腔式太陽能水／蒸汽吸熱器給水全程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭鐵錚，劉國(guó)耀，劉德有，許 昌，郭 蘇

（1.河海大學(xué)動(dòng)力工程系，江蘇南京 210098；2.南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211100）

作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一的吸熱器，用于吸收由定日鏡場(chǎng)反射來的高能流密度太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的高溫?zé)崮?。吸熱器按外形特點(diǎn)可分為外部式和腔式兩種結(jié)構(gòu)。外部式吸熱器的吸熱面暴露于空氣中，太陽輻射能直接與吸熱面進(jìn)行熱交換，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鏡場(chǎng)有效面積大，缺點(diǎn)是吸熱器熱損失較大。腔式吸熱器的吸熱面置于腔內(nèi)，太陽輻射能進(jìn)入腔體內(nèi)，在腔內(nèi)與工作介質(zhì)進(jìn)行熱交換，可以減少吸熱器表面的對(duì)流和溢出損失，提高熱效率。

水的熱導(dǎo)率高，以水作為吸熱器的吸熱和傳熱介質(zhì)具有其他工質(zhì)難以代替的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在太陽能熱發(fā)電站中得到廣泛的應(yīng)用。例如20世紀(jì)80年代，美國(guó)的Solar One、西班牙的CESA－1和歐共體的EURELIOS試驗(yàn)電站，以及世界上第一座塔式太陽能商業(yè)電站，即由西班牙建造并于2007年投入商業(yè)運(yùn)行的10MW的PS10電站，都采用了水／蒸汽吸熱器。水／蒸汽吸熱器的熱力系統(tǒng)常見有直流形式和汽包形式，歐共體的EURELIOS電站采用了直流形式，但運(yùn)行中出現(xiàn)以下問題：電站啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)；隨著能流密度的變化以及負(fù)荷變化，吸熱器的出口溫度很不穩(wěn)定。F.Aiello等人認(rèn)為這是直流形式所特有的功能性問題。另外，直流形式過長(zhǎng)的管路導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)延，對(duì)吸熱器的動(dòng)態(tài)特性影響較大，以及隨著負(fù)荷變化，水與蒸汽之間的相變點(diǎn)來回變化，從而使直流形式控制難度較大。因而目前直流型水／蒸汽吸熱器應(yīng)用較少，大多塔式太陽能熱發(fā)電站采用汽包型水／蒸汽吸熱器。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水／蒸汽吸熱器的熱力性能、動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)行模式等進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)汽包型水／蒸汽吸熱器的控制系統(tǒng)研究報(bào)告文獻(xiàn)報(bào)道很少。本文將對(duì)腔式汽包型水／蒸汽吸熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，給出吸熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，提出吸熱器的給水全程控制策略，并在這個(gè)基礎(chǔ)上建立有效的控制系統(tǒng)。

1 汽包型水／蒸汽吸熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腔式水／蒸汽吸熱器窗口通常為矩形或正方形，并且向鏡場(chǎng)方向有一定的傾斜角，太陽光束經(jīng)吸熱器窗口進(jìn)入腔內(nèi)，與吸熱器的工作介質(zhì)在腔體內(nèi)發(fā)生熱交換［1］。吸熱器如圖1所示。

圖1 腔式水／蒸汽吸熱器示意圖

由圖1可以看到，吸熱器由前窗（采光口）、后墻、左后墻、右后墻、左前墻和右前墻六面組成。根據(jù)文獻(xiàn)［2］所述，吸熱器后墻輻射能流密度分布最強(qiáng)，左后墻和右后墻次之；底部、左前墻和右前墻最弱；后墻、左后墻和右后墻的中心附近的能流密度最強(qiáng)，往四周能流密度依次減弱。

根據(jù)吸熱器中熱流分布的特點(diǎn)，吸熱器工作介質(zhì)管路可以分為預(yù)熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)，如圖2所示。

圖2 吸熱器管路布置示意圖

為了最大限度地提高吸熱器傳熱效率，預(yù)熱區(qū)的管路布置從吸熱器輻射能流密度最低的底部開始，并沿輻射能流密度最低的左前墻和右前墻上升連至汽包處。蒸發(fā)區(qū)管路安排在輻射能流密度最高的后墻、左后墻和右后墻上，豎直方向并行排列。過熱段管路安排在左后墻、后墻和右后墻上，水平方向并行排列。

