一种光热电站集热器的给水量控制方法及其系统与流程

本发明涉及一种集热器控制领域，尤其涉及一种光热电站集热器的给水量控制方法及其系统。

背景技术：

光热发电系统包括集热器及用于将太阳光反射聚集于集热器上的反射镜。其中，集热器包括蒸发段和过热段，输送至集热器蒸发段的水在蒸发段中吸收热量，温度升高产生高温蒸汽，并继续通过过热段实施高温蒸汽的过热，从而获得所需蒸汽品质的过热蒸汽，进而驱动发电机组发电。

目前，以水直接作为换热介质的集热器多采用再循环模式，该模式高度可控，能够保证末端出口过热蒸汽的参数。由于不同天气、不同时刻下，太阳辐射强度不同，而太阳辐射强度直接影响到集热器输出的过热蒸汽的品质，因此，为保证过热段出口的蒸汽品质，需调节蒸发段的给水量。目前，多通过测定蒸发段出口的温度，根据蒸发段出口的温度与预设的温度进行比较，从而调节蒸发段的给水量。

由于集热管蒸发段管道较长，导致了给水调节有很大的滞后性，而且需要操作人员判断的参数较多，整体效果并不理想，无法根据太阳辐射强度的变化及时调节蒸发段的给水量，从而很难保证集热器输出所需品质的过热蒸汽。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光热电站集热器的给水量控制方法，可根据太阳辐射强度的变化及时、有效地调节集热器蒸发段的给水量。

本发明的目的还在于提供一种光热电站集热器的给水量控制系统，可根据太阳辐射强度的变化及时、有效地调节集热器蒸发段的给水量。

本发明提供的光热电站集热器的给水量控制方法，包括：

测量太阳法向直射辐射值，并根据该太阳法向直射辐射值计算出该时刻集热器蒸发段吸收的有效热功率；

测量该时刻所述集热器蒸发段入口处的给水温度以及给水压力，并计算出当前的给水焓值；

测量该时刻所述集热器蒸发段出口处的蒸汽压力，并得到该蒸汽压力下的干饱和蒸汽温度值；

通过该蒸汽压力和该干饱和蒸汽温度值计算出干饱和蒸汽的理论焓值；

利用所述给水焓值、所述干饱和蒸汽的理论焓值以及所述集热器蒸发段吸收的有效热功率计算出该时刻所述集热器蒸发段的理论给水量；

测量该时刻所述集热器蒸发段的实际给水量，并调节所述集热器蒸发段的给水量。

进一步地，所述根据该太阳法向直射辐射值计算出该时刻的集热器蒸发段吸收的有效热功率，具体为：

根据该时刻的太阳法向直射辐射值，计算所述集热器蒸发段吸收的理论热功率；

计算经过反射镜后的可利用的热功效率和计算所述集热器蒸发段的有效吸收的热功效率；

利用所述集热器蒸发段吸收的理论热功率、所述经过反射镜后的可利用的热功效率和所述集热器蒸发段的有效吸收热功效率计算出该时刻所述集热器蒸发段吸收的有效热功率。

进一步地，所述计算经过反射镜后的可利用的热功效率包括：

计算所述反射镜的入射有效热功效率、计算所述反射镜的反射有效热功效率和计算所述反射镜被遮挡造成的热功损失效率。

进一步地，所述计算反射镜被遮挡造成的热功损失效率包括：计算所述反射镜被安装结构遮挡造成的热功损失效率、计算所述反射镜被集热器蒸发段遮挡造成的热功损失效率和计算相邻的所述反射镜之间相互遮挡造成的热功损失效率。

进一步地，所述计算集热器蒸发段的有效吸收热功效率包括：计算所述集热器蒸发段的端部损失效率、计算所述集热器蒸发段的吸收效率和计算所述集热器蒸发段的外部辐射及对流损失效率。

