太阳直射辐射强度的扰动情况分析

1.太阳直射辐射强度阶跃降低70%

太阳直射辐射强度阶跃降低70%，DSG槽式集热器出口工质温度、工质流量响应如图6.10所示。

图6.10（a）所示为出口工质温度响应曲线。由于太阳辐射突降至300W/m2，因此工质温度也随之很快地下降，大约128s后出口工质温度降至饱和温度310.35℃，出口工质为两相流。

图6.10　太阳直射辐射强度降低70%时集热器主要参数动态响应

图6.10（b）和（c）所示为出口工质流量响应曲线。流量随时间的推移，呈先下降再上升再下降的趋势，并逐渐恢复至初始值。这是因为直射辐射强度突然降低，导致集热器内（尤其是过热区）工质温度快速降低，并致使工质容积快速减少，从而导致短时间内出口工质流量迅速下降。但同时由于集热器入口给水流量并无变化，因此在这一过程中有少量多余工质被暂时储存在集热器内部，导致内部总工质质量增加以及压力增大，从而导致内部至出口的沿程压降增大。随后，由于沿程压降的增大导致出口工质流量短暂增大。由于太阳直射辐射强度降低导致集热器内工质压力降低，因此在一段时间内，出口工质流量大于进口给水流量，多出的工质来源于集热器内压力降低导致的工质膨胀。随着时间的推移，出口工质流量逐渐与给水流量相等，达到稳定状态。

特别要说明的是，从图6.10（c）可以看出，在128s之前的一段时间内出口工质流量是有脉动的。产生脉动有以下两个原因：

（1）模型的传热系数和摩擦系数选用了实时计算结果，而不是其他文献中所采用的稳态工况值。因为实际情况是太阳辐射下降一段时间后，DSG槽式集热器中两相区结束位置要向后移动，所以此时原两相区结束位置上的工质为汽水混合物，即此时该位置上工质的质量含汽率小于1。由于两相区传热系数要比干蒸汽区传热系数大得多，所以此时该位置上传热系数突增，管壁向工质的传热量突增，从而导致工质温度升高，工质重新成为过热蒸汽，即该位置上工质的质量含汽率等于1。而工质温度升高增大了工质容积，从而增大了沿程压降。当该位置上的工质变为过热蒸汽时，传热系数会突降，传热系数的突变导致管壁向工质的传热量突然下降，管壁温度突然上升，从而使此处工质温度下降并重新回到两相区，压降较前一时刻有所减小，流量降低。经过多次反复后，集热器该位置才能稳定过渡到两相区，流量也呈脉动状态。图6.10（c）所示的DSG槽式集热器出口处流量的脉动是管内不同位置上上述作用的叠加导致的，其中小图为出口工质流量呈脉动状态时的放大视图。顺便指出，下述图6.11（c）和图6.15（c）中同样出现了脉动现象，只是由于这两张图中给定的太阳直射辐射强度扰动和给水温度扰动都比较小（5%），因此脉动情况也比较缓和。实际上，DISS项目关于直通式槽式DSG系统的实验数据也表明，在直通式槽式系统中，集热管内的蒸发区结束位置确实会发生上述的往复波动。这种蒸发区结束位置的往复波动在集热管局部导致了管壁温度的快速变化和管周向的高温差（即集热管局部热应力快速增加）。特别是当管内工质两相区突然变长时（即蒸发区结束位置突然后移时），该现象会非常明显，甚至会超过集热管的热应力承受能力。正是由于上述问题导致了直通式槽式DSG系统性能不稳定，而再循环模式槽式DSG系统采用汽水分离器将蒸发区和过热区从物理结构上分开，正好避免了这一问题的发生，这是再循环模式槽式DSG系统最重要的优点。

