DSG槽式太陽能熱發電系統建模與控制研究進展

河海大學能源與電氣學院 ■ 郭蘇 劉德有 王沛 許昌

0 引言

槽式太陽能熱發電系統(槽式系統)結構簡單、成本較低、土地利用率高、安裝維護方便，是世界上迄今為止商業化最成功的太陽能熱發電形式。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的直接蒸汽發電(Direct Steam Generation，DSG)槽式集熱器的概念，作為槽式集熱器的未來發展方向。近年來各國專家學者均將目光投向了采用DSG槽式集熱器的DSG槽式系統，DSG槽式系統的研發及應用涉及到多個學科領域的知識，具有多項關鍵技術。本文主要針對DSG槽式系統的建模和控制研究進行論述和分析。

1 DSG槽式系統

DSG槽式系統將大量DSG槽式集熱器通過串并聯的方式布置在場地上，拋物線槽式聚光鏡采用單軸跟蹤方式追蹤太陽運動軌跡，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水被加熱到400 ℃及以上的高溫，產生高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽推動汽輪發電機組發電[2-5]。

與傳統的導熱油工質槽式系統相比，DSG槽式系統同樣由聚光集熱子系統、發電子系統、蓄熱子系統、輔助能源子系統構成，但由于利用水工質代替了導熱油工質，因此沒有換熱環節。

DSG槽式系統具有的優勢為：用水替代導熱油，消除了環境污染風險；省略了油/蒸汽換熱器及其附件等，減少了換熱環節的能量損失，電站投資也大幅下降；簡化了系統結構，大幅降低了電站的運營成本；用水替代導熱油，運行溫度可達到500 ℃甚至更高的工作溫度，提高了電站發電效率[2-4,6-8]。

Dagan等[9-10]提出DSG槽式系統的運行模式有直通模式、注入模式和再循環模式3種，見圖1[11-12]。在直通模式DSG槽式系統中，給水從集熱器入口至集熱器出口，依次經過預熱、蒸發、過熱，直至蒸汽達到系統參數，進入汽輪機組發電。注入模式DSG槽式系統與直通模式DSG槽式系統類似，區別在于注入模式DSG槽式系統中集熱器沿線均有減溫水注入。而再循環模式DSG槽式系統最為復雜，該系統在集熱器蒸發區結束位置裝有汽水分離器。3種模式中，直通模式是最簡單、最經濟的運行模式；再循環模式是目前最保守、最安全的運行模式[13]；而由于注入模式的測量系統不能正常工作[11]，因此一般不采用注入模式。由于DSG槽式系統運行中集熱器內存在水-水蒸氣兩相流轉化過程，因此其控制問題比導熱油工質槽式系統更加復雜[11-13]。

圖1 DSG槽式系統運行模式簡圖

1996年，在歐盟的經濟支持下，CIEMAT公司聯合DLR公司、ENDESA公司等8家公司在CIEMAT-PSA實驗中心共同研發了一個槽式太陽能直接蒸汽發電實驗項目DISS(DIrect Solar Steam)[14-15]，見圖2。DISS項目旨在真實太陽輻射條件下研究DSG槽式系統的3種基本運行模式(即直通模式、注入模式和再循環模式)，找出最適合于商業電站的運行模式，并為未來DSG槽式電站的設計積累經驗[16]。

圖2 DISS槽式太陽能熱發電站

DISS電站由集熱場和其他設備(Balance of Plant，BOP)組成，如圖3所示。集熱場是一個單獨的從南到北放置的DSG槽式集熱器組，負責把直射太陽輻射能轉換為過熱蒸汽的熱能；BOP負責凝結過熱蒸汽并送回到集熱場入口。DISS電站的集熱器組串聯了11個改進的LS-3型拋物線槽式集熱器，總長500 m。LS-3型集熱器開口寬5.76 m，反射鏡面積為3000 m2，集熱管的內外徑為50/70 mm，聚光比為82，光學效率為0.8，吸收率為0.96，鏡面反射率為0.94，集熱管發射率為0.19，設計工作溫度為390 ℃。整個集熱場由3部分組成，即預熱區、蒸發區和過熱區。蒸發區末端設有再循環泵和汽水分離器，為進行再循環模式DSG槽式系統實驗時使用。給水在集熱場中經過預熱、蒸發和過熱3個階段被加熱成高溫高壓蒸汽，送入汽輪發電機組發電，從汽輪發電機組排出的乏汽經過冷凝、除氧等過程再次作為給水參與循環。DISS電站采用傳統的比例-積分(PI)控制方法對工質的主要參數進行控制。