进一步地，所述计算集热器蒸发段的有效吸收热功效率还包括：计算复合抛物面聚光器的二次反射效率。

进一步地，所述计算集热器蒸发段的有效吸收热功效率还包括：计算所述复合抛物面聚光器的玻璃盖板透射效率。

进一步地，所述计算集热器蒸发段的有效吸收热功效率还包括：计算所述集热器蒸发段的玻璃套管透射效率。

进一步地，所述计算集热器蒸发段的有效吸收热功效率还包括：计算所述集热器蒸发段的玻璃套管透射效率。

进一步地，在所述利用所述给水焓值、所述干饱和蒸汽的理论焓值以及所述集热器蒸发段吸收的有效热功率计算出该时刻所述集热器蒸发段的理论给水量后，还包括：

对所述集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节。

进一步地，所述对所述集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节，具体为：

实时测量所述集热器蒸发段的出口处的蒸汽压力，并得到与蒸汽压力相对应的干饱和蒸汽温度值；

实时测量所述集热器蒸发段的出口处的蒸汽温度测量值；

利用得到的干饱和蒸汽温度值和蒸汽温度测量值得到动态的实际过热度值；

在预设补偿给水量的范围内，对所述集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节，直至所述实际过热度值与预设过热度值趋于相等。

进一步地，所述预设补偿给水量的范围为±α，所述α的值为所述集热器蒸发段的最大给水量值的5％～15％。

进一步地，所述预设过热度值为7～12℃。

进一步地，本发明提供的一种光热电站集热器的给水量控制系统，包括：

设置在集热器蒸发段的入口处的给水压力测量装置和给水温度测量装置；

设置在所述集热器蒸发段的出口处的蒸汽压力测量装置；

设置在水箱和所述集热器蒸发段之间管路上的流量控制装置及流量监测装置；

以及第一数据处理模块和第一比例-积分-微分控制器；

其中，所述给水压力测量装置、所述给水温度测量装置和所述蒸汽压力测量装置与所述第一数据处理模块相连；所述第一数据处理模块的输出端和所述流量监测装置均与所述第一比例-积分-微分控制器的输入端相连；所述第一比例-积分-微分控制器的输出端与所述流量控制装置相连。

进一步地，还包括设置在所述集热器蒸发段的出口处的蒸汽温度测量装置、第二数据处理模块和第二比例-积分-微分控制器；

其中，所述蒸汽压力测量装置和所述蒸汽温度测量装置均与所述第二数据处理模块相连；所述第二数据处理模块的输出端与所述第二比例-积分-微分控制器的输入端相连；所述第二比例-积分-微分控制器的输出端与所述第一比例-积分-微分控制器的输入端相连。

与现有技术相比，本发明提供的光热电站集热器的给水量控制方法，根据太阳法向直射辐射值，判断集热器蒸发段所处环境的太阳辐照强度，并可根据不同时刻太阳辐射强度的不同，及时、有效地调节集热器蒸发段的给水量，从而提升集热器蒸发段的出口蒸汽的稳定性，进而保证集热器过热段出口蒸汽的品质。

在进一步的技术方案中，通过引入影响集热器蒸发段吸收的有效热功率的多个因素，进一步明确了该光热电站集热器的给水量控制方法的可靠性、及时性，通过该多个影响因素的 综合判定，可较精确地判断该光热电站集热器的给水量随太阳法向直射辐射值的变化，进而及时、有效地明确不同时刻不同太阳法向直射辐射值下该光热电站集热器的给水量。

在进一步的技术方案中，通过对集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节，调节至至集热器蒸发段出口的实际过热度值与预设过热度值趋于相等，更进一步提高了该光热电站集热器的给水量控制方法的准确度，便于获得所需参数的蒸汽品质。

与现有技术相比，本发明提供的光热电站集热器的给水量控制系统，利用该给水量控制系统可及时、准确地调节集热器蒸发段的给水量，便于获得所需参数的蒸汽品质。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例一提供的光热电站集热器的给水量控制方法的流程图。

