CN102289595B - 塔式太阳能吸热器局部过热评价模型 - Google Patents

塔式太阳能吸热器局部过热评价模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塔式太阳能吸热器局部过热评价模型，该模型采用吸热器局部过热的隶属度值d进行评价，；其中μ(Ti)为第i个测点温度Ti隶属于局部过热的模糊隶属函数；为温度变化率
Figure 2011102413804100004DEST_PATH_IMAGE006
隶属于局部过热的模糊隶属函数；μ(Ai)为吸热器能流密度均匀分布的判断因子Ai隶属于局部过热的模糊隶属函数，
Figure 2011102413804100004DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，n为吸热器窗口温度测点数，Ti为当前评价点温度；α1、α2、α3分别为温度Ti、温度变化率
Figure 249664DEST_PATH_IMAGE006
、判断因子Ai三种影响因素的权重系数，且α1+α2+α3=1。采用本发明的评价模型能有效判断吸热器的过热状态，为吸热器的安全、稳定运行提供依据。

Description

塔式太阳能吸热器局部过热评价模型
技术领域
本发明具体涉及一种塔式太阳能吸热器局部过热评价模型。
背景技术
在塔式太阳能热发电站中，吸热器位于接收塔顶部，用于吸收由定日镜场反射来的高密度太阳辐射能。在吸热器工作时，当太阳辐射强度过大或镜场都对准吸热器中心点时，极易导致吸热器局部过热、能流密度分布严重不均等问题，严重时可能导致吸热器烧毁。随着电站容量的不断扩大，以及吸热器窗口（接收面）的不断增大，这个问题引起越来越多的关注。
针对以上问题，文献“Assessment of the Real-time Receiver Excess-Flux-Density Protection Software at Solar Two”(第八届国际太阳能热利用技术研讨会论文集)介绍了美国Solar Two电站采用了静态目标处理系统SAPS(Static Aim Processing System)和动态目标处理系统DAPS(Dynamic Aim Processing System)来控制吸热器上的能流密度分布。SAPS用于计算每台定日镜的相对偏移量，DAPS则用来处理吸热器的输入、输出温度，并计算出吸热器表面的能流密度分布。文献“Heuristic Knowledge-based Heliostat Field Control for the Optimization of the Temperature Distribution in a Volumetric Receiver”(Solar Energy 1999年第66期)介绍了西班牙CESA-1电站使用的定日镜场控制系统，通过控制吸热器上最高温度和最低温度的偏差值，来控制能流密度分布。
尽管以上两座大型塔式电站都设计了各自的镜场调度方法来控制吸热器接收面上的能流密度分布，但均没有吸热器是否过热的评价模型，无法对吸热器局部是否过热进行有效的判断。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种塔式太阳能吸热器局部过热评价模型。
为了达到上述目的，本发明提供了一种塔式太阳能吸热器局部过热评价模型，该模型采用吸热器局部过热的隶属度值d进行评价，                                                
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE001
；其中T i 为吸热器窗口第i个测点温度，μ(T i )为温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE002
为温度变化率，
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE003
为温度变化率
Figure 356446DEST_PATH_IMAGE002
隶属于局部过热的模糊隶属函数；A i 为吸热器能流密度均匀分布的判断因子，；，n为吸热器窗口温度测点数，T i 为当前评价点温度，μ(A i )为判断因子A i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；α 1、α 2、α 3分别为温度T i 、温度变化率
Figure 778331DEST_PATH_IMAGE003
、判断因子A i 三种影响因素的权重系数，且α 1+α 2+α 3=1；其中，α 1≥α 2≥α 3。
当所述第i个测点通过所述局部过热评价模型评价为局部过热点后，采用以下方法将该测点减弱为非局部过热点：
（1）查询聚光于所述第i个测点的定日镜，并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE006
；
（2）将所述第i个测点四周各目标点的能流密度峰值按从小到大排序；
（3）将步骤（1）中查询到的聚光于所述第i个测点的定日镜按
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE008
的顺序往目标点flux min处移动，并利用下式计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止，并留有一定的裕量；
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE009
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值。
（4）若此时该第i个测点仍然为过热点，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤（3），直到过热点消失。
