汽水分离器模型优化方案

在再循环模式槽式DSG系统中，系统有两个汽水分离器，分别位于蒸发环节和过热环节的末端。蒸发环节末端的称为中间汽水分离器（middle steam seperator），过热环节末端的称为终端汽水分离器（final steam seperator）。再循环式槽式DSG系统正常工作时，中间汽水分离器主要起到汽水分离的作用，终端汽水分离器主要起到稳压和工质通道的作用；而在再循环模式槽式DSG系统启停时，中间汽水分离器不工作，终端汽水分离器起汽水分离作用。

在再循环模式槽式DSG系统升负荷过程中，为了使系统迅速达到设计工况，中间汽水分离器暂停使用，运行模式由再循环模式简化为直通模式：DSG槽式集热器中的工质不断被太阳辐射加热，其出口的工质从未饱和水逐步变成饱和水、未饱和蒸汽、饱和蒸汽、过热蒸汽。当DSG槽式集热器出口工质为饱和水或未饱和蒸汽时，终端汽水分离器的工作状态为湿态；当出口工质为饱和蒸汽时，终端汽水分离器的工作状态为干湿态转换；当出口工质为过饱和蒸汽时，终端汽水分离器的工作状态为干态；当系统压力达到运行压力时，中间汽水分离器开始工作，其工作状态为湿态。在整个过程中，中间汽水分离器的工作状态为湿态，而终端汽水分离器的工作状态经历了湿态、干湿态转换、干态三个状态，并且三个状态是连续的。由于干湿态转换是分离器进入干态之前的一个很短的过程，因此这里将其简化为一个瞬间完成的过程，不做单独讨论。当再循环模式槽式DSG系统正常运行时，要求蒸发区的出口为未饱和汽水混合物，因此中间汽水分离器的工作状态为湿态；要求过热区出口为过饱和蒸汽，因此终端汽水分离器的工作状态为干态。当再循环式槽式DSG系统降负荷时，与升负荷过程相反。

综上所述，本书采用非线性集总参数方法对再循环模式槽式DSG系统中汽水分离器进行建模，根据能量守恒、质量守恒、状态方程等定律，从汽水分离器的具体结构和工作机理出发，建立了包含干态、湿态两个工作状态的汽水分离器非线性集总参数模型。

1.汽水分离器物理模型

在再循环模式槽式DSG系统中，目前应用较多的是小型汽水分离器加储水罐的形式，该形式类似于一个小型汽包。本书将结构简化，汽水分离器的简化物理模型如图8.2所示，根据其工作原理做以下假设：

（1）假设分离器为有固定容积的空间，入口工质为蒸发区出口工质或过热区热段出口工质；出口工质为饱和水、饱和蒸汽或过饱和蒸汽。

图8.2　汽水分离器的简化物理模型

in—分离器进口水流量；out—分离器出口蒸汽流量；sb—分离器出口水流量

（2）假设分离器内各点工质的相应参数相同，且同步变化，即将分离器内工质按集总参数来处理。

（3）部分有效金属的温度与工质温度相同，且与工质温度同步变化。

（4）在蒸发区压力变化不大的条件下，工质内能的变化近似地等于焓的变化。

2.汽水分离器湿态数学模型

（1）质量平衡方程为

式中：V′、V″分别为饱和水及饱和蒸汽容积；ρ′、ρ″分别为饱和水及饱和蒸汽密度。

（2）能量平衡方程为

式中：Hin为分离器入口处蒸汽比焓；H′、H″分别为饱和水及饱和蒸汽比焓；csj为分离器有效金属比热；tsj为分离器有效金属温度，此处，金属温度等于工质饱和温度即tsj＝tbh；Myx为分离器有效金属量。

分离器有效金属量Myx可由下式得到

式中：α为有效金属系数，通常取为0.6；M为分离器的金属总质量。

（3）容积方程为

式中：Vs为汽水分离器的总容积。

由式（8.7）可得

(www.xing528.com)

（4）压力变动公式为

将质量平衡式（8.4）和能量平衡式（8.5）展开，并应用的关系，整理出压力变动式为

式中：r为汽化潜热。

（5）分离器产汽量。当进入分离器的工质温度达到其压力下的饱和温度时，分离器中即有蒸汽产生，且产汽量cq为

式中：x为进入分离器的工质的质量含汽率。

（6）分离器的水位方程。根据式（8.10）得产水量cs为

根据分离器水侧质量平衡有

由图8.3可知，分离器水空间的容积是水位的函数，即有

式中：h为分离器中的水位。

图8.3　汽水分离器水位示意图

根据式（8.11）～式（8.13），忽略ρ′的变化，可知分离器的水位方程为

3.汽水分离器干态数学模型

（1）质量平衡方程为

式中：ρs为分离器内蒸汽的密度。

（2）能量平衡方程为

式中：Hs为分离器内蒸汽比焓。

由式（8.15）和式（8.16），并应用的关系，可以整理得到以分离器内蒸汽压力Ps和比焓Hs为输出变量的基本方程组为