基于吸热器温度控制的塔式光热电站定日镜调度方法与流程

1.本发明属于塔式太阳能光热发电技术领域，特别涉及基于吸热器温度控制的塔式光热电站定日镜调度方法。


背景技术：

2.塔式太阳能光热发电技术路线是太阳能光热发电中主要的发电形式之一，目前正得到越来越多的工程化应用推广。其基本原理为：利用众多定日镜构成的镜场，将太阳光反射到吸热塔顶部的吸热器上，加热吸热器中的工质，工质可以直接进入到汽轮发电机组中发电；也可以先进入储热系统、在需要发电时与换热系统进行热交换产生蒸汽推动汽轮发电机进行发电。
3.对于塔式集热而言，定日镜起着收集和汇集太阳辐射能的作用，吸热器负责将定日镜汇集的辐射能转换为传热工质的热能。定日镜是集热场中的主要设备，吸热器是集热场中的核心设备，它们也是塔式光热电站中的主要和关键设备。据现有的项目信息，规模较大的塔式光热电站，其定日镜数量庞大，通常会超过10000台。定日镜的作用是跟踪太阳并将太阳光精确地反射至吸热器。在需要定日镜反射太阳入射光时，必须给为其指定一个目标点。在给每台定日镜确定目标点时，一方面要考虑到镜场汇聚到吸热器上的总功率会受到定日镜自身特性和太阳辐射、太阳位置、天气、电站运行情况等外部因素影响；另一方面定日镜汇聚到吸热器上的功率分布还受到吸热器自身特性的限制。
4.吸热器运行工况十分恶劣，其不仅承受着高的热流密度，同时其热流密度还经常处于变化中，这对吸热器的安全、可靠运行提出了严峻的挑战。同时，由于定日镜与吸热器距离远，其在吸热器上的瞄准精度还受到定日镜自身性能限制，这也给吸热器的运行带来挑战。因此，集热场在运行中一是要保证吸热器的安全，二是维持镜场高效率运行状态，三是要保证吸热器工质出口参数满足设计要求。要实现上述目标，需对定日镜的目标点进行设置。
5.目前所采用的定日镜调度方法主要有：基于吸热器功率需求进行调度、基于吸热器表面热流密度需求进行调度。这两种方法存在的共同问题是没有完全考虑影响吸热器安全运行的因素。比如吸热器内部工质分配不均，工质分解，外部风速、风向，云的干扰等因素对吸热器温度的影响，这将使吸热器出现超温爆管，对熔盐吸热器也可能出现熔盐冻堵风险，这都对吸热器的安全运行带来不利影响。
6.与吸热器安全运行密切相关的参数是吸热器的温度绝对值、温度变化率、温度分布梯度。以吸热器表面功率或热流密度作为定日镜调度依据的方法，不能直接判断吸热器是否处于安全运行状态，比如对于同样的热流密度或功率，吸热器在不同的流程范围或不同运行工况下，其温度值可能会相差一倍，它并不能直接和可靠的反映吸热器是否处于安全运行中。
7.原有方法为保障吸热器安全，将吸热器表面热流密度按照从上到下均匀设置，在吸热器受热面端部的热流密度值需求较大，有更多的定日镜瞄准了吸热器的端部，导致定
日镜溢出损失增加，降低了镜场的运行效率。
8.吸热器受热面从进口到出口间流程较长，加之金属、工质自身有较高的比热容，使得整个吸热器具有较大的热惯性，而且吸热器不但受自身热力系统设备运行影响，同时又会受到云层、太阳辐射、太阳位置等外部日照和气象变化的影响。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于吸热器温度控制的定日镜目标点设置和调度方法，保证吸热器在各种正常稳态工况、启停及预热和镜场受云影响等变化工况下都能保证吸热器温度可控。
10.本发明所采用的技术方案为：
11.基于吸热器温度控制的塔式光热电站定日镜调度方法，包括以下步骤：
12.s1：首先获取吸热器当前参数和状态以及当前及短期内太阳辐射、气象参数、云的影响参数，以定日镜瞄准吸热器固定位作为初始瞄准点,利用吸热器计算模型，获得一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数；
13.s2：将一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数与设定值进行对比，判定一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数是否超限；
