DSG槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)建模與控制研究進(jìn)展

河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 ■ 郭蘇 劉德有 王沛 許昌

0 引言

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(槽式系統(tǒng))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、土地利用率高、安裝維護(hù)方便，是世界上迄今為止商業(yè)化最成功的太陽能熱發(fā)電形式。槽式太陽能聚光集熱器(槽式集熱器)由拋物線槽式聚光鏡、集熱管等部件構(gòu)成，是其聚光集熱的主要部件。1994年，Cohen等[1]提出了以水為傳熱工質(zhì)的直接蒸汽發(fā)電(Direct Steam Generation，DSG)槽式集熱器的概念，作為槽式集熱器的未來發(fā)展方向。近年來各國(guó)專家學(xué)者均將目光投向了采用DSG槽式集熱器的DSG槽式系統(tǒng)，DSG槽式系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，具有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文主要針對(duì)DSG槽式系統(tǒng)的建模和控制研究進(jìn)行論述和分析。

1 DSG槽式系統(tǒng)

DSG槽式系統(tǒng)將大量DSG槽式集熱器通過串并聯(lián)的方式布置在場(chǎng)地上，拋物線槽式聚光鏡采用單軸跟蹤方式追蹤太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，將入射的直射太陽輻射聚焦到位于拋物線焦線的集熱管上，集熱管中的傳熱工質(zhì)水被加熱到400 ℃及以上的高溫，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電[2-5]。

與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油工質(zhì)槽式系統(tǒng)相比，DSG槽式系統(tǒng)同樣由聚光集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、輔助能源子系統(tǒng)構(gòu)成，但由于利用水工質(zhì)代替了導(dǎo)熱油工質(zhì)，因此沒有換熱環(huán)節(jié)。

DSG槽式系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)為：用水替代導(dǎo)熱油，消除了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；省略了油/蒸汽換熱器及其附件等，減少了換熱環(huán)節(jié)的能量損失，電站投資也大幅下降；簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大幅降低了電站的運(yùn)營(yíng)成本；用水替代導(dǎo)熱油，運(yùn)行溫度可達(dá)到500 ℃甚至更高的工作溫度，提高了電站發(fā)電效率[2-4,6-8]。

Dagan等[9-10]提出DSG槽式系統(tǒng)的運(yùn)行模式有直通模式、注入模式和再循環(huán)模式3種，見圖1[11-12]。在直通模式DSG槽式系統(tǒng)中，給水從集熱器入口至集熱器出口，依次經(jīng)過預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱，直至蒸汽達(dá)到系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)入汽輪機(jī)組發(fā)電。注入模式DSG槽式系統(tǒng)與直通模式DSG槽式系統(tǒng)類似，區(qū)別在于注入模式DSG槽式系統(tǒng)中集熱器沿線均有減溫水注入。而再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)最為復(fù)雜，該系統(tǒng)在集熱器蒸發(fā)區(qū)結(jié)束位置裝有汽水分離器。3種模式中，直通模式是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式；再循環(huán)模式是目前最保守、最安全的運(yùn)行模式[13]；而由于注入模式的測(cè)量系統(tǒng)不能正常工作[11]，因此一般不采用注入模式。由于DSG槽式系統(tǒng)運(yùn)行中集熱器內(nèi)存在水-水蒸氣兩相流轉(zhuǎn)化過程，因此其控制問題比導(dǎo)熱油工質(zhì)槽式系統(tǒng)更加復(fù)雜[11-13]。

圖1 DSG槽式系統(tǒng)運(yùn)行模式簡(jiǎn)圖

1996年，在歐盟的經(jīng)濟(jì)支持下，CIEMAT公司聯(lián)合DLR公司、ENDESA公司等8家公司在CIEMAT-PSA實(shí)驗(yàn)中心共同研發(fā)了一個(gè)槽式太陽能直接蒸汽發(fā)電實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目DISS(DIrect Solar Steam)[14-15]，見圖2。DISS項(xiàng)目旨在真實(shí)太陽輻射條件下研究DSG槽式系統(tǒng)的3種基本運(yùn)行模式(即直通模式、注入模式和再循環(huán)模式)，找出最適合于商業(yè)電站的運(yùn)行模式，并為未來DSG槽式電站的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)[16]。