图2、3、4为本发明实施例二提供的光热电站集热器的给水量控制方法的流程图。

图5为本发明实施例三提供的光热电站集热器的给水量控制方法的流程图。

图6、7、8为本发明实施例四提供的光热电站集热器的给水量控制系统的结构示意图。

附图说明：

1-集热器蒸发段，2-给水压力测量装置，3-给水温度测量装置，4-蒸汽压力测量装置，5-水箱，6-流量监测装置，7-流量控制装置，8-蒸汽温度测量装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的光热电站集热器的给水量控制方法，具体包括以下步骤：

S1：测量太阳法向直射辐射值，并根据该太阳法向直射辐射值计算出该时刻集热器蒸发段吸收的有效热功率；

S2：测量该时刻集热器蒸发段入口处的给水温度以及给水压力，并计算出当前的给水焓值；

S3：测量该时刻所述集热器蒸发段出口处的蒸汽压力，并得到该蒸汽压力下的干饱和蒸汽温度值；

S4：通过该蒸汽压力和该干饱和蒸汽温度值计算出干饱和蒸汽的理论焓值；

S5：利用所述给水焓值、所述干饱和蒸汽的理论焓值以及集热器蒸发段吸收的有效热功率计算出该时刻集热器蒸发段的理论给水量；

S6：测量该时刻所述集热器蒸发段的实际给水量，并调节所述集热器蒸发段的给水量。

在光热电站集热器的运行过程中，由于不同天气、不同时刻下，太阳辐射强度不同，而太阳辐射强度直接影响到集热器输出的过热蒸汽的品质。现有技术中通过测定蒸发段出口的温度，根据蒸发段出口的温度与预设的温度进行比较，从而调节蒸发段的给水量，由于集热管蒸发段管道较长，该种调节方式具有很大的滞后性，无法根据太阳辐射强度的变化直接、快速地调节蒸发段的给水量，很难保证集热器输出所需品质的过热蒸汽。本发明通过实时监测光热电站集热器所处环境的太阳辐照强度，根据太阳辐射强度的变化，确定集热器蒸发段吸收的有效热功率，从而可直接、有效地调节集热器蒸发段的给水量，进而保证集热器过热段出口蒸汽的品质。

实施例二

为便于清楚地理解如何根据太阳法向直射辐射值计算出该时刻的集热器蒸发段吸收的有效热功率，将该集热器蒸发段吸收的有效热功率的具体过程作如下阐述：

如图2所示，步骤S1：根据该太阳法向直射辐射值计算出该时刻的集热器蒸发段吸收的有效热功率，具体为以下步骤：

S11：根据该时刻的太阳法向直射辐射值，计算所述集热器蒸发段吸收的理论热功率；

S12：计算经过反射镜后的可利用的热功效率和计算所述集热器蒸发段的有效吸收的热功效率；

S13：利用所述集热器蒸发段吸收的理论热功率、所述经过反射镜后的可利用的热功效率和所述集热器蒸发段的有效吸收热功效率计算出该时刻所述集热器蒸发段吸收的有效热功率。

其中，S11步骤中的所述集热器蒸发段吸收的理论热功率是指在当前太阳法向直射辐射值下，在无任何损失的情况下全部反射至集热器蒸发段并被其全部吸收的太阳光照的热功率。

但在实际情况中，太阳光在传输过程中因受到各种因素的影响而损失辐照能量，大体可分为两个方面。

其一为计算经过反射镜后的可利用的热功效率。经过反射镜后的可利用的热功效率是指在当前太阳法向直射辐射值下，太阳光从入射到反射镜并经过反射镜将太阳光反射至集热器蒸发段的这一过程中，太阳光经损失后实际能够利用的热功效率。具体的影响因素与反射镜的安装结构及其自身性能具有极大的关系。