（2）在汽水传热过程中，工质热力性质中参数的不连续性导致数值计算过程中产生振荡。从改善模型的角度，以往解决该问题的方法有以下两种：

1）采用移动边界模型，移动边界模型在相变边界上没有长度方向的导数，但这种模型需要辨别相变边界并适当的调整计算网格。如果采用非线性分布参数方法建模，会得到很好的仿真结果，但模型会非常复杂。而在以往的研究中，移动边界模型一般只采用非线性集总参数方法进行建模，即忽略参数在管长方向的变化，在管长方向采用平均值的方法，建立只有时间导数的常微分方程组。这种方法在火电厂动态建模中应用得非常广泛，但集总参数模型并不能有效地描述太阳辐射沿管长方面的动态变化，对于具有明显分布特性的槽式DSG系统来说，这并不是一种优秀的方法。

2）采用连续的物性方程，对工质物性参数在相变处的不连续采用平滑插值的方法。但本书应用该方法时发现虽然平滑插值可以减少波动幅值，但却会增长波动时间，降低了仿真精度。如何减少或消除数值计算中产生的振荡，将作为后续研究中的一个重点内容。

图6.10（d）所示为入口工质压力响应曲线。当太阳直射辐射强度阶跃降低时，集热器入口工质压力先下降后上升，最终达到新的稳定值。出口为过热蒸汽的DSG槽式集热器入口工质压力响应与出口为热水的DSG集热器入口工质压力响应[图6.1（c）]的趋势相同。

2.太阳直射辐射强度阶跃降低5%

太阳直射辐射强度阶跃降低5%，集热器出口工质温度、流量响应如图6.11所示。

图6.11（a）所示为集热器出口工质温度响应曲线。由于太阳直射辐射强度降低5%，工质温度也随之下降，逐步稳定后出口工质仍为过热蒸汽。

图6.11（b）和（c）所示为集热器出口工质流量响应曲线。太阳直射辐射强度降低导致出口工质流量先下降后上升，而后逐步下降恢复至初始值。

图6.11（d）所示为入口工质压力响应曲线。当太阳直射辐射强度阶跃降低5%时，集热器入口工质压力逐渐下降至新的稳定值。

3.单局部管长范围太阳直射辐射强度阶跃降低5%

图6.11　太阳直射辐射强度阶跃降低5%时DSG集热器各参数动态响应

分析局部管长范围太阳直射辐射强度扰动时，考虑三种情况：情况一为假设DSG槽式集热器前100m管段（即初始条件下处于热水区的一段管段）受到遮挡，该管段太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件f）；情况二为假设DSG槽式集热器第300m至第400m管段（即初始条件下处于两相区的一段管段）受到遮挡，该管段太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件g）；情况三为假设DSG槽式集热器第500～600m管段（即初始条件下处于干蒸汽区的一段管段）受到遮挡，该管段太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件h）。

以上3种条件下DSG槽式集热器出口工质温度、工质流量以及入口工质压力的响应与全部管长范围太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件i）时的对应值进行比较，如图6.12所示。

由图6.12（a）可知，条件f、条件g、条件h、条件i时DSG槽式集热器出口工质温度响应趋势相同，但4种情况在是否有延时以及变化幅值方面不同。(www.xing528.com)

DSG槽式集热器出口工质温度的响应延时最长的是条件f时，其次是条件g时，条件h时和条件i时一样，其出口工质温度响应没有延时。这一现象表明出口工质温度是否延时响应与受到的太阳直射辐射强度扰动位置有关，当太阳直射辐射强度扰动发生在集热器末端时，出口工质温度响应无延时；当太阳直射辐射强度扰动发生的位置距离DSG槽式集热器末端越远时，出口工质温度响应延时时间越长。

条件f、条件g、条件h时DSG槽式集热器出口工质温度响应变化幅值最大的是条件f时，在响应开始的600s内，条件g时的响应变化幅值比条件h时的响应变化幅值小，但条件g时和条件h时的出口工质温度响应变化幅值在600s后逐渐相同。这一现象表明出口工质温度变化幅值也与太阳直射辐射强度扰动位置有关。同样是100m管长范围受到太阳直射辐射扰动，但扰动发生在热水区时出口工质温度的变化比扰动发生在两相区或干蒸汽区时出口工质温度的变化明显；而扰动发生在两相区时或干蒸汽区时出口工质温度变化的幅值是基本一样的。