2 給水過程的全程控制

受啟停、正常運(yùn)行、云遮運(yùn)行、負(fù)荷變化，以及頻繁的光功率擾動(dòng)等的影響，吸熱器的運(yùn)行工況比較復(fù)雜，如果僅靠人工操作、監(jiān)視的方式很難保證吸熱器穩(wěn)定和安全運(yùn)行，為此必須建立一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)吸熱器的給水過程進(jìn)行全程控制。吸熱器給水的全程控制，要求在對(duì)吸熱器的冷、熱態(tài)沖洗過程，吸熱器啟動(dòng)時(shí)的升溫、升壓過程，以及吸熱器停機(jī)時(shí)的冷卻降溫、降壓過程進(jìn)行控制，并保證在帶小負(fù)荷運(yùn)行和帶大負(fù)荷運(yùn)行吸熱器都可以在額定工況下正常運(yùn)行，此外還要求在云遮工況吸熱器自動(dòng)下降到小負(fù)荷運(yùn)行。在上述過程，只要控制設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就可保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)。

由于機(jī)組的運(yùn)行與負(fù)荷有關(guān)，因此吸熱器給水的動(dòng)態(tài)特性隨著負(fù)荷變化而不同，吸熱器在高負(fù)荷和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)必須采用不同的控制系統(tǒng)。當(dāng)吸熱器在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，蒸汽流量一般低于額定值的30%，機(jī)組處于滑壓運(yùn)行過程，參數(shù)低負(fù)荷變化范圍小，虛假水位不太嚴(yán)重，因此可以采用單沖量的控制方式，即利用取水位H給出一個(gè)反饋信號(hào)，構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)。但是，吸熱器在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)單沖量的控制方式不能滿足控制需要，必須采用復(fù)雜的三沖量控制系統(tǒng)。另外，由于控制系統(tǒng)是通過控制變速給水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)給水量的全程控制，因而在全程控制過程中除了要滿足給水量控制的要求，還要保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)。

2.1 控制策略

吸熱器的給水全程控制系統(tǒng)采用變速泵調(diào)節(jié)水流量，對(duì)給水泵的轉(zhuǎn)速、流量和壓力的控制有一定的要求。首先，為了讓吸熱器始終取得穩(wěn)定的給水流量，要求變速泵能夠迅速地根據(jù)吸熱器負(fù)荷和光功率的擾動(dòng)程度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。其次，為了保證給水泵工作點(diǎn)不落在上限特性曲線的外邊，在低負(fù)荷時(shí)要求變速泵增大再循環(huán)流量維持水泵流量，保證水泵最小流量不低于設(shè)計(jì)值。再次，為了保證給水泵工作點(diǎn)不落在最低壓力線下和下限特性曲線之外，給水調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)必須維持在安全供水所需的變速泵出口壓力。

根據(jù)上述這些控制要求，可以把給水全程的控制分為吸熱器給水壓力控制和給水泵轉(zhuǎn)速控制兩部分。在給水壓力控制系統(tǒng)中引入水泵轉(zhuǎn)速偏差前饋信號(hào)，在轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中引入壓力偏差前饋信號(hào)，使系統(tǒng)的給水壓力調(diào)節(jié)和給水泵轉(zhuǎn)速控制聯(lián)系起來，保證兩個(gè)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)地工作，并加快汽包水位的調(diào)節(jié)速度。

2.2 給水壓力控制

吸熱器的給水壓力采用PI控制器控制，系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。該系統(tǒng)引入了給水泵轉(zhuǎn)速控制偏差的微分信號(hào)，在啟動(dòng)和低負(fù)荷工況時(shí)，可以把水泵出口的母管壓力維持在安全范圍內(nèi)，還可協(xié)調(diào)給水泵的轉(zhuǎn)速控制，穩(wěn)定汽包水位。

圖3 吸熱器給水壓力控制系統(tǒng)原理圖

當(dāng)吸熱器處于冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)或者云遮運(yùn)行、正常運(yùn)行時(shí)，為了讓給水泵運(yùn)行參數(shù)保持在安全區(qū)內(nèi)，控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)給水泵的出口壓力和給水母管壓力進(jìn)行比較，并選擇其中較小的壓力經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)濾波后，作為給水壓力的測(cè)量信號(hào)。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行和冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，高壓加熱器出口的給水壓力總是低于泵的出口壓力，因此被作為旁路閥門控制的被控量調(diào)節(jié)旁路閥門開度，把給水母管壓力維持在設(shè)定值附近。但是在機(jī)組熱啟動(dòng)時(shí)，給水泵的出口壓力反過來低于加熱器出口的給水壓力，被作為旁路閥門控制的被控量，保證兩個(gè)閥門在水泵出口給水壓力升壓的過程中都處于關(guān)閉狀態(tài)，直到給水泵出口壓力大于給水母管壓力時(shí)轉(zhuǎn)換成按照高壓加熱器出口的給水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制閥門的開度，保證給水泵在熱啟動(dòng)過程中安全運(yùn)行。