如图3所示，本实施例中，计算经过反射镜后的可利用的热功效率具体包括：

S121：计算反射镜的入射有效热功效率、计算反射镜的反射有效热功效率和计算反射镜被遮挡造成的热功损失效率。

其中计算反射镜被遮挡造成的热功损失效率具体包括：

S1211：计算反射镜被安装结构遮挡造成的热功损失效率、计算反射镜被集热器蒸发段遮挡造成的热功损失效率和计算相邻的反射镜之间相互遮挡造成的热功损失效率。

需说明的是，在计算经过反射镜后的可利用的热功效率时，计算反射镜的入射有效热功效率时需要考虑的影响因素主要包括：反射镜的安装精度的影响；反射镜倾斜角度的影响等。计算反射镜的反射有效热工效率时需要考虑的影响因素主要包括：反射镜自身反射效率的影响等。

综上所述，在计算经过反射镜后的可利用的热功效率的过程中考虑的因素应包括但不限于上述几个方面，本领域技术人员根据安装结构和反射镜性能的不同而考虑的其他能够影响经过反射镜后的可利用的热功效率的因素，均应当落入本发明的保护范围。

其二为计算集热器蒸发段的有效吸收的热功效率。计算集热器蒸发段的有效吸收的热功效率是指经过反射镜反射后的太阳光照射至集热器后，集热器能够将太阳光转化为实际能够吸收并利用的热能的热功效率值。具体的影响因素与集热器蒸发段的结构及其自身性能具有极大的关系。

如图4所示，在本实施例中，计算集热器蒸发段的有效吸收热功效率具体包括：

S122：计算集热器蒸发段的端部损失效率、计算集热器蒸发段的吸收效率、计算集热器蒸发段的外部辐射及对流损失效率。

进一步的，在计算集热器蒸发段的有效吸收的热功效率时，因不同类型的光热电站中集热器蒸发段的结构不同，该集热器蒸发段的有效吸收的热功效率会受到不同因素的影响，以下通过举例的方式说明集热器蒸发段的不同结构，并对计算集热器蒸发段的有效吸收的热功效率的具体计算过程予以说明。

集热器蒸发段的第一种结构：该集热器蒸发段包括集热管、复合抛物面聚光器。该复合抛物面聚光器接收反射镜反射的光线，并将该光线反射至集热管上。针对集热器蒸发段的第一种结构，在计算该集热器蒸发段的有效吸收热功效率时，除包括计算集热器蒸发段的端部损失效率；计算集热器蒸发段的吸收效率；计算集热器蒸发段的外部辐射以及对流损失效率以外；还应当包括计算复合抛物面聚光器的二次反射效率。

集热器蒸发段的第二种结构：该集热器蒸发段包括集热管、复合抛物面聚光器及复合抛物面聚光器的玻璃盖板。该复合抛物面聚光器接收反射镜反射的光线，并将该光线反射至集热管上，并通过设置复合抛物面聚光器的玻璃盖板，减少集热管与环境的热对流。针对集热器蒸发段的第二种结构，在计算该集热器蒸发段的有效吸收热功效率时，除包括计算集热器蒸发段的端部损失效率；计算集热器蒸发段的吸收效率；计算集热器蒸发段的外部辐射以及对流损失效率以外；还应当包括计算复合抛物面聚光器的二次反射效率以及计算复合抛物面聚光器的玻璃盖板透射效率。

集热器蒸发段的第三种结构：该集热器蒸发段包括集热管、套接于集热管外部的玻璃套管及复合抛物面聚光器。该玻璃套管与集热管之间的空间抽真空，从而减少集热管的热损。针对集热器蒸发段的第三种结构，在计算该集热器蒸发段的有效吸收热功效率的计算时，除包括计算集热器蒸发段的端部损失效率；计算集热器蒸发段的吸收效率；计算集热器蒸发段的外部辐射及对流损失效率以外；还应当包括计算复合抛物面聚光器的二次反射效率及计算集热器蒸发段的玻璃套管透射效率。

