腔式太阳能水／蒸汽吸热器给水全程控制系统的设计

郭铁铮，刘国耀，刘德有，许 昌，郭 苏

（1.河海大学动力工程系，江苏南京 210098；2.南京科远自动化集团股份有限公司，江苏南京 211100）

作为塔式太阳能热发电系统关键设备之一的吸热器，用于吸收由定日镜场反射来的高能流密度太阳能，并将其转化为工作介质的高温热能。吸热器按外形特点可分为外部式和腔式两种结构。外部式吸热器的吸热面暴露于空气中，太阳辐射能直接与吸热面进行热交换，优点是结构简单、镜场有效面积大，缺点是吸热器热损失较大。腔式吸热器的吸热面置于腔内，太阳辐射能进入腔体内，在腔内与工作介质进行热交换，可以减少吸热器表面的对流和溢出损失，提高热效率。

水的热导率高，以水作为吸热器的吸热和传热介质具有其他工质难以代替的优点，已经在太阳能热发电站中得到广泛的应用。例如20世纪80年代，美国的Solar One、西班牙的CESA－1和欧共体的EURELIOS试验电站，以及世界上第一座塔式太阳能商业电站，即由西班牙建造并于2007年投入商业运行的10MW的PS10电站，都采用了水／蒸汽吸热器。水／蒸汽吸热器的热力系统常见有直流形式和汽包形式，欧共体的EURELIOS电站采用了直流形式，但运行中出现以下问题：电站启动时间长；随着能流密度的变化以及负荷变化，吸热器的出口温度很不稳定。F.Aiello等人认为这是直流形式所特有的功能性问题。另外，直流形式过长的管路导致的长时延，对吸热器的动态特性影响较大，以及随着负荷变化，水与蒸汽之间的相变点来回变化，从而使直流形式控制难度较大。因而目前直流型水／蒸汽吸热器应用较少，大多塔式太阳能热发电站采用汽包型水／蒸汽吸热器。国内外学者针对水／蒸汽吸热器的热力性能、动态特性、运行模式等进行了大量的研究，但对汽包型水／蒸汽吸热器的控制系统研究报告文献报道很少。本文将对腔式汽包型水／蒸汽吸热器的结构特点进行分析，给出吸热器结构的设计方法，提出吸热器的给水全程控制策略，并在这个基础上建立有效的控制系统。

1 汽包型水／蒸汽吸热器的结构设计

腔式水／蒸汽吸热器窗口通常为矩形或正方形，并且向镜场方向有一定的倾斜角，太阳光束经吸热器窗口进入腔内，与吸热器的工作介质在腔体内发生热交换［1］。吸热器如图1所示。

图1 腔式水／蒸汽吸热器示意图

由图1可以看到，吸热器由前窗（采光口）、后墙、左后墙、右后墙、左前墙和右前墙六面组成。根据文献［2］所述，吸热器后墙辐射能流密度分布最强，左后墙和右后墙次之；底部、左前墙和右前墙最弱；后墙、左后墙和右后墙的中心附近的能流密度最强，往四周能流密度依次减弱。

根据吸热器中热流分布的特点，吸热器工作介质管路可以分为预热区、蒸发区和过热区，如图2所示。

图2 吸热器管路布置示意图

为了最大限度地提高吸热器传热效率，预热区的管路布置从吸热器辐射能流密度最低的底部开始，并沿辐射能流密度最低的左前墙和右前墙上升连至汽包处。蒸发区管路安排在辐射能流密度最高的后墙、左后墙和右后墙上，竖直方向并行排列。过热段管路安排在左后墙、后墙和右后墙上，水平方向并行排列。

2 给水过程的全程控制

受启停、正常运行、云遮运行、负荷变化，以及频繁的光功率扰动等的影响，吸热器的运行工况比较复杂，如果仅靠人工操作、监视的方式很难保证吸热器稳定和安全运行，为此必须建立一个自动控制系统，对吸热器的给水过程进行全程控制。吸热器给水的全程控制，要求在对吸热器的冷、热态冲洗过程，吸热器启动时的升温、升压过程，以及吸热器停机时的冷却降温、降压过程进行控制，并保证在带小负荷运行和带大负荷运行吸热器都可以在额定工况下正常运行，此外还要求在云遮工况吸热器自动下降到小负荷运行。在上述过程，只要控制设备能够正常运转，就可保证汽包水位在允许的范围内。