其中温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE010
式中：T i （i=1,2,…,n）为吸热器窗口第i个测点温度；max为吸热材料耐热温度阈值；
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE011
表示T i 取值的正常范围，
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE012
表示正常取值的上限值；m 1为正整数，最佳值取2。
温度变化率
Figure 390971DEST_PATH_IMAGE002
隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE013
式中：k为急剧上升时的温度变化率，k>5，最佳取值为30；m 2为正整数，最佳值取2。
判断因子A隶属于局部过热的模糊隶属函数如下：
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE014
式中：
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE015
为能流密度允许差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，较佳值取100；
Figure 588603DEST_PATH_IMAGE005
。
本发明相比现有技术具有以下优点：同时采用温度、温度变化率、吸热器能流密度均匀分布判断因子三种影响因素进行综合评价，避免了单纯采用温度来判断的局限性。如在不同的时刻，某测温点可能具有相同的温度，但却有着完全不同的温度变化趋势：温度虽高，但持续下降，则可认为是较为安全的；温度正常或偏高，但急剧上升，则认为有较大的危险隐患。因此采用温度变化率反应温度的变化趋势。另外，若某局部点温度远远高于其他局部点温度，则违背了吸热器能流密度分布较为均匀的要求，温度极高点很有可能演变为局部过热点。因此采用温度、温度变化率、吸热器能流密度均匀分布判断因子三种影响因素进行综合评价，并确定各影响因素的权重系数大小。温度影响最大，温度变化率和吸热器能流密度均匀分布判断因子影响依次减弱，采用上述三种因素和该评价模型能够准确地判断吸热器局部过热状态。
附图说明
图1为吸热器烧毁保护流程。
图2为吸热器接收面目标点分层布置的实施图。
图3为吸热器接收面能流密度仿真效果图，利用评价模型，对目标点A10进行局部过热评价。
图4为图3中定日镜往目标点A21移动后吸热器接收面的能流密度效果图。
图5为图3中定日镜往目标点A24移动后吸热器接收面的能流密度效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明塔式太阳能吸热器局部过热评价模型进行详细说明。
吸热器出现的危险状况主要有局部过热和烧毁。局部过热是指吸热器表面能流密度分布严重不均，局部某点温度达到吸热器日常工作过大值。烧毁是指吸热器整体或局部某点温度超过或接近吸热材料耐热温度，材料被烧穿的概率大大增加。根据以上两个吸热器危险状态，按危险程度划分为两个等级，如表1所示，危险程度依次递增。
表1  吸热器危险状况等级划分
等级 危险描述 应对措施
Ⅰ 局部过热 定日镜目标点调整
Ⅱ 烧毁 转入吸热器烧毁保护流程
吸热器的烧毁判断是有明确的准则，即吸热器局部温度接近吸热材料耐热温度阈值时，即认为吸热器处于烧毁状态，继而转入烧毁保护流程。
当
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE017
，吸热器危险等级评价为烧毁，继而转入烧毁保护流程，如图1所示。式中，T i 为吸热器窗口第i个温度测定；max为吸热材料耐热温度阈值；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为耐热温度阈值的裕量，
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE019
，一般取100～200℃。
图1中，先拉下吸热器安全门，然后加大吸热器工作介质流量，最后将所有定日镜光斑从吸热器窗口调离。
吸热器局部过热的判断无明显的判断方法，本发明采用模糊数学法，建立其综合评价模型。
局部点温度T i 是判断吸热器是否有过热的直接依据，按其温度大小设定两个阈值，分别为吸热材料耐热温度阈值max和过高阈值N max。如果单纯利用温度是否超过阈值来判断的话，有一个很大的局限性：没有完全表述当前温度的变化趋势和吸热器接收面的能流密度分布状况。在不同时刻，某测温点可能具有相同的温度值，但却有着完全不同的温度变化趋势（下降、稳步上升或急剧上升）。温度高，但持续下降，则可认为是较为安全的；温度正常或偏高，但急剧上升，则认为有较大的危险隐患。所以，这里又引入一个温度值关于时间的导数
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，来反映温度的变化趋势。在离散采样条件下，。另外，若某局部点温度远远高于其他局部点温度，则违背了吸热器能流密度分布较为均匀的要求，温度极高点很有可能演变为局部过热点，故又引入了一个判断吸热器能流密度分布是否合理的判断因子A。
Figure 431925DEST_PATH_IMAGE004
                               (1)
式中：
Figure 528057DEST_PATH_IMAGE005
，n为吸热器窗口温度测点数，T i 为当前评价点温度。
综合以上方面，吸热器局部是否过热主要受3个因素的影响，分别是局部点温度T、局部点温度变化率和吸热器能流密度均匀分布判断因子A，可用矩阵形式表示为
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE023