图6.12　单局部管长范围太阳直射辐射强度降低5%时集热器各参数动态响应

由图6.12（b）可知，条件f、条件g、条件h、条件i时DSG槽式集热器出口工质流量响应趋势相同，都是呈现先下降再上升的变化趋势。条件f、条件g、条件h时相比，条件f时DSG槽式集热器出口工质流量变化到最小值的时间最长但幅值居中，条件g时DSG槽式集热器出口工质流量变化到最小值的时间居中但幅值最大，条件h时DSG槽式集热器出口工质流量变化到最小值的时间最短且幅值最小。这一现象表明，太阳直射辐射强度扰动发生的位置越靠近DSG槽式集热器末端，其出口工质流量变化到最小值的时间越短；太阳直射辐射强度扰动发生在两相区时出口工质流量变化幅值最大，扰动发生在热水区时出口工质流量变化幅值次之，扰动发生在干蒸汽区时出口工质流量变化幅值最小。

条件f时DSG槽式集热器出口工质流量响应有130s左右的延时，条件g时DSG槽式集热器出口工质流量响应有1.65s左右的延时，而条件h、条件i时DSG槽式集热器出口工质流量响应无延时。这一现象表明出口工质流量是否延时响应与受到的太阳直射辐射强度扰动位置有关，当太阳直射辐射强度扰动越靠近DSG槽式集热器末端时，其出口工质流量响应延时越小。

条件f、条件g、条件h时相比较，DSG槽式集热器出口工质流量响应变化幅值最大的是条件f时；条件g时和条件h时的出口工质流量响应变化幅值在600s后逐渐相同。这一现象表明出口工质流量变化幅值也与太阳直射辐射强度扰动位置有关。同样是100m管长范围受到太阳直射辐射强度扰动，扰动发生在热水区时出口工质流量的变化比扰动发生在两相区或干蒸汽区时出口工质流量的变化明显；而扰动发生在两相区时或干蒸汽区时出口工质流量变化的幅值是基本一样的。

由图6.12（c）可知，条件f、条件g、条件h、条件i时DSG槽式集热器入口工质压力响应趋势相同，但4种情况在是否有延时以及变化幅值方面不同。

条件f、条件g、条件h时DSG槽式集热器入口工质压力的响应延时最长的是条件h时，其次是条件g时，条件f时和条件i时一样，其入口工质压力响应没有延时。这一现象表明入口工质压力是否延时响应与受到的太阳直射辐射强度扰动位置有关，当太阳直射辐射强度扰动发生在DSG槽式集热器始端时，入口工质压力响应无延时；当太阳直射辐射强度扰动发生的位置距离DSG槽式集热器始端越远时，入口工质压力响应延时时间越长。

条件f、条件g、条件h时DSG槽式集热器入口工质压力响应变化幅值最大的是条件f时，条件g时和条件h时的入口工质压力响应变化幅值基本相同。这一现象表明入口工质压力变化幅值也与太阳直射辐射强度扰动位置有关，同样是100m管长范围受到太阳直射辐射强度扰动，当扰动发生在热水区时入口工质压力的变化比扰动发生在两相区或干蒸汽区时，入口工质压力的变化明显；而扰动发生在两相区时或干蒸汽区时，入口工质压力变化的幅值基本一样。

4.多局部管长范围太阳直射辐射强度阶跃降低5%

分析多局部管长范围太阳直射辐射强度扰动时，考虑到太阳辐射及云的实际情况，这里只对两局部管长范围太阳直射辐射强度扰动进行分析。这里考虑3种情况：情况一为假设DSG槽式集热器前100m和300～400m的管段（即初始条件下处于热水区的一段管段和处于两相区的一段管段）受到遮挡，该管段太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件j）；情况二为假设DSG槽式集热器前100m和500～600m的管段（即初始条件下处于热水区的一段管段和处于干蒸汽区的一段管段）受到遮挡，该管段太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件h）；情况三为假设DSG槽式集热器第300～400m和500～600m管段（即初始条件下处于两相区的一段管段和处于干蒸汽区的一段管段）受到遮挡，该管段太阳直射辐射强度阶跃降低5%（假设此为条件l）。