圖3 DISS電站回路示意圖

DISS電站的運行結果表明，DSG槽式技術完全可行，并且證明在回熱蘭金循環下，汽輪機入口溫度為450 ℃時，DISS電站太陽能轉化電能的轉化率為22.6%。而工質為導熱油的傳統槽式系統，汽輪機入口溫度為375 ℃(這一溫度由導熱油的穩定極限限制)時，太陽能轉化電能的轉化率僅為21.3%[16]。

2012年1月，TSE-1電站(如圖4)并網發電，這是世界上首座商業化DSG槽式太陽能熱發電站。TSE-1電站位于泰國Kanchanaburi省，裝機容量為5 MW，運行溫度和壓力為330 ℃、3 MPa，年產電量9 GWh，能源轉化率達到26.4 %。TSE-1電站集熱場占地面積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運行模式，擁有11個蒸發回路和7個過熱回路，對蒸發回路的流量進行自動控制，以確保蒸發回路的安全性，避免了干燒的可能性。集熱場啟動時采用半自動控制，啟動過程中汽輪機組需在集熱場出口蒸汽達到設定值時投入運行。TSE-1電站由Solarlite公司提供技術支持[17-18]。

圖4 TSE-1電站

2 DSG槽式系統建模與控制研究現狀

2.1 DSG槽式系統建模研究現狀

對槽式集熱器及槽式系統進行建模，是研究槽式系統穩態特性和動態特性的基礎，也是研究槽式熱發電控制方案的基礎。20世紀末，各國專家學者開始了關于DSG槽式集熱器和DSG槽式系統的建模研究。

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穩態模型、熱損模型及效率模型，建立了DSG槽式集熱器的水動力穩態模型(包括流態模型和壓降模型)，并與熱力學模型聯立建立了DSG槽式系統的統一模型。優化了直通式DSG槽式集熱器的設計，提出DSG集熱器的穩態運行策略。

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

2012年，Bonilla等[25]以DISS電站為基礎設計開發了基于面向對象的數學模型的直通模式DSG槽式電站的動態仿真方案。該模型的輸入包括：環境溫度，直射太陽輻射DSI，工質的入口溫度、壓力、流量及噴水減溫器工質的溫度、壓力和流量等。其兩相區模型采用了均相模型。采用有限體積法、交錯網格法以及迎風格式對模型進行離散。但該模型中，每種狀態工質的傳熱系數被簡化為常數，摩擦系數也被簡化為常數，降低了模型的準確度。

近年來，隨著我國對太陽能熱發電技術研究的深入，國內學者也逐步開始了對DSG槽式系統的研究。

徐濤[26]以槽式集熱器的散焦現象為切入點，對集熱管表面光學聚光比分布開展理論分析和計算機模擬研究，建立了光學聚光比的數學模型。但該數學模型有一定的適應條件，且模擬程序收斂時間較長；韋彪等[27]以直通模式DSG槽式集熱器為研究對象，基于集熱器管內水工質的流型與傳熱特性，建立了DSG槽式集熱器穩態傳熱模型；李明等[28]建立了槽式集熱器的穩態數學模型，并利用實驗驗證了模型的正確性；熊亞選等[29-30]通過分析槽式太陽能集熱管熱損失的計算方法和傳熱過程，建立了槽式太陽能集熱管的二維穩態經驗模型；楊賓[31]在傳統槽式集熱器研究的基礎上，針對集熱管內水在流動吸熱過程中的狀態變化，建立了管內一維穩態兩相流動與傳熱模型；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算方法，建立了穩態熱傳導模型，并對直通模式和再循環模式連接的DSG槽式集熱器的壓降進行了分析；梁征等[8,33]分別建立了導熱油工質槽式集熱器的一維傳熱動態模型和水工質DSG槽式集熱器的一維多相流動與傳熱動態模型。導熱油工質模型與實驗數據吻合較好，但DSG槽式集熱器模型與實驗數據相比誤差較大；郭蘇等[34]建立了DSG槽式集熱器的非線性分布參數動態模型，模型采用了實時的傳熱系數和摩擦系數，提高了模型精度，并建立了適用于移動云遮工況的云遮始末時間模型，解決了DSG槽式集熱器非線性集總參數模型不能模擬局部云遮、移動云遮等實際DNI變化工況的問題。

