CN103390083B - 利用非线性分布参数模型仿真dsg槽式集热器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，属于太阳能热利用的技术领域。所述方法建立并离散化DSG槽式集热器的非线性分布参数模型；利用DSG槽式集热器每个时刻每个位置上工质的压力和比焓求工质的其他物性参数；对DSG槽式集热器控制模型的太阳直射辐射强度、入口工质温度、入口工质质量流量施以扰动，测试DSG槽式集热器出口参数的响应。本发明建立的考虑了集热器空间分布影响的DSG槽式太阳能集热器非线性分布参数动态模型，对于太阳辐射强度、给水流量、温度等外界扰动都体现了很好的输出性能。

Description

利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法

技术领域

本发明公开了利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，属于太阳能热利用的技术领域。

背景技术

直接蒸汽发电(DirectSteamGeneration,DSG)槽式太阳能热发电系统(槽式系统)是利用抛物线型槽式聚光器将太阳光聚焦到吸热管上，直接加热吸热管内的工质水，直至产生蒸汽推动汽轮发电机组发电的系统。其中，由聚光器与吸热管组成的装置称为DSG槽式太阳能集热器(DSG集热器)，吸热管由玻璃封管、金属管以及两者之间的真空区等组成。通常，DSG槽式系统的运行模式有直通式、注入式和循环式三种，其中循环模式是目前最保守、最安全的运行模式。而无论哪一种模式，DSG集热器都是该系统最核心的部件。

关于DSG集热器，Odeh建立了以管壁温度作为自变量的稳态模型；韦彪基于DSG集热器管内水工质的流型与传热特性，建立了DSG集热器稳态传热模型；梁征建立了管内流体的一维多相流动与传热模型；Eck建立了循环模式DSG集热器的一维动态数学模型，但文中模型仅以函数符号形式表示，未给出具体关系式。Ray建立了DSG集热器的非线性集总参数模型并研究了其动态特性，但其中工质假定为不可压缩流体，影响了其动态特性的准确性。准确建立DSG集热器的数学模型，深入了解DSG集热器的动态特性，对整个电站的动态特性研究至关重要，是设计和优化电站控制系统的基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，包括如下步骤：

步骤1，建立并离散化DSG槽式集热器的非线性分布参数模型，具体包括如下步骤：

步骤A，由单位管长金属管外侧接收的太阳辐射热能，单位时间、单位长度金属管管壁向管内工质的放热量，得到单位长度管壁金属的热平衡方程；

步骤B，计算工质的平均密度，建立包含工质密度的质量守恒方程；

步骤C，根据摩擦压降方程得到金属管单位管长的摩擦压降，建立包含金属管单位管长的摩擦压降的动量守恒方程，根据金属管内工质比焓以及压力建立能量守恒方程；

步骤D，联立金属管质量守恒方程式、能量守恒方程式、动量守恒方程式得到DSG槽式集热器的控制模型；

步骤E，沿金属管长度方向离散DSG槽式集热器的控制模型得到每段DSG槽式集热器的控制模型；

步骤2，求得DSG槽式集热器每个时刻每个位置上工质的压力、比焓、流量，并利用压力和比焓求工质的其他物性参数，具体方法如下：

利用DSG槽式集热器控制模型求得每个时刻DSG集热器所有位置上工质的压力及DSG集热器所有位置在相应压力下的相应饱和参数，

利用DSG槽式集热器控制模型求得每个时刻DSG集热器每个位置上工质的比焓，

由集热器每个位置工质的压力和比焓确定DSG集热器每个位置工质的状态，

由工质的状态求取对应的其他物性参数；

步骤3，对DSG槽式集热器控制模型的太阳直射辐射强度、入口工质温度、入口工质质量流量施以扰动，测试DSG槽式集热器出口参数的响应。

所述利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，步骤B中利用如下方法计算工质的平均密度：

对于金属管内处于单向区的工质：由工质的比焓以及压力计算工质的平均密度；

对于金属管内处于两相区的工质：先计算工质的质量含气率，再由当前压力下饱和水、饱和蒸汽的密度以及工质的质量含气率计算工质的平均密度。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明建立的考虑了集热器空间分布影响的DSG槽式太阳能集热器非线性分布参数动态模型，对于太阳辐射强度、给水流量、温度等外界扰动作用下都体现了很好的输出性能。

附图说明

图1(a)至图1(c)为太阳辐射强度阶跃降低70％时，DSG集热器出口处工质温度、质量流量响应图。

图2(a)至图2(b)为太阳辐射强度阶跃降低5％时，DSG集热器出口处工质温度、流量响应图。

图3(a)至图3(b)为DSG集热器给水流量阶跃降低5％时，出口处工质温度、流量响应图。

图4(a)至图4(b)为DSG集热器给水温度阶跃降低5％时，出口处工质温度、流量响应图。

图5为吸热管的模型示意图。图中标号说明：F为管内截面积；T为工质温度；H为工质比焓；D为工质质量流量；P为工质压力；ω为工质流速；ρ为工质密度；Q₁、Q₂为分别是单位时间、单位管长，太阳辐射向管壁金属、管壁金属向管内工质的放热量；y为管长方向；r为管壁径向。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

