的确定70-71
• 4.2.7 机组的总体设计结果及热平衡图绘制71-73
• 4.3 机组的制造完成情况及方案模拟调整73-76
• 4.3.1 1.5MW太阳能汽轮机组的制造完成情况73-75
• 4.3.2 1.5MW太阳能汽轮机组的方案模拟调整75-76
• 4.4 1.5MW太阳能汽轮机组的热力性能试验76-81
• 4.4.1 热力试验的准备与方案模拟76-77
• 4.4.2 热力性能试验方案与试验步骤77-80
• 4.4.3 试验结果与对比80-81
• 4.5 本章小结81-83
• 5 10MW太阳能汽轮机组方案与导热油管路布置优化探讨83-96
• 5.1 10MW太阳能汽轮机组的方案探讨83-86
• 5.1.1 较大容量机组的不同特点83
• 5.1.2 10MW机组的总体设计要素选取83-85
• 5.1.3 某10MW机组的初步方案设计结果85-86
• 5.2 导热油管路布置优化探讨86-94
• 5.2.1 导热油管路布置的传统方案分析86-88
• 5.2.2 导热油管路布置的优化方案A88-91
• 5.2.3 导热油管路布置的优化方案B91-94
• 5.3 本章小结94-96
• 6 全文总结与展望96-99
• 参考文献99-102
• 致谢102

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