圖2 DISS槽式太陽能熱發(fā)電站

DISS電站由集熱場(chǎng)和其他設(shè)備(Balance of Plant，BOP)組成，如圖3所示。集熱場(chǎng)是一個(gè)單獨(dú)的從南到北放置的DSG槽式集熱器組，負(fù)責(zé)把直射太陽輻射能轉(zhuǎn)換為過熱蒸汽的熱能；BOP負(fù)責(zé)凝結(jié)過熱蒸汽并送回到集熱場(chǎng)入口。DISS電站的集熱器組串聯(lián)了11個(gè)改進(jìn)的LS-3型拋物線槽式集熱器，總長(zhǎng)500 m。LS-3型集熱器開口寬5.76 m，反射鏡面積為3000 m2，集熱管的內(nèi)外徑為50/70 mm，聚光比為82，光學(xué)效率為0.8，吸收率為0.96，鏡面反射率為0.94，集熱管發(fā)射率為0.19，設(shè)計(jì)工作溫度為390 ℃。整個(gè)集熱場(chǎng)由3部分組成，即預(yù)熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)。蒸發(fā)區(qū)末端設(shè)有再循環(huán)泵和汽水分離器，為進(jìn)行再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。給水在集熱場(chǎng)中經(jīng)過預(yù)熱、蒸發(fā)和過熱3個(gè)階段被加熱成高溫高壓蒸汽，送入汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從汽輪發(fā)電機(jī)組排出的乏汽經(jīng)過冷凝、除氧等過程再次作為給水參與循環(huán)。DISS電站采用傳統(tǒng)的比例-積分(PI)控制方法對(duì)工質(zhì)的主要參數(shù)進(jìn)行控制。

圖3 DISS電站回路示意圖

DISS電站的運(yùn)行結(jié)果表明，DSG槽式技術(shù)完全可行，并且證明在回?zé)崽m金循環(huán)下，汽輪機(jī)入口溫度為450 ℃時(shí)，DISS電站太陽能轉(zhuǎn)化電能的轉(zhuǎn)化率為22.6%。而工質(zhì)為導(dǎo)熱油的傳統(tǒng)槽式系統(tǒng)，汽輪機(jī)入口溫度為375 ℃(這一溫度由導(dǎo)熱油的穩(wěn)定極限限制)時(shí)，太陽能轉(zhuǎn)化電能的轉(zhuǎn)化率僅為21.3%[16]。

2012年1月，TSE-1電站(如圖4)并網(wǎng)發(fā)電，這是世界上首座商業(yè)化DSG槽式太陽能熱發(fā)電站。TSE-1電站位于泰國(guó)Kanchanaburi省，裝機(jī)容量為5 MW，運(yùn)行溫度和壓力為330 ℃、3 MPa，年產(chǎn)電量9 GWh，能源轉(zhuǎn)化率達(dá)到26.4 %。TSE-1電站集熱場(chǎng)占地面積11×105m2，聚光鏡總面積為4.5×104m2。該電站采用了安全可靠的再循環(huán)運(yùn)行模式，擁有11個(gè)蒸發(fā)回路和7個(gè)過熱回路，對(duì)蒸發(fā)回路的流量進(jìn)行自動(dòng)控制，以確保蒸發(fā)回路的安全性，避免了干燒的可能性。集熱場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)采用半自動(dòng)控制，啟動(dòng)過程中汽輪機(jī)組需在集熱場(chǎng)出口蒸汽達(dá)到設(shè)定值時(shí)投入運(yùn)行。TSE-1電站由Solarlite公司提供技術(shù)支持[17-18]。

圖4 TSE-1電站

2 DSG槽式系統(tǒng)建模與控制研究現(xiàn)狀

2.1 DSG槽式系統(tǒng)建模研究現(xiàn)狀

對(duì)槽式集熱器及槽式系統(tǒng)進(jìn)行建模，是研究槽式系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)，也是研究槽式熱發(fā)電控制方案的基礎(chǔ)。20世紀(jì)末，各國(guó)專家學(xué)者開始了關(guān)于DSG槽式集熱器和DSG槽式系統(tǒng)的建模研究。

Odeh等[19-22]在1996～2003年的5篇論文中，建立了以管壁溫度作為自變量的槽式集熱器熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)模型、熱損模型及效率模型，建立了DSG槽式集熱器的水動(dòng)力穩(wěn)態(tài)模型(包括流態(tài)模型和壓降模型)，并與熱力學(xué)模型聯(lián)立建立了DSG槽式系統(tǒng)的統(tǒng)一模型。優(yōu)化了直通式DSG槽式集熱器的設(shè)計(jì)，提出DSG集熱器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行策略。