由于机组的运行与负荷有关，因此吸热器给水的动态特性随着负荷变化而不同，吸热器在高负荷和低负荷运行时必须采用不同的控制系统。当吸热器在低负荷运行时，蒸汽流量一般低于额定值的30%，机组处于滑压运行过程，参数低负荷变化范围小，虚假水位不太严重，因此可以采用单冲量的控制方式，即利用取水位H给出一个反馈信号，构成单回路控制系统。但是，吸热器在高负荷运行时单冲量的控制方式不能满足控制需要，必须采用复杂的三冲量控制系统。另外，由于控制系统是通过控制变速给水泵的转速来实现给水量的全程控制，因而在全程控制过程中除了要满足给水量控制的要求，还要保证给水泵工作在安全工作区内。

2.1 控制策略

吸热器的给水全程控制系统采用变速泵调节水流量，对给水泵的转速、流量和压力的控制有一定的要求。首先，为了让吸热器始终取得稳定的给水流量，要求变速泵能够迅速地根据吸热器负荷和光功率的扰动程度调节转速。其次，为了保证给水泵工作点不落在上限特性曲线的外边，在低负荷时要求变速泵增大再循环流量维持水泵流量，保证水泵最小流量不低于设计值。再次，为了保证给水泵工作点不落在最低压力线下和下限特性曲线之外，给水调节阀的开度调节必须维持在安全供水所需的变速泵出口压力。

根据上述这些控制要求，可以把给水全程的控制分为吸热器给水压力控制和给水泵转速控制两部分。在给水压力控制系统中引入水泵转速偏差前馈信号，在转速系统中引入压力偏差前馈信号，使系统的给水压力调节和给水泵转速控制联系起来，保证两个系统之间协调地工作，并加快汽包水位的调节速度。

2.2 给水压力控制

吸热器的给水压力采用PI控制器控制，系统的工作原理如图3所示。该系统引入了给水泵转速控制偏差的微分信号，在启动和低负荷工况时，可以把水泵出口的母管压力维持在安全范围内，还可协调给水泵的转速控制，稳定汽包水位。

图3 吸热器给水压力控制系统原理图

当吸热器处于冷启动、热启动或者云遮运行、正常运行时，为了让给水泵运行参数保持在安全区内，控制系统会对给水泵的出口压力和给水母管压力进行比较，并选择其中较小的压力经过一阶惯性环节滤波后，作为给水压力的测量信号。当机组正常运行和冷态启动时，高压加热器出口的给水压力总是低于泵的出口压力，因此被作为旁路阀门控制的被控量调节旁路阀门开度，把给水母管压力维持在设定值附近。但是在机组热启动时，给水泵的出口压力反过来低于加热器出口的给水压力，被作为旁路阀门控制的被控量，保证两个阀门在水泵出口给水压力升压的过程中都处于关闭状态，直到给水泵出口压力大于给水母管压力时转换成按照高压加热器出口的给水压力进行调节，控制阀门的开度，保证给水泵在热启动过程中安全运行。

1）给水压力给定值p0的确定 为了保证吸热器正常供水及给水泵的安全运行，给水压力的设定与给水泵最小压力pmin、保护压力和主蒸汽压力要求的给水泵压力p1有关［3］，并取三者中最大值作为设定值p0。其中给水泵的最小压力由给水泵的安全工作特性曲线决定；保护压力由给水泵下限特性曲线确定，这是为了保证给水泵出口压力始终大于对应流量下的最小压力值。当给水泵运行在特性曲线安全区的最大流量时，说明给水泵出口压力偏低。机组启动后，随着机组负荷的增加，汽包压力不断上升，主汽压力也跟着上升，要求在任何负荷下给水压力都应满足：

式中：p1为主汽压力要求的给水压力；pT为主蒸汽压力；Δp为给水管道压力损失；f1（D）为主蒸汽管道阻力。

给水管道压力损失包括给水泵出口至汽包水面垂直距离的静压差，即泵出口压力与汽包压力pb之差。只要能满足式（1），给水压力就可在任何工况下等于汽水行程中各项压力损失之和，保证正常供水。为了求取Δp必须先知道汽包压力pb，为此可以在汽包中选取三处测点，然后用均值器AVG对三个测点的压力测量值求平均，把平均值作为汽包当下的压力。在控制方案的设计中，考虑到如果三个测点中的某个压力变送器发生故障时，则很可能导致控制系统的误操作，为此控制系统中安装了相关的声光报警。一旦发生这类故障，故障测量值必然与pb值相差很大，在报警的同时控制系统自动切除故障信号。另外，取其余正常工作信号的均值作为汽包压力值，并将控制系统切手动，待人工切除故障后，系统再切入自动运行。

2）给水泵转速控制偏差微分前馈信号 给水泵转速控制系统中加入了偏差的微分前馈信号，当实际水位低于设定值较多给水泵转速的偏差较大时，微分前馈信号根据偏差变化速度的增加，提前开大给水启动阀，尽快增加给水流量，确保转速控制系统能够增加给水流量。