14.s3：若一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数没有超限，则确认各时序各定日镜目标点，并向定日镜的控制器发送目标点信号；
15.若一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数存在超限情况，则以逐步将各定日镜从初始瞄准点往吸热器边缘移动后的计算瞄准点来计算吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数是否超限，直至一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数不再超限；确认各时序各定日镜目标点，并向定日镜的控制器发送目标点信号，并调度定日镜。
16.本发明采用吸热器的温度绝对值、温度变化率、温度分布梯度等参数作为定日镜调度依据，实现了吸热器安全可控的目的，解决了原有方法不能可靠、准确、直观表征吸热器运行安全的问题。
17.本发明结合高精度短时云预测装置技术和太阳辐射及位置预计算技术，建立不同时序的定日镜目标点预瞄准数据库，避免了因日照气象等外部条件变化导致的吸热器因热惯性而引起的温度不可控问题。
18.作为本发明的优选方案，在步骤s3之前，将若干定日镜瞄准初始瞄准点，初始瞄准点靠近吸热器中部受热区域。本发明基于吸热器温度绝对值、温度变化率、温度分布梯度等直接和吸热器安全相关的参数作为控制对象，在保证这些参数安全可控的前提下，将定日镜初始瞄准点更多地瞄准在吸热器中部受热区域，适当允许吸热器表面热流密度不均匀度，降低定日镜的溢出损失，可保证吸热器安全的前提下兼顾镜场更高的运行效率。
19.作为本发明的优选方案，在步骤s3中，逐步设定各定日镜的计算瞄准点时，以从内环定日镜到外环定日镜的顺序，逐步移动定日镜的计算瞄准点。由于本发明设定计算瞄准点时，从调节内环到外环定日镜的计算瞄准点的顺序进行直至一定时间内各时序对应的吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数不再超限时停止，则仅需内内若干层的定日
镜需要调度。主要调度内环小光斑定日镜，既减少了定日镜调度数量，又降低了定日镜调动频率和移动范围，有效避免了因定日镜目标点变动造成吸热器参数扰动。因减少定日镜调度数量和频次，降低了计算耗时，并降低了定日镜的跟踪能耗。
20.作为本发明的优选方案，逐步设定各定日镜的计算瞄准点时，相邻环定日镜的计算瞄准点的移动方向相反。在设置定日镜目标点时，按其在镜场中的奇偶环数分别向吸热器上部和下部移动的方法，是若干定日镜在吸热器上的目标点更均匀。这种移动方法与向吸热器单侧移动相比，可降低吸热器端部温度，有利于减少循环迭代次数并能提高吸热器运行安全。
21.作为本发明的优选方案，在步骤s3中，以新的计算瞄准点来计算吸热器温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数是否超限时，也考虑当前及短期内太阳辐射、气象参数、云的影响参数影响。
22.作为本发明的优选方案，在步骤s3中，在每次调整计算瞄准点后，还计算吸热器的热流密度。定日镜功率和吸热器运行参数随时间变化而变化，每次调整目标点后，需不断计算汇聚在吸热器上的热流密度，用于下一次目标点调整。
23.本发明的有益效果为：
24.1.本发明的本发明采用吸热器的温度绝对值、温度变化率、温度分布梯度等参数作为定日镜调度依据，实现了吸热器安全可控的目的，解决了原有方法不能可靠、准确、直观表征吸热器运行安全的问题。
25.2.本发明结合高精度短时云预测装置技术和太阳辐射及位置预计算技术，建立不同时序的定日镜目标点预瞄准数据库，避免了因日照气象等外部条件变化导致的吸热器因热惯性而引起的温度不可控问题。
26.3.本发明在保证这些参数安全可控的前提下，将定日镜初始瞄准点更多地瞄准在吸热器中部受热区域，适当允许吸热器表面热流密度不均匀度，降低定日镜的溢出损失，可保证吸热器安全的前提下兼顾镜场更高的运行效率。