集热器蒸发段的第四种结构：该集热器蒸发段包括集热管、套接于集热管外部的玻璃套管。该玻璃套管与集热管之间的空间抽真空，从而减少集热管的热损。针对集热器蒸发段的第四种结构，在计算其集热器蒸发段的有效吸收热功效率时，除包括计算集热器蒸发段的端部损失效率，计算集热器蒸发段的吸收效率，计算集热器蒸发段的外部辐射及对流损失效率以外；还应当包括计算集热器蒸发段的玻璃套管透射效率。

综上所述，需要进一步说明的是，在计算集热器蒸发段的有效吸收的热功效率的过程时，考虑的因素应当包括以下几方面：因集热器蒸发段端部损失的影响；因集热器蒸发段的吸收性能的影响；以及因集热器蒸发段的外部辐射及对流损失的影响。在计算集热器蒸发段的有效吸收的热功效率的过程中考虑的因素应包括但不限于上述几个方面，本领域技术人员根据集热器蒸发段的结构及其自身性能的不同而考虑的其他能够影响集热器蒸发段的有效吸收的热功效率的因素，均应当落入本发明的保护范围。

实施例三

上述实施例一和实施例二阐述了光热电站集热器的给水量控制方法，阐述了集热器蒸发段给水量的控制方式，为进一步提高该控制方法的精确度，在上述控制方法中引入辅助调节方法。即在利用给水焓值、干饱和蒸汽的理论焓值以及集热器蒸发段吸收的有效热功率计算出该时刻集热器蒸发段的理论给水量后，还包括：

对集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节。

利用实施例一或实施例二提供的集热器的给水量控制方法与本实施例提供的集热器的给水量的辅助调节方法的共同调节，提高光热电站集热器的给水量控制方法的准确性，便于高效获得所需参数的蒸汽品质。

如图5所示，针对本实施例提供的集热器的给水量控制方法的具体包括：

S1：测量太阳法向直射辐射值，并根据该太阳法向直射辐射值计算出该时刻集热器蒸发段吸收的有效热功率；

S2：测量该时刻集热器蒸发段入口处的给水温度以及给水压力，并计算出当前的给水焓值；

S3：测量该时刻所述集热器蒸发段出口处的蒸汽压力，并得到该蒸汽压力下的干饱和蒸汽温度值；

S4：通过该蒸汽压力和该干饱和蒸汽温度值计算出干饱和蒸汽的理论焓值；

S5：利用所述给水焓值、所述干饱和蒸汽的理论焓值以及所述集热器蒸发段吸收的有效热功率计算出该时刻所述集热器蒸发段的理论给水量；

在步骤S5之后，还包括：

T：对所述集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节。

其中，步骤T：对集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节，具体可为：实时测量集热器蒸发段的出口处的蒸汽压力，并得到与蒸汽压力相对应的干饱和蒸汽温度值；

实时测量集热器蒸发段的出口处的蒸汽温度测量值；

利用得到的干饱和蒸汽温度值和蒸汽温度测量值得到动态的实际过热度值；

在预设补偿给水量的范围内，对集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节，直至实际过热度值与预设过热度值趋于相等。

需要说明的，本实施例的光热电站集热器蒸发段的给水量的控制方法中关于影响集热器吸收的有效热功率的因素及其计算过程均与实施例一或实施例二公开的内容大致相同，在此不再赘述，以下针对对集热器蒸发段的理论给水量的动态补偿调节给予具体说明。

为便于更加清楚地理解对集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节这一过程，将其具体调节过程作如下阐述：

首先，根据该光热电站集热器蒸发段的具体结构，结合技术人员的先验知识，为该集热器蒸发段出口处的蒸汽过热度确定一个预设过热度值。实时测量集热器蒸发段出口处的蒸汽压力，并得到与蒸汽压力相对应的干饱和蒸汽温度值；实时测量集热器蒸发段的出口处的蒸汽温度测量值；根据干饱和蒸汽温度值与蒸汽温度测量值得到实际过热度值。