3）调节阀切换回路 在升负荷过程中，当负荷大于30%、旁路调节阀开度大于75%时，调节阀切换回路，打开主给水调节阀。这时给水泵已经有较高转速，主给水调节阀打开后管道阻力会突然减小，此时要求给水流量波动不能太大，由旁路调节阀自动跟踪给水压差，直到旁路调节阀全关。在降负荷过程中，当负荷小于30%后，先开旁路调节阀，再关主给水调节阀，同时根据汽包水位的变化趋势和蒸汽流量与给水流量的对应关系，逐渐开大旁路调节阀，由给水压力控制系统自动跟踪给水压差，直到主给水调节阀全关。

2.3 给水泵转速控制

给水泵转速控制系统如图4所示。

该系统在启动、停机和低负荷工况时采用单冲量控制，高负荷工况时采用串级三冲量控制。其中单冲量控制器采用PI控制器；串级三冲量主控器采用PI控制器，保证水位无静态偏差；副控制器采用比例控制器，以保证副回路的快速性。运行中当蒸汽流量D小于30%时（即低负荷工况），该系统采用单冲量控制系统调节给水泵转速以维持汽包水位等于其设定值（即H＝H0）。由于机组启动及低负荷阶段，给水泵的工作点很容易滑出安全工作区，所以单冲量控制信号的回路中引入了给水泵出口压力偏差信号Δpp，当给水泵出口压力偏差信号Δpp大于差压给定值Δp0时，表明给水压力偏差太大，就要求将差值信号（Δp0－Δpp）作为给水泵转速控制信号，在保证给水量的同时，通过改变给水泵转速，维持给水压力稳定，保证给水泵的安全运行。

在给水泵安全保护回路中，当吸热器在低负荷运行时，给水泵流量可能很小，为了防止给水泵的工作点滑入上限特性之外，在单冲量控制系统回路中加入了给水泵最小流量控制，增加了再循环调节阀。另外，将给水泵的出口流量实测值转化为泵特性曲线下限所对应的最小安全压力值，并加上一定裕量后作为该泵的安全压力限制值。若泵出口压力测量值大于该限制值，说明给水泵在安全区内运行。否则，需要通过调节给水泵的转速使泵重新回到安全区内。

在三冲量控制中增加光功率前馈微分信号，一旦出现光功率扰动，如光功率突然增强时，汽包的蒸发强度增强，蒸发流量也相应增加，但是由于虚假水位现象水位H不降反升，这时控制系统的光功率前馈信号可以用来克服虚假水位现象。

图6中的Δpb是汽包水位差压变送器两侧压差，函数f2（x）的作用是通过测量汽包水位信号和压力信号校正汽包水位的压力。控制系统将3个经过压力校正的汽包水位信号送到均值器AVG中运算，得到的均值反映了汽包的真实水位值H。

吸热器的给水全程控制过程可以根据负荷分为两个阶段。在吸热器启动及负荷低于30%时系统采用单冲量控制，通过控制给水泵转速来维持汽包水位在给定范围内；此时给水旁路调节阀从开启到75%控制，主阀门保持关闭状态；给水压力则通过给水压力控制系统，控制旁路调节阀开度来调节。在吸热器30%～100%负荷时系统采用三冲量控制方式调节给水泵转速来维持汽包水位：当负荷大于30%、旁路调节阀开度大于75%时先打开主给水调节阀，这时给水泵已经有较高转速，主阀打开后管道阻力会突然减小，应注意给水流量波动不要太大，由给水压力控制系统控制旁路调节阀跟踪给水压差，直到旁路调节阀全关。另外，在三冲量系统投运情况下开主给水调节阀，由于三冲量系统抗内扰的能力比单冲量系统强很多，所以控制质量能够得到保证。

在减负荷过程中，控制顺序与上述相反，同时各负荷的切换点考虑2%的不灵敏区，避免由于负荷波动导致系统在切换点来回切换。

3 结语

针对腔式汽包型水／蒸汽吸热器，给出吸热器结构设计，提出给水全程控制的三个控制要求，设计和研制了吸热器的给水压力控制系统和给水泵转速控制系统。同时，为了避免两个系统之间的互相干扰，使各系统尽可能地协调动作，在给水压力控制系统中引入了水泵转速偏差前馈信号，在转速系统中引入压力偏差前馈信号，使系统的给水压力调节和给水泵转速控制互相联系起来，加快汽包水位的调节速度。

［1］Blake F A，Walton J D.Update on the solar power system and component research program［J］.Solar Energy，1975，17（4）：213－219.

［2］Zoschak R J，Wu S F，Gorman D N.Design and testing of a cavity－type，steam－generating，central receiver for a solar thermal power plant［J］.Transactions of the ASME，1980，102：486－494.

［3］刘文军.智能控制技术在大型火电机组给水全程控制系统中的应用研究［D］.太原：太原理工大学，2007.