直接蒸汽发电在太阳能热发电中两相流不稳定研究
摘要：
研究提出，通过理论分析和数值模拟相结合得出抛物槽式DSG太阳能发电具有两泪流不稳定性，这是基于工作机制、抛物槽式GSD太阳能发电的热传递性质、基本原理、主要影响因素及两相流不稳定性损伤。对太阳能吸热管分布不均匀的问题进行了详细的研究，这是极其重要的问题，不可忽视。建立了理论模型，对单管、双管进行了完整的分析，并进行了稳定性分析，验证了本研究的有效性。
介绍
随着经济发展步伐的日益加快，即将到来的全球环境和资源问题越来越引起人们的重视。节约资源、发展清洁能源已成为我国实现可持续发展的最佳选择。因此，太阳能被视为各种可再生能源之间的“潜在份额”。 目前，目前太阳能发电有太阳能热发电和太阳能光伏发电两种模式[1]。纵观太阳能利用的发展历史，太阳能热发电的实践经历了60多年，在此期间太阳能热发电突出了它的优势。
根据太阳能热发电的形式，主要有三种类型：塔式，抛物线槽式和碟斯特灵式[3]。，太阳能辐射能量在热接收器吸收并转化为热能，然后通过热力学动力系统转化为电能，这就是我们所说的太阳能热发电[4]。在这三种之中，塔式太阳能发电有最高的效率，同时也有最高的投资花费；碟式斯特灵系统可以实现单机系统的标准化生产，但规模难以扩大；抛物槽系统发电成本较低，但效率也较低。目前，只有抛物线槽系统比较成熟，并首次实现了商业化，从而开创了太阳能热发电系统的商业应用[5]。
根据工作流体和传热方式，抛物槽系统可分为两类：双回路系统和DSG（直接蒸汽发电）系统。双回路系统由蒸汽回路和热流体回路组成，其中热传导介质，例如导热油吸收热量并将其输送到水中[6]。 一般来说，这种太阳能系统的工作温度高达400度；DSG系统直接把水变成蒸汽。图1和图2展示这两种系统。
图1.双回路系统
中间热交换过程的去除使DSG系统结构更简单，可以极大的降低发电成本；另一方面，它也带来了各种各样的问题[7]。例如，由于操作参数振荡，结构设计不当或操作控制差，不均匀的两相流分布发生在平行管内。有必要对不均匀流分布进行研究，如管道压力和壁温的剧烈波动，这将会破坏管道。
图2.DSG系统
抛物槽式DSG太阳能发电两相流不稳定
2.1、抛物槽式太阳能DSG系统运行机制
图3. 抛物面槽收集器反射器的热场
图4.太阳能集热管
作为光收集器，槽型抛物面反射镜式抛物槽式太阳能DSG系统最显著的特征，在图3展示。太阳能集热管通过反射镜聚焦收集太阳能，将太阳辐射能传递给水，并转化为合格蒸汽，来促进蒸汽动力设备的运行。这是抛物线槽式太阳能热发电的机理。图4展示的是太阳能接收器，又叫做太阳能吸热管，是抛物槽式太阳能集热器的核心部件之一。太阳能首先由抛物槽收集器的抛物面反射到太阳能接收器上，最后通过玻璃套管到达吸热钢管，在那里水吸收热量，并且产生合格蒸汽，这个系统图在图5展示[8]。
图5. 抛物面槽式太阳能集中器系统
2.2、抛物槽式太阳能DSG系统不稳定问题
其中一个最重要的制约太阳能集热器的DSG系统的大规模商业化应用的因素是未解决的太阳能热管中两相流不稳定性问题：
1）、太阳辐射强度易受气候条件影响，这导致集热器内流的波动；此外，太阳能集中在集热器的高密度一侧，但在另一侧低，这引起沿热管圆周分布的不均匀[9]。
2）、热管壁与过热蒸汽间的对流换热系数低使蒸汽管吸收的热量难以及时带走，这将导致有40到60摄氏度的高温差。
3）、DSG系统工作压力通常需要6MP到10MP来为汽轮机提供高质量的过热蒸汽，但它也将对管道造成严重的冲击。
4）、如果分层流出现在DSG系统，集热器壁会产生很大的热应力随之产生很大的热力梯度，这将使热收集器更容易变形，并且暴露在空气中的玻璃管会破裂，这将导致系统热效率下降并伴随安全隐患；此外，长期热应力将导致集热器的永久变形，然后集热器偏离设计的聚焦线，这将会导致DSG系统大规模的效率损失；