其次，将该实际过热度值与预设过热度值进行比较，若实际过热度值与预设过热度值不相同，则需在预设补偿给水量的范围内，对集热器蒸发段的理论给水量进行补偿调节。即确定一个补偿调节量，将该补偿调节量与理论给水量的和值作为最终的理论给水量，并测量此时集热器蒸发段的实际给水量，根据最终的理论给水量及实际给水量，调节给水泵的给水频率，从而调节集热器蒸发段的给水量。在对该集热器蒸发段的理论给水量进行动态补偿调节的过程中，根据实际过热度值与预设过热度值的差别，通过减少补偿调节量或增加补偿调节量，从而减少最终的理论给水量或增加最终的理论给水量，直至实际过热度值与预设过热度值趋于相等。

其中，预设补偿给水量的范围为±α，该α的值为集热器蒸发段的最大给水量值的5％～15％。其中，预设过热度值为7～12℃。其中，预设补偿给水量和预设过热度值的范围均为根据光热电站集热器的具体结构，通过反复试验而得，针对不同类型的光热电站中不同的集热器的结构，该预设补偿给水量和预设过热度值的范围也不同。

实施例四

如图6至8所示，本实施例提供的光热电站集热器的给水量控制系统，包括：

设置在集热器蒸发段1的入口处的给水压力测量装置2和给水温度测量装置3；

设置在集热器蒸发段1的出口处的蒸汽压力测量装置4；

设置在水箱5和集热器蒸发段1之间管路上的流量控制装置7及流量监测装置6；

以及第一数据处理模块和第一比例-积分-微分控制器；

其中，该给水压力测量装置2、给水温度测量装置3和蒸汽压力测量装置4与第一数据处理模块相连；该第一数据处理模块的输出端和流量监测装置6均与所述第一比例-积分-微分控制器的输入端相连；该第一比例-积分-微分控制器的输出端与流量控制装置7相连。

通过设置在集热器蒸发段1的入口处的给水压力测量装置2和给水温度测量装置3获得集热器蒸发段1入口处的给水压力值和给水温度值，并通过设置在集热器蒸发段1的出口处的蒸汽压力测量装置4获得集热器蒸发段1出口处的蒸汽压力值。将采集的集热器蒸发段1入口处的给水压力值和给水温度值及集热器蒸发段1出口处的蒸汽压力值在第一数据处理模块中进行运算处理，计算出集热器蒸发段1的理论给水量，并通过流量监测装置6获得集热器蒸发段1的实际给水量，经第一数据处理模块处理获得的集热器蒸发段1的理论给水量及通过流量监测装置6获得的集热器蒸发段1的实际给水量通过第一比例-积分-微分控制器的处理调节流量控制装置7，实施集热器蒸发段1给水量的调节。

另外，该光热电站集热器的给水量控制系统，还可包括设置在集热器蒸发段1的出口处 的蒸汽温度测量装置8、第二数据处理模块和第二比例-积分-微分控制器；

其中，蒸汽压力测量装置4和蒸汽温度测量装置8均与第二数据处理模块相连；第二数据处理模块的输出端与第二比例-积分-微分控制器的输入端相连；第二比例-积分-微分控制器的输出端与第一比例-积分-微分控制器的输入端相连。

通过设置在集热器蒸发段1的出口处的蒸汽温度测量装置8获得集热器蒸发段1的出口处的蒸汽温度测量值，将采集的集热器蒸发段1出口处的蒸汽温度测量值与集热器蒸发段1出口处的蒸汽压力值在第二数据处理模块中进行运算处理，获得实际过热度值；在预设流量补偿范围内确定针对集热器蒸发段1的理论给水量的补偿量，结合集热器蒸发段1的理论给水量，通过第一比例-积分-微分控制器和第二比例-积分-微分控制器调节流量控制装置7，实施集热器蒸发段1给水量的调节。

通过本实施例提供的光热电站集热器的给水量控制系统，利用该给水量控制系统可及时、准确地调节集热器蒸发段1的给水量，从而可高效率地获得所需参数的蒸汽品质。

最后需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式技术方案的精神和范围。