1）給水壓力給定值p0的確定 為了保證吸熱器正常供水及給水泵的安全運(yùn)行，給水壓力的設(shè)定與給水泵最小壓力pmin、保護(hù)壓力和主蒸汽壓力要求的給水泵壓力p1有關(guān)［3］，并取三者中最大值作為設(shè)定值p0。其中給水泵的最小壓力由給水泵的安全工作特性曲線決定；保護(hù)壓力由給水泵下限特性曲線確定，這是為了保證給水泵出口壓力始終大于對(duì)應(yīng)流量下的最小壓力值。當(dāng)給水泵運(yùn)行在特性曲線安全區(qū)的最大流量時(shí)，說明給水泵出口壓力偏低。機(jī)組啟動(dòng)后，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，汽包壓力不斷上升，主汽壓力也跟著上升，要求在任何負(fù)荷下給水壓力都應(yīng)滿足：

式中：p1為主汽壓力要求的給水壓力；pT為主蒸汽壓力；Δp為給水管道壓力損失；f1（D）為主蒸汽管道阻力。

給水管道壓力損失包括給水泵出口至汽包水面垂直距離的靜壓差，即泵出口壓力與汽包壓力pb之差。只要能滿足式（1），給水壓力就可在任何工況下等于汽水行程中各項(xiàng)壓力損失之和，保證正常供水。為了求取Δp必須先知道汽包壓力pb，為此可以在汽包中選取三處測(cè)點(diǎn)，然后用均值器AVG對(duì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)量值求平均，把平均值作為汽包當(dāng)下的壓力。在控制方案的設(shè)計(jì)中，考慮到如果三個(gè)測(cè)點(diǎn)中的某個(gè)壓力變送器發(fā)生故障時(shí)，則很可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)的誤操作，為此控制系統(tǒng)中安裝了相關(guān)的聲光報(bào)警。一旦發(fā)生這類故障，故障測(cè)量值必然與pb值相差很大，在報(bào)警的同時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)切除故障信號(hào)。另外，取其余正常工作信號(hào)的均值作為汽包壓力值，并將控制系統(tǒng)切手動(dòng)，待人工切除故障后，系統(tǒng)再切入自動(dòng)運(yùn)行。

2）給水泵轉(zhuǎn)速控制偏差微分前饋信號(hào) 給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中加入了偏差的微分前饋信號(hào)，當(dāng)實(shí)際水位低于設(shè)定值較多給水泵轉(zhuǎn)速的偏差較大時(shí)，微分前饋信號(hào)根據(jù)偏差變化速度的增加，提前開大給水啟動(dòng)閥，盡快增加給水流量，確保轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)能夠增加給水流量。

3）調(diào)節(jié)閥切換回路 在升負(fù)荷過程中，當(dāng)負(fù)荷大于30%、旁路調(diào)節(jié)閥開度大于75%時(shí)，調(diào)節(jié)閥切換回路，打開主給水調(diào)節(jié)閥。這時(shí)給水泵已經(jīng)有較高轉(zhuǎn)速，主給水調(diào)節(jié)閥打開后管道阻力會(huì)突然減小，此時(shí)要求給水流量波動(dòng)不能太大，由旁路調(diào)節(jié)閥自動(dòng)跟蹤給水壓差，直到旁路調(diào)節(jié)閥全關(guān)。在降負(fù)荷過程中，當(dāng)負(fù)荷小于30%后，先開旁路調(diào)節(jié)閥，再關(guān)主給水調(diào)節(jié)閥，同時(shí)根據(jù)汽包水位的變化趨勢(shì)和蒸汽流量與給水流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，逐漸開大旁路調(diào)節(jié)閥，由給水壓力控制系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤給水壓差，直到主給水調(diào)節(jié)閥全關(guān)。

2.3 給水泵轉(zhuǎn)速控制

給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖4所示。

該系統(tǒng)在啟動(dòng)、停機(jī)和低負(fù)荷工況時(shí)采用單沖量控制，高負(fù)荷工況時(shí)采用串級(jí)三沖量控制。其中單沖量控制器采用PI控制器；串級(jí)三沖量主控器采用PI控制器，保證水位無靜態(tài)偏差；副控制器采用比例控制器，以保證副回路的快速性。運(yùn)行中當(dāng)蒸汽流量D小于30%時(shí)（即低負(fù)荷工況），該系統(tǒng)采用單沖量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速以維持汽包水位等于其設(shè)定值（即H＝H0）。由于機(jī)組啟動(dòng)及低負(fù)荷階段，給水泵的工作點(diǎn)很容易滑出安全工作區(qū)，所以單沖量控制信號(hào)的回路中引入了給水泵出口壓力偏差信號(hào)Δpp，當(dāng)給水泵出口壓力偏差信號(hào)Δpp大于差壓給定值Δp0時(shí)，表明給水壓力偏差太大，就要求將差值信號(hào)（Δp0－Δpp）作為給水泵轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，在保證給水量的同時(shí)，通過改變給水泵轉(zhuǎn)速，維持給水壓力穩(wěn)定，保證給水泵的安全運(yùn)行。