2005～2007年間，Eck等[23-24]以DISS電站為基礎(chǔ)建立了再循環(huán)模式DSG槽式集熱器的非線性分布參數(shù)模型，為了獲得靈活且魯棒性強(qiáng)的仿真模型，建立了顯式微分方程組，并且所有閉合方程(包括壓降方程、傳熱方程和工質(zhì)物性參數(shù)方程等)均被描述成為狀態(tài)變量的函數(shù)。

2012年，Bonilla等[25]以DISS電站為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)了基于面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)模型的直通模式DSG槽式電站的動(dòng)態(tài)仿真方案。該模型的輸入包括：環(huán)境溫度，直射太陽輻射DSI，工質(zhì)的入口溫度、壓力、流量及噴水減溫器工質(zhì)的溫度、壓力和流量等。其兩相區(qū)模型采用了均相模型。采用有限體積法、交錯(cuò)網(wǎng)格法以及迎風(fēng)格式對(duì)模型進(jìn)行離散。但該模型中，每種狀態(tài)工質(zhì)的傳熱系數(shù)被簡(jiǎn)化為常數(shù)，摩擦系數(shù)也被簡(jiǎn)化為常數(shù)，降低了模型的準(zhǔn)確度。

近年來，隨著我國(guó)對(duì)太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究的深入，國(guó)內(nèi)學(xué)者也逐步開始了對(duì)DSG槽式系統(tǒng)的研究。

徐濤[26]以槽式集熱器的散焦現(xiàn)象為切入點(diǎn)，對(duì)集熱管表面光學(xué)聚光比分布開展理論分析和計(jì)算機(jī)模擬研究，建立了光學(xué)聚光比的數(shù)學(xué)模型。但該數(shù)學(xué)模型有一定的適應(yīng)條件，且模擬程序收斂時(shí)間較長(zhǎng)；韋彪等[27]以直通模式DSG槽式集熱器為研究對(duì)象，基于集熱器管內(nèi)水工質(zhì)的流型與傳熱特性，建立了DSG槽式集熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型；李明等[28]建立了槽式集熱器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性；熊亞選等[29-30]通過分析槽式太陽能集熱管熱損失的計(jì)算方法和傳熱過程，建立了槽式太陽能集熱管的二維穩(wěn)態(tài)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；楊賓[31]在傳統(tǒng)槽式集熱器研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)集熱管內(nèi)水在流動(dòng)吸熱過程中的狀態(tài)變化，建立了管內(nèi)一維穩(wěn)態(tài)兩相流動(dòng)與傳熱模型；崔映紅等[32]利用傳熱熱阻原理分析了DSG槽式集熱器熱損的計(jì)算方法，建立了穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，并對(duì)直通模式和再循環(huán)模式連接的DSG槽式集熱器的壓降進(jìn)行了分析；梁征等[8,33]分別建立了導(dǎo)熱油工質(zhì)槽式集熱器的一維傳熱動(dòng)態(tài)模型和水工質(zhì)DSG槽式集熱器的一維多相流動(dòng)與傳熱動(dòng)態(tài)模型。導(dǎo)熱油工質(zhì)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但DSG槽式集熱器模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差較大；郭蘇等[34]建立了DSG槽式集熱器的非線性分布參數(shù)動(dòng)態(tài)模型，模型采用了實(shí)時(shí)的傳熱系數(shù)和摩擦系數(shù)，提高了模型精度，并建立了適用于移動(dòng)云遮工況的云遮始末時(shí)間模型，解決了DSG槽式集熱器非線性集總參數(shù)模型不能模擬局部云遮、移動(dòng)云遮等實(shí)際DNI變化工況的問題。

2.2 DSG槽式系統(tǒng)控制研究現(xiàn)狀

DSG槽式系統(tǒng)的控制目標(biāo)是根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)的需要，在管路出口處實(shí)現(xiàn)恒定溫度和壓力的蒸汽輸出。DSG槽式系統(tǒng)控制領(lǐng)域公開發(fā)表的研究成果非常有限，僅有的幾篇關(guān)于DSG系統(tǒng)控制方法和策略的文章都是基于DISS項(xiàng)目完成的。目前，國(guó)外主要采用的仍是經(jīng)典的比例－積分(PI)控制方法[11-13,17]。

