DSG槽式太阳能热发电系统建模与控制研究进展

河海大学能源与电气学院 ■ 郭苏 刘德有 王沛 许昌

0 引言

槽式太阳能热发电系统(槽式系统)结构简单、成本较低、土地利用率高、安装维护方便，是世界上迄今为止商业化最成功的太阳能热发电形式。槽式太阳能聚光集热器(槽式集热器)由抛物线槽式聚光镜、集热管等部件构成，是其聚光集热的主要部件。1994年，Cohen等[1]提出了以水为传热工质的直接蒸汽发电(Direct Steam Generation，DSG)槽式集热器的概念，作为槽式集热器的未来发展方向。近年来各国专家学者均将目光投向了采用DSG槽式集热器的DSG槽式系统，DSG槽式系统的研发及应用涉及到多个学科领域的知识，具有多项关键技术。本文主要针对DSG槽式系统的建模和控制研究进行论述和分析。

1 DSG槽式系统

DSG槽式系统将大量DSG槽式集热器通过串并联的方式布置在场地上，抛物线槽式聚光镜采用单轴跟踪方式追踪太阳运动轨迹，将入射的直射太阳辐射聚焦到位于抛物线焦线的集热管上，集热管中的传热工质水被加热到400 ℃及以上的高温，产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽推动汽轮发电机组发电[2-5]。

与传统的导热油工质槽式系统相比，DSG槽式系统同样由聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统构成，但由于利用水工质代替了导热油工质，因此没有换热环节。

DSG槽式系统具有的优势为：用水替代导热油，消除了环境污染风险；省略了油/蒸汽换热器及其附件等，减少了换热环节的能量损失，电站投资也大幅下降；简化了系统结构，大幅降低了电站的运营成本；用水替代导热油，运行温度可达到500 ℃甚至更高的工作温度，提高了电站发电效率[2-4,6-8]。

Dagan等[9-10]提出DSG槽式系统的运行模式有直通模式、注入模式和再循环模式3种，见图1[11-12]。在直通模式DSG槽式系统中，给水从集热器入口至集热器出口，依次经过预热、蒸发、过热，直至蒸汽达到系统参数，进入汽轮机组发电。注入模式DSG槽式系统与直通模式DSG槽式系统类似，区别在于注入模式DSG槽式系统中集热器沿线均有减温水注入。而再循环模式DSG槽式系统最为复杂，该系统在集热器蒸发区结束位置装有汽水分离器。3种模式中，直通模式是最简单、最经济的运行模式；再循环模式是目前最保守、最安全的运行模式[13]；而由于注入模式的测量系统不能正常工作[11]，因此一般不采用注入模式。由于DSG槽式系统运行中集热器内存在水-水蒸气两相流转化过程，因此其控制问题比导热油工质槽式系统更加复杂[11-13]。

图1 DSG槽式系统运行模式简图

1996年，在欧盟的经济支持下，CIEMAT公司联合DLR公司、ENDESA公司等8家公司在CIEMAT-PSA实验中心共同研发了一个槽式太阳能直接蒸汽发电实验项目DISS(DIrect Solar Steam)[14-15]，见图2。DISS项目旨在真实太阳辐射条件下研究DSG槽式系统的3种基本运行模式(即直通模式、注入模式和再循环模式)，找出最适合于商业电站的运行模式，并为未来DSG槽式电站的设计积累经验[16]。

图2 DISS槽式太阳能热发电站

DISS电站由集热场和其他设备(Balance of Plant，BOP)组成，如图3所示。集热场是一个单独的从南到北放置的DSG槽式集热器组，负责把直射太阳辐射能转换为过热蒸汽的热能；BOP负责凝结过热蒸汽并送回到集热场入口。DISS电站的集热器组串联了11个改进的LS-3型抛物线槽式集热器，总长500 m。LS-3型集热器开口宽5.76 m，反射镜面积为3000 m2，集热管的内外径为50/70 mm，聚光比为82，光学效率为0.8，吸收率为0.96，镜面反射率为0.94，集热管发射率为0.19，设计工作温度为390 ℃。整个集热场由3部分组成，即预热区、蒸发区和过热区。蒸发区末端设有再循环泵和汽水分离器，为进行再循环模式DSG槽式系统实验时使用。给水在集热场中经过预热、蒸发和过热3个阶段被加热成高温高压蒸汽，送入汽轮发电机组发电，从汽轮发电机组排出的乏汽经过冷凝、除氧等过程再次作为给水参与循环。DISS电站采用传统的比例-积分(PI)控制方法对工质的主要参数进行控制。

