DSG槽式集热器的性能优化与控制策略

针对目前槽式DSG系统建模与控制的研究现状，本书建立了DSG槽式集热器和槽式DSG系统集热场的HHC稳态模型和非线性分布参数动态模型，研究了DSG槽式集热器和槽式DSG系统集热场的稳态特性和动态特性，探讨了再循环模式DSG槽式电站的控制问题。本书的研究成果主要包括以下几个方面：

（1）建立了DSG槽式集热器传热与水动力耦合稳态模型。在模型求解中采用了太阳辐射热能、工质焓值和工质压力耦合判定，对管内换热系数、蒸汽含汽率、压降、流体温度以及管壁温度等参数进行耦合求解的方法。经与澳大利亚新南威尔士大学实验测试数据以及其他文献模型计算结果数据的对比分析，验证了该模型的正确性和精确性。利用该模型对DSG槽式集热器的稳态特性进行了仿真计算分析，揭示了在直射辐射强度、工质流量、入口工质温度、入口工质压力变化时，DSG槽式集热器出口参数的一系列重要变化规律。提出了DSG槽式集热器正常工作时，太阳直射辐射强度、工质流量、入口工质温度、入口工质压力的选择范围。这对于槽式DSG系统的设计与优化具有重要的理论和实用价值，是建立DSG槽式集热器非线性分布参数动态模型的基础。

（2）建立了DSG槽式集热器的非线性分布参数动态模型和移动云遮工况的云遮始末时间模型。其中集热器动态模型的传热系数和摩擦系数采用了实时计算值，提高了模型的精度。解决了DSG槽式集热器非线性集总参数模型不能模拟局部云遮、移动云遮等实际太阳直射辐射强度变化工况的问题。利用所建模型对全管长范围太阳直射辐射强度、局部管长范围太阳直射辐射强度、给水流量、给水温度等扰动时出口分别为热水、两相流、过热蒸汽的DSG槽式集热器以及移动云遮工况下出口为过热蒸汽的DSG槽式集热器的主要参数进行了动态仿真及特性分析。仿真结果表明所建模型建模正确。太阳直射辐射强度扰动强度和扰动位置对DSG槽式集热器工质参数的动态特性均有影响。DSG槽式集热器正常运行时，需要维持一定的太阳直射辐射强度。一旦由于天气等原因造成太阳直射辐射强度变化过快，应及时采取相应措施，保证DSG槽式集热器的稳定运行。相同太阳直射辐射强度扰动时，扰动发生在热水区时对集热器工质参数的影响要比扰动发生在其他位置时大，且工质参数动态响应的延时也不同。给水流量或给水温度小幅下降时，DSG槽式集热器出口工质温度和流量都会滞后响应并且变化显著，滞后时间长，再次达到稳定时间长。本书还从理论建模和动态特性分析的角度论证了相关扰动时集热管蒸发区结束位置的往复波动现象；得出了在DSG槽式集热器出口工质流量的动态仿真中，对工质物性参数在相变处的不连续，如果采用平滑插值的方法会增长出口工质流量波动时间的结论。揭示了移动云遮工况时，云遮宽度、云遮移动速度以及云遮移动方向对DSG槽式集热器主要工质参数的影响规律。

（3）建立了直通模式槽式DSG系统集热场非线性分布参数模型，给出了给水流量、喷水减温器喷水量变化时集热场出口工质温度和流量的传递函数。直通模式槽式DSG系统集热场非线性分布参数模型包含DSG槽式集热器非线性分布参数模型和喷水减温器非线性集总参数模型两部分。利用仿真分析验证了该模型的正确性。揭示了太阳直射辐射强度、工质流量、入口工质温度、入口工质压力对直通模式槽式DSG系统集热场出口参数的影响规律，提出了直通模式槽式DSG系统正常工作时上述参数的选择范围。分析发现，在直通模式槽式DSG系统集热场中，喷水减温器作为调节保护装置，对其动态特性的影响较小。喷水量小幅下降时，集热器出口工质温度和流量响应快且变化显著，并很快再次达到稳定。集热场动态特性主要受到太阳直射辐射强度扰动强度、扰动位置，以及给水流量的影响。太阳直射辐射强度扰动发生在集热器入口附近时，集热器出口工质温度、流量响应延时长且幅值变化大。集热器出口工质温度响应的初始阶段主要受集热器出口附近的太阳直射辐射强度影响。集热器出口工质流量响应的初始阶段主要受集热器中段附近的太阳直射辐射强度影响。给水流量小幅增加时，集热器出口工质温度和流量都会滞后响应并且变化显著，滞后时间长，再次达到稳定时间长。(www.xing528.com)

（4）建立了再循环模式槽式DSG系统集热场非线性分布参数模型，给出了给水流量变化时集热场汽水分离器水位的传递函数，给出了喷水减温器喷水量变化时集热场出口工质温度的传递函数。再循环模式槽式DSG系统集热场非线性分布参数模型包含DSG槽式集热器非线性分布参数模型、汽水分离器非线性集总参数模型和喷水减温器非线性集总参数模型三部分。利用实验数据对比和仿真分析，验证了该模型的正确性。揭示了再循环模式槽式DSG系统集热场工质参数的稳态和动态变化规律。仿真结果表明再循环模式槽式DSG系统集热场出口参数动态特性与DSG槽式集热器出口参数动态特性不同，受汽水分离器影响较大。集热场动态特性受太阳直射辐射强度扰动强度、扰动位置以及给水流量扰动的影响明显。太阳直射辐射强度扰动发生在集热器蒸发区与过热区，其出口工质参数响应完全不同。出口工质参数对发生在过热区附近的太阳直射辐射强度扰动非常敏感且很快达到新的平衡。给水流量小幅增加时，出口工质温度和流量都会滞后响应并且变化显著，滞后时间长，但再次达到稳定的时间比直通模式槽式DSG系统短；汽水分离器水位滞后响应，并持续上升。喷水量小幅下降时，集热器出口工质温度和流量响应快且变化显著，并很快再次达到稳定。

（5）研究了再循环模式槽式DSG系统的控制方案，提出了再循环模式槽式DSG系统的全厂运行控制策略，验证了抗积分饱和PI控制方案的可行性，提出了MSGPC策略。提出了再循环模式槽式DSG系统启动机组、正常运行、滑压停机等运行过程的控制策略。利用本书仿真得到的汽水分离器水位传递函数采用抗积分饱和PI控制方案对汽水分离器水位进行了控制，控制效果可以满足控制需求。提出了MSGPC策略，采用该策略可使被控参数快速平滑地跟踪设定值，能有效地解决太阳能热发电系统因工况跳变而可能导致的模型失配问题。以再循环模式槽式DSG系统集热场出口蒸汽温度为例，分别利用本书仿真得到的集热场出口蒸汽温度传递函数和文献测量模型验证了该策略的可行性和有效性。