5）、集热器中流动分布不均将直接造成出口蒸汽参数的不稳定性影响。为了控制和预防这一问题，还需要采取许多措施。在增强DSG接收器可靠性方面，目前有两种方法：一种是从设计角度降低吸热管的周向温差，如选择合适的倾角；另一种是对吸热管加厚或采用更好的吸热材料来提高吸热管承受热应力的能力。从参数设计的角度，大量的实验和模拟不稳定阈值数据需要被定义，并选择最合适的参数来控制不稳定的不利影响。
3、DSG太阳能接收器流动分布不均
基于上述两相流动不稳定性分析，不均匀流动分布将被进行理论分析和稳定性分析，然后提出结论和相应的预防措施。
3.1、不均匀流动的理论分析
基于流动不均匀分布的基础上，以具有相同入口总管的平行管道为研究对象，一个简单的单管压降计算模型被介绍并给出了相关分析。测试部分的物理模型如图6所示。
图6.测试部分物理模型
3.1.1、单管理论分析
过冷水流入DSG热管，通过三个热传导过程分裂为两个平行支路，分别是蒸发和过热，如图7所示。本程序也相应地分为三个区域：预热、蒸发和过热区。
图7.管内流体的三个分布
首先，假设管径、传热强度和出口参数保持使用相同的统一与分离模型。
两相流的动量平衡方程建立如下：
（1）
其中A是管的直径、是液体和气体截面的空隙率、是液体和气体相的密度、是液气两相流动速度、是剪应力、是液体层与管壁之间滑动区、是时间率、是沿着管道的变化率。
对动量平衡方程进行积分变换，得到了总压降方程：
（2）
其中L是管道长度，F是管道内的流动摩擦压降，g是重力压力降，a是流量加速压降。
用上述方法计算管道内各区域的压降，并且使之成为该地区的平均压降。然后利用该简化计算模型确定三个区域的摩阻压降和重力压降。首先，单相区域的摩擦阻力压降：
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
两相区摩擦压降的计算较复杂，国内外的研究人员做了大量的研究并且积累了大量的实验数据和计算方法。Chisholm方法采用计算两相区的摩擦压降，以质量速度为未知条件：
（9）
M是Lockhart-Martinelli数字。当气、液两相均为湍流时，假设系数C等于20，在层流中，当气相处于湍流状态，液相处于层流状态时。这个方程的所有参数都定义在蒸发段的中间点：..并分别在液相和气相流通过管道的总截面积的摩擦压降。
用与计算单相区摩擦压降的计算方法相同的方法，计算单相区域的重力压降：
（10）
（11）
两相区的重力压降：
（12）
（13）
在上述等式中，为饱和蒸汽密度。
将上面计算的三个区域的摩擦压降和重力压力降加入到总压降公式中：
（14）
图8显示模拟工况下的的水动力特性，它的工作条件是：
图8. 模拟流体力学的条件特性
管道内部直径D=6mm，加热区间长度L=3m，管道进水温度T0=60摄氏度，沿管道热量Q = 1.2kw/m，管道出口压力=0.1MP。
如图8所示，当流量处于较低水平时，水在管道中进行过热和完全蒸发；当流量处于中等水平时，在管道中同时存在过热蒸汽和流体；当流量处于高水平时，管道中只存在热水。因此，对于在管道整体长度中热量较低的管道，有较低的质量流率，管道中存在两相混合区域。
通过Minzer和一些学者提出的理论计算模型更简单，它诱导的时间参数来表达变量之间的关系，因此，它有利于稳态和瞬态的分析。对于低功耗系统，该模型的提供的模拟结果是好的，但对于槽式太阳能DSG系统的实际操作中，这种模型由于较高的工作压力而失去了精度。
3.1.2、双管理论分析
由于负斜率区的存在，一个特定的压降可能有三个不同的流量。该模型具有相同的开头，管两侧压降相等，所以每一个特定的压降可能有九种不同的总入口流量：其中，有这样一种可能，流量可能发生在左管上，同样也有流量法师在右管上的可能。