27.4.主要调度内环小光斑定日镜，既减少了定日镜调度数量，又降低了定日镜调动频率和移动范围，有效避免了因定日镜目标点变动造成吸热器参数扰动。因减少定日镜调度数量和频次，降低了计算耗时，并降低了定日镜的跟踪能耗。
附图说明
28.图1是本发明的方法流程图；
29.图2是定日镜目标点移动形式示意图；
30.图3是塔式光热电站定日镜布置图；
31.图4是实施例中定日镜目标点调度图。
32.图中：1-吸热器；2-定日镜；3-目标点。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.如图1和图2所示，本实施例的基于吸热器温度控制的塔式光热电站定日镜调度方法，包括以下步骤：
36.s1：首先获取吸热器1当前参数和状态以及当前及短期内太阳辐射、气象参数、云的影响参数，利用吸热器计算模型，获得一定时间内各时序对应的吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数。
37.其中，以定日镜2瞄准吸热器1固定位(比如定日镜2目标点3高度为吸热器1中心标高值z，定日镜2的目标点3方位角为其在镜场中的方位角θ)作为初始瞄准点。
38.吸热器计算模型为：首先计算出镜场汇聚在吸热器1表面各计算单元上的热流密度f,然后根据减去吸热器1表面反射率f1,获得吸热器1表面有效热流密度f2＝f-f1。以f2作为吸热器计算单元上的有效热流密度，吸热器计算单元内的流量为q，传热介质比热为λ，可计算传热介质的温升为
△
t。再按照传热学经典公式可计算得出吸热器1的温度绝对值。针对不同时序的f、q可以计算出相应时序的吸热器1的温度绝对值。并将各时序的参数以数据库形式保存。
39.s2：将一定时间内各时序对应的吸热器1的温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数与设定值进行对比，判定一定时间内各时序对应的吸热器1的温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数是否超限。
40.s3：若一定时间内各时序对应的吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数没有超限，则确认各时序各定日镜2目标点3，并向定日镜2的控制器发送目标点信号。
41.若一定时间内各时序对应的吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数存在超限情况，则以逐步将各定日镜2从初始瞄准点往吸热器1边缘移动后的计算瞄准点来计算吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数是否超限，直至一定时间内各时序对应的吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数不再超限；确认各时序各定日镜2的目标点3，并向定日镜2的控制器发送目标点信号，并调度定日镜2。
42.其中，计算瞄准点为假设目标点3，用于计算在该目标点3时吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数，而非真的调度定日镜2的目标点3。当计算的吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数不存在超限后，再调度定日镜2。
43.本发明采用吸热器1的温度绝对值、温度变化率、温度分布梯度等参数作为定日镜2调度依据，实现了吸热器1安全可控的目的，解决了原有方法不能可靠、准确、直观表征吸热器1运行安全的问题。
44.吸热器1受热面从进口到出口间流程较长，加之金属、工质自身有较高的比热容，使得整个吸热器1具有较大的热惯性，而且吸热器1不但受自身热力系统设备运行影响，同时又会受到云层、太阳辐射、太阳位置等外部日照和气象变化的影响。本发明结合高精度短时云预测装置技术和太阳辐射及位置预计算技术，建立不同时序的定日镜2目标点3预瞄准
数据库，避免了因日照气象等外部条件变化导致的吸热器1因热惯性而引起的温度不可控问题。