Valenzuela等[11-12]設(shè)計(jì)實(shí)施了DISS項(xiàng)目直通模式和再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)的控制方案，并對(duì)其做了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了控制方案的可行性。Valenzuela采用了經(jīng)典的PI/PID控制器，控制器參數(shù)采用極點(diǎn)配置法得到。實(shí)驗(yàn)中，再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)表現(xiàn)出的控制性能可以接受。而直通模式DSG槽式系統(tǒng)較難控制，在PI控制的基礎(chǔ)上增加了前饋控制器，并采用了串級(jí)控制。

Eck等[23-24]對(duì)再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)的汽水分離器水位和出口蒸汽給出了控制方案。對(duì)于汽水分離器水位控制，Eck針對(duì)現(xiàn)有給水流量PI控制滯后大、調(diào)節(jié)慢的現(xiàn)象，在給水流量PI控制基礎(chǔ)上，增加了集熱場(chǎng)出口蒸汽產(chǎn)量的快速反饋回路，提高了控制性能。對(duì)于出口蒸汽控制，在PI控制的基礎(chǔ)上并聯(lián)前饋控制以提高控制性能。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于DSG槽式系統(tǒng)控制方案、控制策略的研究更是剛剛起步。

張先勇等[35]對(duì)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的太陽跟蹤控制、溫度與壓力控制系統(tǒng)等關(guān)鍵控制問題的應(yīng)用現(xiàn)狀作了較為全面的綜述。王桂榮等[36-38]采用PI控制為輔的反饋線性化串級(jí)控制器對(duì)注入模式下的DSG槽式系統(tǒng)出口蒸汽溫度控制進(jìn)行了研究；郭蘇等[4]采用多模型切換受限增量廣義預(yù)測(cè)控制策略對(duì)再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)集熱場(chǎng)出口蒸汽溫度進(jìn)行了控制研究，采用該策略可使被控參數(shù)快速平滑地跟蹤設(shè)定值，并有效解決了變工況可能導(dǎo)致的模型失配問題。

3 DSG槽式系統(tǒng)研究展望

工質(zhì)為水/水蒸氣的DSG槽式系統(tǒng)是槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。優(yōu)化再循環(huán)模式和直通模式的集熱場(chǎng)性能，提高其運(yùn)行控制的穩(wěn)定性是DSG槽式技術(shù)的研究方向[39]。準(zhǔn)確建立DSG槽式集熱器和DSG槽式系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究其運(yùn)行機(jī)理、控制方法和策略，是實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)的基礎(chǔ)。

從以上分析可知，DSG槽式集熱器及熱發(fā)電系統(tǒng)的建模，國(guó)外研究相對(duì)較多，國(guó)內(nèi)仍處于起步階段。對(duì)于DSG槽式集熱器動(dòng)態(tài)模型和DSG槽式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，國(guó)內(nèi)外采用非線性集總參數(shù)方法進(jìn)行建模的較為多見，而采用能充分體現(xiàn)槽式系統(tǒng)管線長(zhǎng)、DNI沿管線方向不均勻分布特點(diǎn)的非線性分布參數(shù)動(dòng)態(tài)模型研究的較少，國(guó)內(nèi)外均處于探索階段。

對(duì)于DSG槽式系統(tǒng)的控制研究，目前主要集中在以PID控制為基礎(chǔ)的相關(guān)控制方案上。由于DSG槽式系統(tǒng)的控制對(duì)象多具有大滯后、大慣性、參數(shù)時(shí)變等特點(diǎn)，經(jīng)典的PID控制方法較難達(dá)到良好控制效果，因此應(yīng)該將先進(jìn)控制理論應(yīng)用到DSG槽式系統(tǒng)的控制中。直通模式DSG槽式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、效率高，是最理想的運(yùn)行模式。但由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也是最難控制的運(yùn)行模式。采用何種先進(jìn)控制理論對(duì)直通模式DSG槽式系統(tǒng)進(jìn)行控制才能達(dá)到理想控制效果，也是今后應(yīng)深入研究的問題。

4 結(jié)論

本文對(duì)DSG槽式系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)、運(yùn)行模式等進(jìn)行了介紹，并對(duì)DSG槽式系統(tǒng)的建模和控制問題及研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)綜述。DSG槽式系統(tǒng)作為一個(gè)具有典型分布式特性的系統(tǒng)，建立其分布參數(shù)模型是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬其特性的首要工作；DSG槽式系統(tǒng)作為一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論對(duì)其進(jìn)行控制必將成為其穩(wěn)定運(yùn)行、提高效率的首選。直通模式DSG槽式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，應(yīng)成為今后重點(diǎn)研究的系統(tǒng)模式。

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