在給水泵安全保護(hù)回路中，當(dāng)吸熱器在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，給水泵流量可能很小，為了防止給水泵的工作點(diǎn)滑入上限特性之外，在單沖量控制系統(tǒng)回路中加入了給水泵最小流量控制，增加了再循環(huán)調(diào)節(jié)閥。另外，將給水泵的出口流量實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)化為泵特性曲線下限所對(duì)應(yīng)的最小安全壓力值，并加上一定裕量后作為該泵的安全壓力限制值。若泵出口壓力測(cè)量值大于該限制值，說明給水泵在安全區(qū)內(nèi)運(yùn)行。否則，需要通過調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速使泵重新回到安全區(qū)內(nèi)。

在三沖量控制中增加光功率前饋微分信號(hào)，一旦出現(xiàn)光功率擾動(dòng)，如光功率突然增強(qiáng)時(shí)，汽包的蒸發(fā)強(qiáng)度增強(qiáng)，蒸發(fā)流量也相應(yīng)增加，但是由于虛假水位現(xiàn)象水位H不降反升，這時(shí)控制系統(tǒng)的光功率前饋信號(hào)可以用來克服虛假水位現(xiàn)象。

圖6中的Δpb是汽包水位差壓變送器兩側(cè)壓差，函數(shù)f2（x）的作用是通過測(cè)量汽包水位信號(hào)和壓力信號(hào)校正汽包水位的壓力?？刂葡到y(tǒng)將3個(gè)經(jīng)過壓力校正的汽包水位信號(hào)送到均值器AVG中運(yùn)算，得到的均值反映了汽包的真實(shí)水位值H。

吸熱器的給水全程控制過程可以根據(jù)負(fù)荷分為兩個(gè)階段。在吸熱器啟動(dòng)及負(fù)荷低于30%時(shí)系統(tǒng)采用單沖量控制，通過控制給水泵轉(zhuǎn)速來維持汽包水位在給定范圍內(nèi)；此時(shí)給水旁路調(diào)節(jié)閥從開啟到75%控制，主閥門保持關(guān)閉狀態(tài)；給水壓力則通過給水壓力控制系統(tǒng)，控制旁路調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)。在吸熱器30%～100%負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)采用三沖量控制方式調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速來維持汽包水位：當(dāng)負(fù)荷大于30%、旁路調(diào)節(jié)閥開度大于75%時(shí)先打開主給水調(diào)節(jié)閥，這時(shí)給水泵已經(jīng)有較高轉(zhuǎn)速，主閥打開后管道阻力會(huì)突然減小，應(yīng)注意給水流量波動(dòng)不要太大，由給水壓力控制系統(tǒng)控制旁路調(diào)節(jié)閥跟蹤給水壓差，直到旁路調(diào)節(jié)閥全關(guān)。另外，在三沖量系統(tǒng)投運(yùn)情況下開主給水調(diào)節(jié)閥，由于三沖量系統(tǒng)抗內(nèi)擾的能力比單沖量系統(tǒng)強(qiáng)很多，所以控制質(zhì)量能夠得到保證。

在減負(fù)荷過程中，控制順序與上述相反，同時(shí)各負(fù)荷的切換點(diǎn)考慮2%的不靈敏區(qū)，避免由于負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)在切換點(diǎn)來回切換。

3 結(jié)語

針對(duì)腔式汽包型水／蒸汽吸熱器，給出吸熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出給水全程控制的三個(gè)控制要求，設(shè)計(jì)和研制了吸熱器的給水壓力控制系統(tǒng)和給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。同時(shí)，為了避免兩個(gè)系統(tǒng)之間的互相干擾，使各系統(tǒng)盡可能地協(xié)調(diào)動(dòng)作，在給水壓力控制系統(tǒng)中引入了水泵轉(zhuǎn)速偏差前饋信號(hào)，在轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中引入壓力偏差前饋信號(hào)，使系統(tǒng)的給水壓力調(diào)節(jié)和給水泵轉(zhuǎn)速控制互相聯(lián)系起來，加快汽包水位的調(diào)節(jié)速度。

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