郭鐵錚，劉國耀，劉德有，許 昌，郭 蘇

（1.河海大學動力工程系，江蘇南京 210098；2.南京科遠自動化集團股份有限公司，江蘇南京 211100）

作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)關鍵設備之一的吸熱器，用于吸收由定日鏡場反射來的高能流密度太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的高溫熱能。吸熱器按外形特點可分為外部式和腔式兩種結構。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行熱交換，優(yōu)點是結構簡單、鏡場有效面積大，缺點是吸熱器熱損失較大。腔式吸熱器的吸熱面置于腔內(nèi)，太陽輻射能進入腔體內(nèi)，在腔內(nèi)與工作介質(zhì)進行熱交換，可以減少吸熱器表面的對流和溢出損失，提高熱效率。

水的熱導率高，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，已經(jīng)在太陽能熱發(fā)電站中得到廣泛的應用。例如20世紀80年代，美國的Solar One、西班牙的CESA－1和歐共體的EURELIOS試驗電站，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，但運行中出現(xiàn)以下問題：電站啟動時間長；隨著能流密度的變化以及負荷變化，吸熱器的出口溫度很不穩(wěn)定。F.Aiello等人認為這是直流形式所特有的功能性問題。另外，直流形式過長的管路導致的長時延，對吸熱器的動態(tài)特性影響較大，以及隨著負荷變化，水與蒸汽之間的相變點來回變化，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。國內(nèi)外學者針對水／蒸汽吸熱器的熱力性能、動態(tài)特性、運行模式等進行了大量的研究，但對汽包型水／蒸汽吸熱器的控制系統(tǒng)研究報告文獻報道很少。本文將對腔式汽包型水／蒸汽吸熱器的結構特點進行分析，給出吸熱器結構的設計方法，提出吸熱器的給水全程控制策略，并在這個基礎上建立有效的控制系統(tǒng)。

1 汽包型水／蒸汽吸熱器的結構設計

腔式水／蒸汽吸熱器窗口通常為矩形或正方形，并且向鏡場方向有一定的傾斜角，太陽光束經(jīng)吸熱器窗口進入腔內(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［2］所述，吸熱器后墻輻射能流密度分布最強，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，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，吸熱器工作介質(zhì)管路可以分為預熱區(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、正常運行、云遮運行、負荷變化，以及頻繁的光功率擾動等的影響，吸熱器的運行工況比較復雜，如果僅靠人工操作、監(jiān)視的方式很難保證吸熱器穩(wěn)定和安全運行，為此必須建立一個自動控制系統(tǒng)，對吸熱器的給水過程進行全程控制。吸熱器給水的全程控制，要求在對吸熱器的冷、熱態(tài)沖洗過程，吸熱器啟動時的升溫、升壓過程，以及吸熱器停機時的冷卻降溫、降壓過程進行控制，并保證在帶小負荷運行和帶大負荷運行吸熱器都可以在額定工況下正常運行，此外還要求在云遮工況吸熱器自動下降到小負荷運行。在上述過程，只要控制設備能夠正常運轉(zhuǎn)，就可保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)。

由于機組的運行與負荷有關，因此吸熱器給水的動態(tài)特性隨著負荷變化而不同，吸熱器在高負荷和低負荷運行時必須采用不同的控制系統(tǒng)。當吸熱器在低負荷運行時，蒸汽流量一般低于額定值的30%，機組處于滑壓運行過程，參數(shù)低負荷變化范圍小，虛假水位不太嚴重，因此可以采用單沖量的控制方式，即利用取水位H給出一個反饋信號，構成單回路控制系統(tǒng)。但是，吸熱器在高負荷運行時單沖量的控制方式不能滿足控制需要，必須采用復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)吸熱器負荷和光功率的擾動程度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。其次，為了保證給水泵工作點不落在上限特性曲線的外邊，在低負荷時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計值。再次，為了保證給水泵工作點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，在轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中引入壓力偏差前饋信號，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，在啟動和低負荷工況時，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

當吸熱器處于冷啟動、熱啟動或者云遮運行、正常運行時，為了讓給水泵運行參數(shù)保持在安全區(qū)內(nèi)，控制系統(tǒng)會對給水泵的出口壓力和給水母管壓力進行比較，并選擇其中較小的壓力經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)濾波后，作為給水壓力的測量信號。當機組正常運行和冷態(tài)啟動時，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定值附近。但是在機組熱啟動時，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，保證兩個閥門在水泵出口給水壓力升壓的過程中都處于關閉狀態(tài)，直到給水泵出口壓力大于給水母管壓力時轉(zhuǎn)換成按照高壓加熱器出口的給水壓力進行調(diào)節(jié)，控制閥門的開度，保證給水泵在熱啟動過程中安全運行。

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行，給水壓力的設定與給水泵最小壓力pmin、保護壓力和主蒸汽壓力要求的給水泵壓力p1有關［3］，并取三者中最大值作為設定值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應流量下的最小壓力值。當給水泵運行在特性曲線安全區(qū)的最大流量時，說明給水泵出口壓力偏低。機組啟動后，隨著機組負荷的增加，汽包壓力不斷上升，主汽壓力也跟著上升，要求在任何負荷下給水壓力都應滿足：