。
对于吸热器窗口第i个测点温度T i （
Figure DEST_PATH_IMAGE024
），
Figure 616493DEST_PATH_IMAGE025
是T i 可能取值的范围，这里min=0，max为吸热材料耐热温度阈值。
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表示T i 取值的正常范围，
Figure 543997DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
分别表示正常取值的上限值和下限值，且
Figure 495904DEST_PATH_IMAGE029
。其中N max为测点温度在400℃～1100℃内的最高值，N min为测点温度最低值。则温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
           (2)
式中：m 1为正整数，最佳值取2。
当T i 的值在[N max, max]区间时，它属于过热的隶属度值为1；当T i 位于[N nor , N max]区间，在m 1一定时，随着T i 偏离N nor ，表达式值增大，隶属度值增加。
同样，建立温度变化率
Figure 79332DEST_PATH_IMAGE031
隶属于局部过热的模糊隶属函数：
Figure 391365DEST_PATH_IMAGE013
                       (3)
式中：k为急剧上升时的温度变化率，k>5；m 2为正整数，最佳值取2。
当
Figure DEST_PATH_IMAGE032
时，温度下降，即有定日镜从该温度点撤离，此时隶属度值为0；当位于[0,k]之间，在m 2一定时，随着增大，隶属度值增加；大于等于k时，隶属度值为1。
建立A隶属于局部过热的模糊隶属函数如下：
                     (4)
式中：
Figure 184429DEST_PATH_IMAGE015
为能流密度允许差值，
Figure 24209DEST_PATH_IMAGE016
，较佳值取100；。
当
Figure 797310DEST_PATH_IMAGE004
小于时，认为吸热器窗口能流密度分布较为均匀，隶属度值为0；当
Figure 161743DEST_PATH_IMAGE004
大于等于时，随着第i个测点温度T i 的升高或窗口能流密度均匀分布的恶化，隶属度值增加，当T j 都为0时(
Figure DEST_PATH_IMAGE034
)，隶属度值为1。
为了综合考虑上述三种因素的影响，建立三种影响因素的权重系数
Figure 2011102413804100002DEST_PATH_IMAGE035
，则吸热器局部过热的隶属度值d可用下述综合评价模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
                         (5)
Figure 223733DEST_PATH_IMAGE035
代表了各因素的权重大小，根据专家经验进行设定。测点温度T i 对于吸热器局部过热的判断具有直接影响，故权重系数应设置较大，而和A i 影响依次减弱。当d>d 0时认为吸热器局部过热，进行定日镜目标点调整，d 0根据大量实验数据来测定，这里设置d 0=0.5。
下面结合具体应用对本发明评价模型进行说明。
图2为吸热器接收面目标点分层布置的实施图，如图所示，对吸热器接收面上的目标点进行分层处理，接收面中心点为第一层，层数依次向外递加。目标点用A ij 表示，i为层数，j为该层的目标点编号，图2中共示出3层目标点，分别为A10、A21~A28、A31~A38。
图3为吸热器接收面能流密度分布仿真图，目标点分为两层，即A10、A21~A28。利用吸热器过热评价模型对目标点A10进行过热评价。吸热器窗口共有9个温度测点，n=9。设目标点A10温度T10为750℃，N max=800℃，N nor =400℃，根据公式(2)，可得
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。T 10在2秒中温度上升50℃，即
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。由公式(3)可得，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
。根据图3所示各目标点A21~A28的温度值，由公式(4)求得，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
。这里设定
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，d 0=0.5。由公式(5)，可得d=0.767。由于d>d 0，则目标点A10评价为局部过热点。
对于局部过热点A10，利用以下定日镜目标点调整方法，从而将A10减弱为非局部过热点。
步骤1：查询聚光于点A10的定日镜并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
步骤2：将目标点A10四周各目标点A21~A28的能流密度峰值按从小到大排序
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；
步骤3：将聚光于点A10的定日镜按
Figure DEST_PATH_IMAGE045
的顺序往目标点flux min处移动，并利用公式(6)计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止，并留有一定的裕量；
                      (6)
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值。
