蒸汽吸热器给水全程控制系统的设计.pdf
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1、第 3 3卷第 1 期 2 0 1 2年 2 月 电 力与 能源 7 7 腔式太阳能水 庶 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 南京2 1 0 0 9 8 ; 2 南京科远 自动化集团股份有 限公 司 , 江苏 南京2 1 1 1 0 0 ) 摘要 : 介绍 了一种应用于塔式太 阳能热发 电系统 中的腔式水 蒸 汽吸热器 给水全 程控制 系统。提 出了系统 运行对控制系统 的控 制要 求 , 给 出了吸热器的给水压力 控制系 统和给水 泵转速控 制系统 的设计 和研制方法 。 同时指 出, 为了避
2、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 。 关键词 : 太 阳能 ; 腔式 ; 水 蒸 汽吸热器 ; 汽包 ; 给水控制 基金项 目: 国家 8 6 3高技术基金项 目( 2 0 0 6 AA 0 5 0 1 0 4 ) 中图分类号 : TK3 2 3 文献标 志码 : A 文章 编号 : 2 0 9 5 1 2 5 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 7 7 0
3、 5 F e e d wa t e r C o n t r o l S y s t e m De s i g n o f Ca v i t y Ty p e S o l a r Wa t e r S t e a m Re c e i v e r Guo Ti e z he n g ,Li u Guo yao ,Li u De yo u ,X“Ch an g ,Gu o Su ( 1 De pa r t me nt of Po we r Engi ne e r i ng, He ha i U n i ve r s i t y, Na i ng 21 00 98, Chi n a; 2 Na n
4、j i n g S c i y o n Au t o ma t i o n Gr o u p C o , Lt d , Na n j i n g 2 1 1 1 0 0 , Ch i n a ) Ab s t r a c t :F e e d wa t e r c o n t r o l s y s t e m o f a c a v i t y t y p e wa t e r s t e a m r e c e i v e r f o r s o l a r p o we r t o we r p l a n t wa s i n t r o duc e d,a s we l l a s
5、c on t r ol r e qu i r e me nt s o f f e e dwa t e r c o nt r ol s y s t e m we r e pu t f o r war d Be s i de s,f e e d wa t e r pr e s s ur e c o nt r o l s y s t e m o f r e c e i v e r a n d s pe e d c o nt r o l s ys t e m of f e e d wa t e r pump we r e de s i gne d a nd de v e l o pe d At t h
6、 e me a nt i me,i n o r d e r t O a vo i d i nt e r f e r e n c e wi t h e a c h o t he r be t we e n t wo s y s t e rns a nd ma ke t wo s ys t e ms c o op er a t i on i n h a r mo ny,s pe e d de vi a t i o n f e e d f or wa r d s i gna l of f e e dwa t e r pump wa s i mpo r t e d t O f e e d wa t e
7、 r pr e s s ur e c on t r o l s y s t e m ,a nd pr e s s ur e d e vi a t i on f e e d f o r war d s i gna l wa s a dd t O s p ee d c ont r ol s ys t e mBy us i ng a b o v e me n t i o n e d me t h o d s t O ma k e a d j u s t me n t f o r f e e d wa t e r p r e s s u r e a n d s p e e d c o n t r o
8、l o f f e e d wa t e r p u mp c o mb i n e d a n d c o o p e r a t e d ,S O t h a t a d j u s t me n t s p e e d f o r d r u m wa t e r l e v e l c a n b e q u i c k e n Ke y wo r d s :s o l a r ;c a v i t y ;wa t e r s t e a m r e c e i v e r ;s t e a m d r u m ;f e e d wa t e r c o n t r o l 作 为塔
9、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 ,
10、 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 2 O世 纪 8 O年 代 , 美 国 的 S o l a r On e 、 西 班 牙 的 C E S A 一 1和 欧共 体 的 E URE L I OS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 2 0 0 7年投 入商 业 运行 的 1 O
11、Mw 的 P S 1 0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 EUR E L I OS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 Ai e l l o 等 人认 为 这是 卣流 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 7 8 郭铁铮 , 等 : 腔式太阳能水 蒸 汽吸热器 给水全
12、程控制 系统 的设计 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
13、 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l l 1 。吸热 器如 图 1所示 。 左前墙 底部 ( b )南一 北纵剖图 ( c )俯视图 图 l 腔 式 水 蒸 汽 吸热 器不 惹 由图 1 可 以看 到 , 吸热器 由
14、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 。 蒸发段管口 图 2吸热 器 管 路 布 置 不 蕙 图 为 了最 大 限
15、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
16、, 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
17、 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 3 0 , 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
18、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。 西 上 墙 郭铁铮 , 等 : 腔式太 阳能水 蒸汽 吸热器给水全程控制 系统 的设计 7 9 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
19、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
20、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 P I 控 制器 控制
21、 , 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
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