图3 DISS电站回路示意图

DISS电站的运行结果表明，DSG槽式技术完全可行，并且证明在回热兰金循环下，汽轮机入口温度为450 ℃时，DISS电站太阳能转化电能的转化率为22.6%。而工质为导热油的传统槽式系统，汽轮机入口温度为375 ℃(这一温度由导热油的稳定极限限制)时，太阳能转化电能的转化率仅为21.3%[16]。

2012年1月，TSE-1电站(如图4)并网发电，这是世界上首座商业化DSG槽式太阳能热发电站。TSE-1电站位于泰国Kanchanaburi省，装机容量为5 MW，运行温度和压力为330 ℃、3 MPa，年产电量9 GWh，能源转化率达到26.4 %。TSE-1电站集热场占地面积11×105m2，聚光镜总面积为4.5×104m2。该电站采用了安全可靠的再循环运行模式，拥有11个蒸发回路和7个过热回路，对蒸发回路的流量进行自动控制，以确保蒸发回路的安全性，避免了干烧的可能性。集热场启动时采用半自动控制，启动过程中汽轮机组需在集热场出口蒸汽达到设定值时投入运行。TSE-1电站由Solarlite公司提供技术支持[17-18]。

图4 TSE-1电站

2 DSG槽式系统建模与控制研究现状

2.1 DSG槽式系统建模研究现状

对槽式集热器及槽式系统进行建模，是研究槽式系统稳态特性和动态特性的基础，也是研究槽式热发电控制方案的基础。20世纪末，各国专家学者开始了关于DSG槽式集热器和DSG槽式系统的建模研究。

Odeh等[19-22]在1996～2003年的5篇论文中，建立了以管壁温度作为自变量的槽式集热器热力学稳态模型、热损模型及效率模型，建立了DSG槽式集热器的水动力稳态模型(包括流态模型和压降模型)，并与热力学模型联立建立了DSG槽式系统的统一模型。优化了直通式DSG槽式集热器的设计，提出DSG集热器的稳态运行策略。

2005～2007年间，Eck等[23-24]以DISS电站为基础建立了再循环模式DSG槽式集热器的非线性分布参数模型，为了获得灵活且鲁棒性强的仿真模型，建立了显式微分方程组，并且所有闭合方程(包括压降方程、传热方程和工质物性参数方程等)均被描述成为状态变量的函数。

2012年，Bonilla等[25]以DISS电站为基础设计开发了基于面向对象的数学模型的直通模式DSG槽式电站的动态仿真方案。该模型的输入包括：环境温度，直射太阳辐射DSI，工质的入口温度、压力、流量及喷水减温器工质的温度、压力和流量等。其两相区模型采用了均相模型。采用有限体积法、交错网格法以及迎风格式对模型进行离散。但该模型中，每种状态工质的传热系数被简化为常数，摩擦系数也被简化为常数，降低了模型的准确度。

近年来，随着我国对太阳能热发电技术研究的深入，国内学者也逐步开始了对DSG槽式系统的研究。

徐涛[26]以槽式集热器的散焦现象为切入点，对集热管表面光学聚光比分布开展理论分析和计算机模拟研究，建立了光学聚光比的数学模型。但该数学模型有一定的适应条件，且模拟程序收敛时间较长；韦彪等[27]以直通模式DSG槽式集热器为研究对象，基于集热器管内水工质的流型与传热特性，建立了DSG槽式集热器稳态传热模型；李明等[28]建立了槽式集热器的稳态数学模型，并利用实验验证了模型的正确性；熊亚选等[29-30]通过分析槽式太阳能集热管热损失的计算方法和传热过程，建立了槽式太阳能集热管的二维稳态经验模型；杨宾[31]在传统槽式集热器研究的基础上，针对集热管内水在流动吸热过程中的状态变化，建立了管内一维稳态两相流动与传热模型；崔映红等[32]利用传热热阻原理分析了DSG槽式集热器热损的计算方法，建立了稳态热传导模型，并对直通模式和再循环模式连接的DSG槽式集热器的压降进行了分析；梁征等[8,33]分别建立了导热油工质槽式集热器的一维传热动态模型和水工质DSG槽式集热器的一维多相流动与传热动态模型。导热油工质模型与实验数据吻合较好，但DSG槽式集热器模型与实验数据相比误差较大；郭苏等[34]建立了DSG槽式集热器的非线性分布参数动态模型，模型采用了实时的传热系数和摩擦系数，提高了模型精度，并建立了适用于移动云遮工况的云遮始末时间模型，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DNI变化工况的问题。