步骤4：若此时A10仍然为过热点，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤3，直到过热点消失。
图4和图5为上述目标点调整方法实施方式效果图。图3中A10点能流密度峰值达到0.55 MW/m2，其四周目标点中，A21点能流密度峰值最小，目标点A24次之。根据目标点调整方法，将A10点的部分定日镜调整至目标点A21，直到目标点A21到达允许值，移动后效果见图4，A10点能流密度峰值消减为0.35 MW/m2。此时，A10点仍评价为局部过热点，则继续将A10点的部分定日镜调整至目标点A24，直到A10点不为局部过热点，移动后效果见图5，A10点能流密度峰值减为0.3 MW/m2。此时，A10点变为非局部过热点，则停止定日镜调整。

Claims (9)

1.一种塔式太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：该方法采用吸热器局部过热的隶属度值d进行评价， 
Figure 111355DEST_PATH_IMAGE001
；其中T i 为吸热器窗口第i个测点温度，μ(T i )为温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；
Figure 28495DEST_PATH_IMAGE002
为温度变化率，
Figure 808233DEST_PATH_IMAGE003
为温度变化率隶属于局部过热的模糊隶属函数；A i 为吸热器能流密度均匀分布的判断因子，
Figure 16491DEST_PATH_IMAGE004
，n为吸热器窗口温度测点数，μ(A i )为判断因子A i 隶属于局部过热的模糊隶属函数；分别为温度T i 、温度变化率
Figure 653326DEST_PATH_IMAGE002
、判断因子A i 三种影响因素的权重系数，且
Figure 920359DEST_PATH_IMAGE006
；
当所述第i个测点通过所述局部过热评价方法评价为局部过热点后，采用以下方法将该测点减弱为非局部过热点：
（1）查询聚光于所述第i个测点的定日镜，并计算各定日镜光斑大小和能流密度分布，按照光斑大小从小到大排列为数组
Figure 181576DEST_PATH_IMAGE007
；
（2）将所述第i个测点四周各目标点的能流密度峰值按从小到大排序
Figure 850455DEST_PATH_IMAGE008
；对吸热器接收面上的目标点进行分层处理，接收面中心点为第一层，层数依次向外递加。目标点用A ij 表示，i为层数，j为该层的目标点编号；
（3）将步骤（1）中查询到的聚光于所述第i个测点的定日镜按
Figure 843819DEST_PATH_IMAGE009
的顺序往目标点flux min处移动，并利用下式计算flux min目标点的能流密度峰值，直到峰值将要变为局部过热评价时为止，并留有一定的裕量；
Figure 598148DEST_PATH_IMAGE010
式中：flux 0为该目标点原来能流密度值，flux i 为新移入定日镜的能流密度值，flux e 为移出定日镜的能流密度值。
（4）若此时该第i个测点仍然为过热点，则依次往能流密度次小的目标点移动定日镜，重复步骤（3），直到过热点消失。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：温度T i 隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 649674DEST_PATH_IMAGE011
式中：T i （i=1,2,…,n）为吸热器窗口第i个测点温度；max为吸热材料耐热温度阈值；
Figure 173059DEST_PATH_IMAGE012
表示T i 取值的正常范围，
Figure 602904DEST_PATH_IMAGE013
表示正常取值的上限值；m 1为正整数。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：所述m 1为2。
4.根据权利要求1所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：温度变化率
Figure 844529DEST_PATH_IMAGE002
隶属于局部过热的模糊隶属函数为：
Figure 181970DEST_PATH_IMAGE014
式中：k为急剧上升时的温度变化率，k>5；m 2为正整数。
5.跟据权利要求4所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：所述k为30。
6.根据权利要求4所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：所述m 2为2。
7.根据权利要求1所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：判断因子A隶属于局部过热的模糊隶属函数如下：
式中：
Figure 160607DEST_PATH_IMAGE016
为能流密度允许差值，
Figure 702578DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 781392DEST_PATH_IMAGE018
。
8.根据权利要求7所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：
Figure 279370DEST_PATH_IMAGE016
为100。
9.根据权利要求1所述的太阳能吸热器局部过热评价方法，其特征在于：所述
Figure 51017DEST_PATH_IMAGE020
。
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