整个入口压力从低到高，可以得到分流比和总入口流量所有可能的关系。假设左右平行管的热阻系数和电阻系数完全一致，即，它们具有相同的水力特性曲线，如图9所示。
图9.平行管道分流比和总入口流量的关系
3.2、流不均匀分布的稳定性分析
双管分析显示了，对于给定的入口流量的开头，分配后可能有一、三、或五种分流比，并且这在实践中将会更加复杂，因此，稳定的解决方案和非稳定的解决方案需要使用稳定性分析进行区分，从而揭示实际工况下的实际流量分布。
根据Akagawa提出的稳定性分析方法，用于加热蒸发平行管路系统，双管道的稳定性应满足两种限制，在Routh Hurwitz准则线上：
（15）
（16）
是水力特性曲线斜率，假设总入口流量保持恒定，趋近于负无穷。考虑稳定性条件，该并联双管系统的总入口流量和分流比之间的关系如图10所示。黑线表示稳定的分流比，红线表示不稳定的分流比。稳定性分析揭示了实际工况下的实际运行情况，红线区域在实际情况中不会发生。
图10. 实际并行管道系统分流比对总入口流量之间的关系
4、总结
抛物槽式太阳能DSG热发电系统比之双回路系统在经济方面、安全方面、环境保护方面有优点，但是传热不足，特别是吸热管道中的两相流动不稳定性，已经成为这项技术大规模商业应用的一大障碍。太阳能管道流的分布不均，将直接干扰输出参数的不稳定性，并引起管道弯曲变形或断裂甚至严重事故。
通过理论分析的启发，本文揭示了太阳能接收器不均匀分布的本质，并得出以下结论：
- 单管分析表明，当它是在低流量时，水完全蒸发，管道中存在的是过热蒸汽；当它处于中流量时，管中同时存在过热蒸汽和流体；当它处于高流量状态时，管道中不发生蒸发，只存在热水。因此，管道有一个较低的热传递质量，管道中存在两相混合区域有较低的质量流率。
- 双管分析显示，对于给定的入口流量的开头，分配后可能有一、三、或五种分流比，并且这在实践中将会更加复杂。
确认
这个研究已经被科学基础研究重点项目、中国河北省科技部（13964306D）、和中国国家基础研究项目程序（No.2015CB251505）支持。
参考资料
[1] Zhu Yongqi, Ma Yunfei,HeBo.China “Economic Herald reporter future power structure of the lsquo;four-legged racersquo;”.China Economic Herald.03 (15B).pp.02, (2014).
[2] Jianmin Liu.“Solar thermal power generation technology”. Beijing: Chemical Industry Press.pp.1-2,(2012).
[3]Jianmin Liu.“Solar energy utilization”.Beijing:Electronic Industry Press.Pp.3-5.(2010).
[4] Xiao Xiangning, XuYonghai. “Power Quality Analysis”.Power System Technology.25 (3).pp. 66-69, (2001).
[5] Zhang Yaoming. “Solar Thermal Power Technology”.Shanxi Energy and Conservation.03.pp.1-4, (2009).
[6] Wang Jun, Zhang Yao-ming, LiuDeyou. “Solar Thermal P
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