上述3种条件下DSG槽式集热器出口工质温度、工质流量以及入口工质压力的响应与全部管长范围太阳直射辐射强度阶跃降低5%（条件i）时的对应值进行比较，如图6.13所示。

由图6.13（a）可知，条件k、条件l、条件i时DSG槽式集热器出口工质温度响应趋势相同，都是随时间逐渐下降至新的稳定值；而条件j时，DSG槽式集热器出口工质温度在约106.9s之前有一个幅值很小（约为0.14℃）的微升下降过程，在106.9s之后趋势与条件k、条件l、条件i时大致相同。这一现象表明如果DSG槽式集热器末端受到的太阳直射辐射强度发生扰动，则其出口工质温度很快就会发生明显变化；但如果太阳直射辐射强度扰动的位置远离DSG槽式集热器末端，则其出口工质温度在开始阶段变化并不明显，会维持一段时间后，才发生明显变化。

条件j、条件k、条件l时DSG槽式集热器出口工质温度响应变化幅值最小的是条件l时，在响应开始的600s内，条件j时的响应变化幅值比条件k时的响应变化幅值小，但条件j时和条件k时的出口工质温度响应变化幅值在600s后逐渐相同。这一现象表明出口工质温度变化幅值也与太阳直射辐射强度扰动位置有关。同样是200m管长范围受到太阳直射辐射强度扰动，如果有太阳直射辐射强度扰动发生在热水区时，其出口工质温度的变化比其他情况时的变化明显。

图6.13　多局部管长范围太阳直射辐射强度降低5%时集热器各参数动态响应

由图6.13（b）可知，条件j、条件k、条件l、条件i时DSG槽式集热器出口工质流量响应趋势相同，都是呈现先下降再上升的变化趋势。条件j、条件k、条件l时相比，条件j时和条件l时DSG槽式集热器出口工质流量响应在前50s几乎一致，条件k时DSG槽式集热器出口工质流量响应在开始阶段有一个很小的下降再上升过程，在400s之后其响应曲线几乎与条件j时的响应曲线重合。这一现象表明，当有太阳直射辐射强度扰动发生在两相区时，DSG槽式集热器出口工质流量会很快下降再上升；当有太阳直射辐射强度扰动发生在热水区时，DSG槽式集热器出口工质流量变化的幅值会比较大。

条件j时DSG槽式集热器出口工质流量响应有一个很短的延时，大约为1.65s；其他条件下，DSG槽式集热器出口工质流量响应均无延时发生。这一现象表明出口工质流量是否延时响应与受到的太阳直射辐射强度扰动位置有关，当太阳直射辐射强度扰动越靠近DSG槽式集热器末端时，DSG槽式集热器出口工质流量响应延时越小。结合图6.12（b）DSG槽式集热器出口工质流量响应可知，当太阳直射辐射强度扰动仅发生在热水区时，DSG槽式集热器出口工质流量响应的延时很长；如果DSG槽式集热器其他区域也有太阳直射辐射强度扰动发生，则DSG槽式集热器出口工质流量响应的延时几乎可以忽略不计。

由图6.13（c）可知，条件j、条件k、条件l、条件i时DSG槽式集热器入口工质压力响应趋势相同，但4种情况在是否有延时以及变化幅值方面不同。

条件j、条件k、条件l时DSG槽式集热器入口工质压力的响应延时最长的是条件l时，约为17.21s，条件j、条件k时和条件i时一样，其入口工质压力响应没有延时。这一现象同样表明入口工质压力是否延时响应与受到的太阳直射辐射强度位置有关，当太阳直射辐射强度扰动发生在DSG槽式集热器始端时，入口工质压力响应无延时；当太阳直射辐射强度扰动发生的位置距离DSG槽式集热器始端越远时，入口工质压力响应延时时间越长。

条件j、条件k、条件l时DSG槽式集热器入口工质压力响应变化幅值最小的是条件l时，条件j时和条件k时的入口工质压力响应曲线基本重合，幅值也基本相同。这一现象表明当DSG槽式集热器热水区的太阳直射辐射强度发生扰动时，其入口工质压力变化幅值较大。