2.2 DSG槽式系統控制研究現狀

DSG槽式系統的控制目標是根據汽輪發電機的需要，在管路出口處實現恒定溫度和壓力的蒸汽輸出。DSG槽式系統控制領域公開發表的研究成果非常有限，僅有的幾篇關于DSG系統控制方法和策略的文章都是基于DISS項目完成的。目前，國外主要采用的仍是經典的比例－積分(PI)控制方法[11-13,17]。

Valenzuela等[11-12]設計實施了DISS項目直通模式和再循環模式DSG槽式系統的控制方案，并對其做了實驗對比，驗證了控制方案的可行性。Valenzuela采用了經典的PI/PID控制器，控制器參數采用極點配置法得到。實驗中，再循環模式DSG槽式系統表現出的控制性能可以接受。而直通模式DSG槽式系統較難控制，在PI控制的基礎上增加了前饋控制器，并采用了串級控制。

Eck等[23-24]對再循環模式DSG槽式系統的汽水分離器水位和出口蒸汽給出了控制方案。對于汽水分離器水位控制，Eck針對現有給水流量PI控制滯后大、調節慢的現象，在給水流量PI控制基礎上，增加了集熱場出口蒸汽產量的快速反饋回路，提高了控制性能。對于出口蒸汽控制，在PI控制的基礎上并聯前饋控制以提高控制性能。

與國外相比，國內關于DSG槽式系統控制方案、控制策略的研究更是剛剛起步。

張先勇等[35]對槽式太陽能熱發電系統中的太陽跟蹤控制、溫度與壓力控制系統等關鍵控制問題的應用現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控制器對注入模式下的DSG槽式系統出口蒸汽溫度控制進行了研究；郭蘇等[4]采用多模型切換受限增量廣義預測控制策略對再循環模式DSG槽式系統集熱場出口蒸汽溫度進行了控制研究，采用該策略可使被控參數快速平滑地跟蹤設定值，并有效解決了變工況可能導致的模型失配問題。

3 DSG槽式系統研究展望

工質為水/水蒸氣的DSG槽式系統是槽式太陽能熱發電系統的發展方向。優化再循環模式和直通模式的集熱場性能，提高其運行控制的穩定性是DSG槽式技術的研究方向[39]。準確建立DSG槽式集熱器和DSG槽式系統的數學模型，研究其運行機理、控制方法和策略，是實現上述研究目標的基礎。

從以上分析可知，DSG槽式集熱器及熱發電系統的建模，國外研究相對較多，國內仍處于起步階段。對于DSG槽式集熱器動態模型和DSG槽式系統動態模型，國內外采用非線性集總參數方法進行建模的較為多見，而采用能充分體現槽式系統管線長、DNI沿管線方向不均勻分布特點的非線性分布參數動態模型研究的較少，國內外均處于探索階段。

對于DSG槽式系統的控制研究，目前主要集中在以PID控制為基礎的相關控制方案上。由于DSG槽式系統的控制對象多具有大滯后、大慣性、參數時變等特點，經典的PID控制方法較難達到良好控制效果，因此應該將先進控制理論應用到DSG槽式系統的控制中。直通模式DSG槽式系統結構簡單、投資少、效率高，是最理想的運行模式。但由于其自身結構特點，也是最難控制的運行模式。采用何種先進控制理論對直通模式DSG槽式系統進行控制才能達到理想控制效果，也是今后應深入研究的問題。

4 結論

本文對DSG槽式系統的原理、特點、運行模式等進行了介紹，并對DSG槽式系統的建模和控制問題及研究進展進行了詳細綜述。DSG槽式系統作為一個具有典型分布式特性的系統，建立其分布參數模型是實現準確模擬其特性的首要工作；DSG槽式系統作為一個強非線性系統，應用現代控制理論對其進行控制必將成為其穩定運行、提高效率的首選。直通模式DSG槽式系統結構簡單、效率高，應成為今后重點研究的系統模式。

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