太阳辐射能经聚光器反射，通过吸热管的玻璃封管和真空区作用在金属管管壁表面上，并通过金属管管壁向内传递；工质(水、水蒸气或两相流)从吸热管入口进入，与管壁发生对流换热，其热力参数不断变化。其简化的物理模型图5所示。F为管内截面积；T为工质温度；H为工质比焓；D为工质质量流量；P为工质压力；ω为工质流速；ρ为工质密度；Q₁、Q₂为分别是单位时间、单位管长，太阳辐射向管壁金属、管壁金属向管内工质的放热量；y为管长方向；r为管壁径向。

为了便于建立DSG槽式太阳能集热器的模型，作出如下假设：

(1)吸热管内径及壁厚均匀不变；

(2)管外太阳辐射对管壁金属以及管壁对管内冷介质都只有径向放热，管壁周向传热强度均匀；

(3)管壁径向导热系数无限大，即金属管壁的内外层之间无温差，金属温度只沿管长y方向有变化；

(4)管内工质充分混合，在同一横截面上流速均匀，无边界层，无径向和周向温差。

DSG集热器运行时，太阳辐射经过聚光器的反射，通过吸热管的玻璃封管，投射到吸热管的金属管外壁面上。在该过程中，存在光学损失和热力学损失。因此，由能量平衡可知，在单位时间内，单位管长金属管外侧接收的太阳辐射热能Q₁为：

Q₁＝I_directBη_optK_τα-q_l(1)，

式(1)中，I_direct为太阳直射辐射强度；B为聚光器开口宽度；η_opt为DSG集热器光学效率；K_τα为入射角修正系数；q_l为DSG集热器热力学损失。

对于LS-2型DSG集热器：

K_τα＝cosθ+0.000994θ-0.00005369θ²(2)，

对于25m的LS-3型DSG集热器和50m的LS-3型DSG集热器：

K_τα(25m)＝1-0.00362θ-1.32337·10^-4θ²(3)，

K_τα(50m)＝1-0.00188θ-1.49206·10^-4θ²(4)，

式(2)、(3)、(4)中，θ为入射光线到聚光器法线的夹角。

根据Odeh对集热器热力学热损的描述，可得到DSG集热器热力学损失q_l为：

q_l＝(a+c·V_wind)(T_j-T_a)+ε_ab·b·(T_j ⁴-T_sky ⁴)(5)，

式(5)中，V_wind为风速，单位是m/s；T_a为环境温度(干球温度)；ε_ab为吸热管发射率；T_sky为天空温度，单位为K；T_j为金属管壁温；a，b，c分别是对流、辐射和风速因子。

根据Dudley测得的涂有金属陶瓷选择性吸收涂层的金属管，在温度为373K～900K时其发射率可由式(6)确定：

ε_ab＝0.00042T_j-0.0995(6)，

天空温度T_sky按式(7)确定：

T_sky＝(ε_sky)^0.25·T_a(7)，

式(7)中，ε_sky为天空发射率，

ε_sky＝0.711+0.56(t^dp/100)+0.73(t^dp/100)²(8)，

式(8)中，t_dp为环境露点温度。

根据对DSG集热器的运行分析知，对于管径D_ab,i/D_ab,o为54/70mm的吸热管，其对流、辐射和风速因子分别可取为：

a＝1.91×10^-2WK^-1m^-2；

b＝2.02×10^-9WK^-4m^-2；

c＝6.608×10^-3JK^-1m^-3。

根据前述“假设(3)”，可以列出单位长度管壁金属的热平衡方程，即

$Q_1-Q_2=m_j{c}_j\frac{\∂T_j}{\∂\mathrm{\τ}}---\left(9\right),$

式(9)中，Q₂为单位时间内，单位管长管壁金属向管内工质的放热量；m_j为单位长度管段的金属质量；c_j为金属比热。

质量守恒方程：

$\frac{\∂D}{\∂y}+F\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂\mathrm{\τ}}=0---\left(10\right),$

式(10)中，D为金属管内工质质量流量，F为金属管内截面积，ρ为金属管内工质密度。

能量守恒方程：

$Q_2=D\frac{\∂H}{\∂y}+F\mathrm{\ρ}\frac{\∂H}{\∂\mathrm{\τ}}-F\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\τ}}---\left(11\right),$

式(11)中，H为金属管内工质比焓，P为金属管内工质压力。这里假设金属管内流体的动能和位能变化相对很小，忽略不计。

由于管内压力扰动的传播比能量的传播变化要快得多，因此这里只考虑稳态的动量方程。一般来说，工质在DSG集热器中的压降主要由3部分组成：加速压降、重力压降和摩擦压降。而对于水平放置的DSG集热器，压降主要为摩擦压降，加速压降和重力压降可以忽略不计。