45.为了兼顾镜场运行效率，在步骤s3之前，将若干定日镜2瞄准初始瞄准点，初始瞄准点靠近吸热器1中部受热区域。本发明基于吸热器1温度绝对值、温度变化率、温度分布梯度等直接和吸热器1安全相关的参数作为控制对象，在保证这些参数安全可控的前提下，将定日镜2初始瞄准点更多地瞄准在吸热器1中部受热区域，适当允许吸热器1表面热流密度不均匀度，降低定日镜2的溢出损失，可保证吸热器1安全的前提下兼顾镜场更高的运行效率。
46.为了减少定日镜2调度数量和频次，在步骤s3中，逐步设定各定日镜2的计算瞄准点时，以从内环定日镜2到外环定日镜2的顺序，逐步移动定日镜2的计算瞄准点。由于本发明设定计算瞄准点时，从调节内环到外环定日镜2的计算瞄准点的顺序进行直至一定时间内各时序对应的吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数不再超限时停止，则仅需内内若干层的定日镜2需要调度。主要调度内环小光斑定日镜2，既减少了定日镜2调度数量，又降低了定日镜2调动频率和移动范围，有效避免了因定日镜2目标点3变动造成吸热器1参数扰动。因减少定日镜2调度数量和频次，降低了计算耗时，并降低了定日镜2的跟踪能耗。
47.更进一步，逐步设定各定日镜2的计算瞄准点时，相邻环定日镜2的计算瞄准点的移动方向相反。在设置定日镜2目标点3时，按其在镜场中的奇偶环数分别向吸热器1上部和下部移动的方法，是若干定日镜2在吸热器1上的目标点更均匀。这种移动方法与向吸热器1单侧移动相比，可降低吸热器1端部温度，有利于减少循环迭代次数并能提高吸热器1运行安全。
48.需要注意的是，在步骤s3中，以新的计算瞄准点来计算吸热器1温度绝对值、温度变化速率、温度梯度参数是否超限时，也考虑当前及短期内太阳辐射、气象参数、云的影响参数影响。
49.在步骤s3中，在每次调整计算瞄准点后，还计算吸热器1的热流密度。定日镜2的功率和吸热器1的运行参数随时间变化而变化，每次调整目标点3后，需不断计算汇聚在吸热器1上的热流密度，用于下一次目标点3调整。
50.实施例：
51.以某塔式光热电站为例：电站所在东经94.95
°
，北纬43.63
°
；吸热塔中心坐标为(0,0,0)；吸热器1中心标高200m，吸热器1受热面直径dr，吸热器1受热面高hr。整个镜场配备定日镜2共计14000台，成环状分布在吸热塔四周，如图3所示。
52.按本方法步骤s1计算14000台定日镜2瞄准到吸热器1的200.0m标高处时，一定时间内各时间序列对应的吸热器1表面温度绝对值、温度梯度、温度变化率。
53.经计算，存在上述超温问题，需要调度定日镜2。经计算得出靠近吸热器1的第一环定日镜2光斑半径为r1，考虑到定日镜2存在跟踪和面型偏差，其光斑边缘距离吸热器1受热面边缘距离为c1，将第一环的定日镜2目标点3向吸热器1上边缘移动，目标点3距离吸热器1受热面上部边缘距离为c1 r1，如图4所示。又吸热器1受热面高度为hr，则目标点3的高为200.0 0.5
×hr-(c1 r1)；对镜场中的方位角为θ的定日镜2，其目标点3为(200.0 0.5
×hr-(c1 r1)，0.5
×dr
cosθ，0.5
×dr
sinθ)。同样地，靠近吸热器1的第二环定日镜2光斑半径为r2，
考虑到定日镜2存在跟踪和面型偏差，其光斑边缘距离吸热器1受热面边缘距离为c2，将第二环的定日镜2的目标点3向吸热器1下边缘移动，目标点3距离吸热器1受热面上部边缘距离为c2 r2，如图4所示。又吸热器1受热面高度为hr，则目标点3的高为200.0-0.5
×hr
(c2 r2)；对镜场中的方位角为θ的定日镜2，其目标点3为(200.0-0.5
×hr
(c2 r2)，0.5
×dr
cosθ，0.5
×dr
sinθ)。
54.重复上述计算步骤，直到调度后的镜场目标点3满足吸热器1温度控制要求，然后根据需要确定是否将其发送到定日镜2控制器中调整定日镜2跟踪目标位置。
55.本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。