2.2 DSG槽式系统控制研究现状

DSG槽式系统的控制目标是根据汽轮发电机的需要，在管路出口处实现恒定温度和压力的蒸汽输出。DSG槽式系统控制领域公开发表的研究成果非常有限，仅有的几篇关于DSG系统控制方法和策略的文章都是基于DISS项目完成的。目前，国外主要采用的仍是经典的比例－积分(PI)控制方法[11-13,17]。

Valenzuela等[11-12]设计实施了DISS项目直通模式和再循环模式DSG槽式系统的控制方案，并对其做了实验对比，验证了控制方案的可行性。Valenzuela采用了经典的PI/PID控制器，控制器参数采用极点配置法得到。实验中，再循环模式DSG槽式系统表现出的控制性能可以接受。而直通模式DSG槽式系统较难控制，在PI控制的基础上增加了前馈控制器，并采用了串级控制。

Eck等[23-24]对再循环模式DSG槽式系统的汽水分离器水位和出口蒸汽给出了控制方案。对于汽水分离器水位控制，Eck针对现有给水流量PI控制滞后大、调节慢的现象，在给水流量PI控制基础上，增加了集热场出口蒸汽产量的快速反馈回路，提高了控制性能。对于出口蒸汽控制，在PI控制的基础上并联前馈控制以提高控制性能。

与国外相比，国内关于DSG槽式系统控制方案、控制策略的研究更是刚刚起步。

张先勇等[35]对槽式太阳能热发电系统中的太阳跟踪控制、温度与压力控制系统等关键控制问题的应用现状作了较为全面的综述。王桂荣等[36-38]采用PI控制为辅的反馈线性化串级控制器对注入模式下的DSG槽式系统出口蒸汽温度控制进行了研究；郭苏等[4]采用多模型切换受限增量广义预测控制策略对再循环模式DSG槽式系统集热场出口蒸汽温度进行了控制研究，采用该策略可使被控参数快速平滑地跟踪设定值，并有效解决了变工况可能导致的模型失配问题。

3 DSG槽式系统研究展望

工质为水/水蒸气的DSG槽式系统是槽式太阳能热发电系统的发展方向。优化再循环模式和直通模式的集热场性能，提高其运行控制的稳定性是DSG槽式技术的研究方向[39]。准确建立DSG槽式集热器和DSG槽式系统的数学模型，研究其运行机理、控制方法和策略，是实现上述研究目标的基础。

从以上分析可知，DSG槽式集热器及热发电系统的建模，国外研究相对较多，国内仍处于起步阶段。对于DSG槽式集热器动态模型和DSG槽式系统动态模型，国内外采用非线性集总参数方法进行建模的较为多见，而采用能充分体现槽式系统管线长、DNI沿管线方向不均匀分布特点的非线性分布参数动态模型研究的较少，国内外均处于探索阶段。

对于DSG槽式系统的控制研究，目前主要集中在以PID控制为基础的相关控制方案上。由于DSG槽式系统的控制对象多具有大滞后、大惯性、参数时变等特点，经典的PID控制方法较难达到良好控制效果，因此应该将先进控制理论应用到DSG槽式系统的控制中。直通模式DSG槽式系统结构简单、投资少、效率高，是最理想的运行模式。但由于其自身结构特点，也是最难控制的运行模式。采用何种先进控制理论对直通模式DSG槽式系统进行控制才能达到理想控制效果，也是今后应深入研究的问题。

4 结论

本文对DSG槽式系统的原理、特点、运行模式等进行了介绍，并对DSG槽式系统的建模和控制问题及研究进展进行了详细综述。DSG槽式系统作为一个具有典型分布式特性的系统，建立其分布参数模型是实现准确模拟其特性的首要工作；DSG槽式系统作为一个强非线性系统，应用现代控制理论对其进行控制必将成为其稳定运行、提高效率的首选。直通模式DSG槽式系统结构简单、效率高，应成为今后重点研究的系统模式。

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