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點，然后用均值器AVG對三個測點的壓力測量值求平均，把平均值作為汽包當下的壓力。在控制方案的設計中，考慮到如果三個測點中的某個壓力變送器發(fā)生故障時，則很可能導致控制系統(tǒng)的誤操作，為此控制系統(tǒng)中安裝了相關的聲光報警。一旦發(fā)生這類故障，故障測量值必然與pb值相差很大，在報警的同時控制系統(tǒng)自動切除故障信號。另外，取其余正常工作信號的均值作為汽包壓力值，并將控制系統(tǒng)切手動，待人工切除故障后，系統(tǒng)再切入自動運行。

2）給水泵轉(zhuǎn)速控制偏差微分前饋信號 給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中加入了偏差的微分前饋信號，當實際水位低于設定值較多給水泵轉(zhuǎn)速的偏差較大時，微分前饋信號根據(jù)偏差變化速度的增加，提前開大給水啟動閥，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 在升負荷過程中，當負荷大于30%、旁路調(diào)節(jié)閥開度大于75%時，調(diào)節(jié)閥切換回路，打開主給水調(diào)節(jié)閥。這時給水泵已經(jīng)有較高轉(zhuǎn)速，主給水調(diào)節(jié)閥打開后管道阻力會突然減小，此時要求給水流量波動不能太大，由旁路調(diào)節(jié)閥自動跟蹤給水壓差，直到旁路調(diào)節(jié)閥全關。在降負荷過程中，當負荷小于30%后，先開旁路調(diào)節(jié)閥，再關主給水調(diào)節(jié)閥，同時根據(jù)汽包水位的變化趨勢和蒸汽流量與給水流量的對應關系，逐漸開大旁路調(diào)節(jié)閥，由給水壓力控制系統(tǒng)自動跟蹤給水壓差，直到主給水調(diào)節(jié)閥全關。

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、停機和低負荷工況時采用單沖量控制，高負荷工況時采用串級三沖量控制。其中單沖量控制器采用PI控制器；串級三沖量主控器采用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。運行中當蒸汽流量D小于30%時（即低負荷工況），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定值（即H＝H0）。由于機組啟動及低負荷階段，給水泵的工作點很容易滑出安全工作區(qū)，所以單沖量控制信號的回路中引入了給水泵出口壓力偏差信號Δpp，當給水泵出口壓力偏差信號Δpp大于差壓給定值Δp0時，表明給水壓力偏差太大，就要求將差值信號（Δp0－Δpp）作為給水泵轉(zhuǎn)速控制信號，在保證給水量的同時，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行。

在給水泵安全保護回路中，當吸熱器在低負荷運行時，給水泵流量可能很小，為了防止給水泵的工作點滑入上限特性之外，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測值轉(zhuǎn)化為泵特性曲線下限所對應的最小安全壓力值，并加上一定裕量后作為該泵的安全壓力限制值。若泵出口壓力測量值大于該限制值，說明給水泵在安全區(qū)內(nèi)運行。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，一旦出現(xiàn)光功率擾動，如光功率突然增強時，汽包的蒸發(fā)強度增強，蒸發(fā)流量也相應增加，但是由于虛假水位現(xiàn)象水位H不降反升，這時控制系統(tǒng)的光功率前饋信號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壓差，函數(shù)f2（x）的作用是通過測量汽包水位信號和壓力信號校正汽包水位的壓力?？刂葡到y(tǒng)將3個經(jīng)過壓力校正的汽包水位信號送到均值器AVG中運算，得到的均值反映了汽包的真實水位值H。

吸熱器的給水全程控制過程可以根據(jù)負荷分為兩個階段。在吸熱器啟動及負荷低于30%時系統(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)；此時給水旁路調(diào)節(jié)閥從開啟到75%控制，主閥門保持關閉狀態(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%負荷時系統(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：當負荷大于30%、旁路調(diào)節(jié)閥開度大于75%時先打開主給水調(diào)節(jié)閥，這時給水泵已經(jīng)有較高轉(zhuǎn)速，主閥打開后管道阻力會突然減小，應注意給水流量波動不要太大，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。另外，在三沖量系統(tǒng)投運情況下開主給水調(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)強很多，所以控制質(zhì)量能夠得到保證。

在減負荷過程中，控制順序與上述相反，同時各負荷的切換點考慮2%的不靈敏區(qū)，避免由于負荷波動導致系統(tǒng)在切換點來回切換。

3 結語

針對腔式汽包型水／蒸汽吸熱器，給出吸熱器結構設計，提出給水全程控制的三個控制要求，設計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，為了避免兩個系統(tǒng)之間的互相干擾，使各系統(tǒng)盡可能地協(xié)調(diào)動作，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，在轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中引入壓力偏差前饋信號，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。

［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］劉文軍.智能控制技術在大型火電機組給水全程控制系統(tǒng)中的應用研究［D］.太原：太原理工大學，2007.