$\frac{\∂P}{\∂y}+P_d=0,$

式(12)中，P_d为单位管长的摩擦压降。

对于单相流动，摩擦压降的计算式为：

${\left(P_d\right)}_{1ph}=\frac{\mathrm{\λ}}{D_{ab,i}}\·\frac{{\mathrm{\ρ\ω}}^2}{2}---\left(13\right),$

式(13)中，ω为金属管内工质流速，D_ab.i为金属管内径，λ为摩擦系数。

摩擦系数λ可以用Blasius的光滑管计算式计算：

λ＝0.3165(Re)^-0.25(14)，

式(14)中，Re为金属管内单相工质的雷诺数。

对于DSG集热器中的两相流动，摩擦压降表达式为：

式(15)中，(P_d)_1ph指管道中汽水混合物全部为水时的摩擦压降；为Martinelli-Nelson两相乘子。

学者Odeh和崔映红分别给出了不同压力下的Martinelli-Nelson两相乘子的表达式：

式(16)中，x为质量含气率。

单位时间、单位长度金属管管壁向管内工质的放热量Q₂可表示为：

Q₂＝α₂·πD_ab.i(T_j-T)(17)，

式(17)中，α₂为传热系数；T为金属管内工质温度。

在吸热管预热段和过热段中，工质分别为水和过热蒸汽，均为单相流体。预热段和过热段的传热系数可以用Dittus-Boelter关系式表示：

${\mathrm{\α}}_2=0.023{\left(\mathrm{Re}\right)}^{0.8}{\left(\mathrm{Pr}\right)}^{0.4}\frac{k}{D_{ab.i}}---\left(18\right),$

式(18)中，Pr为金属管内工质的普朗特数；k为导热系数。

对于两相流传热系数，需要用F_r数来确定金属管内工质的流态。F_r<0.04时为层流，F_r>0.04时为环流。而通常情况为F_r>0.04，因此本文选用环流时的传热系数。

α₂＝h_B′+h_l′(19)，

h_B′＝h_BS(20)，

h_l′＝h_lF_l(21)，

式(19)、(20)、(21)中，h_B为水的核态沸腾传热系数；h_l为饱和水传热系数；S，F_l分别为限制因子和增强因子。

对于单相工质，工质的密度、温度、动力粘度、比热容、导热系数、普朗特数等参数可由工质比焓和工质压力计算得到。

对于两相工质，其质量含气率x可表示为：

$x=\frac{H-H^{\&prime;}}{H^{\&prime;\&prime;}-H^{\&prime;}}---\left(22\right),$

式(22)中，H′、H″为当前压力下饱和水、饱和蒸汽的比焓。

两相工质的平均密度ρ可表示为：

$\frac{1}{\mathrm{\&rho;}}=(\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}}+x(\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;\&prime;}}-\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}}\left)\right)---\left(23\right),$

式(23)中，ρ′、ρ″分别为当前压力下饱和水、饱和蒸汽的密度。

为了便于计算，选取压力P和比焓H作为状态变量，对控制方程进行形式上的变换。

由质量守恒方程(10)和能量守恒方程(11)联立，并考虑ρ＝ρ(P,H)，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\&part;P}{\&part;\mathrm{\&tau;}}=\frac{-\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;H}(Q_2-D\frac{\&part;H}{\&part;y})-\mathrm{\&rho;}\frac{\&part;D}{\&part;y}}{F(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;H}+\mathrm{\&rho;}\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;P})}\\ \frac{\&part;H}{\&part;\mathrm{\&tau;}}=\frac{\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;P}(Q_2-D\frac{\&part;H}{\&part;y})-\frac{\&part;D}{\&part;y}}{F(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;H}+\mathrm{\&rho;}\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;P})}\end{array}\right.---\left(24\right),$

式(24)中，D为工质质量流量，F为金属管内截面面积。

由动量守恒方程(12)～(15)可得：

当吸热管内为单相工质时，ρ、η分别是单相工质的密度和动力粘度，并且取Martinelli-Nelson两相乘子当吸热管内是两相工质时，ρ、η分别取工质全部为水时的密度和动力粘度；Martinelli-Nelson两相乘子由公式(16)决定。

上述式(24)、式(25)以及式(1)～式(9)、式(16)～式(23)即构成了DSG集热器非线性分布参数模型的基本方程组，利用该模型即可求解DSG集热器的动态特性。本发明采用迎风格式有限差分法对该模型的各基本方程进行离散计算。

本发明所述的利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，包括如下步骤：

步骤1，建立并离散化DSG槽式集热器的非线性分布参数模型，具体包括如下步骤：

步骤A，由单位管长金属管外侧接收的太阳辐射热能Q₁，单位时间、单位长度金属管管壁向管内工质的放热量Q₂，得到单位长度管壁金属的热平衡方程，单位长度金属管管壁向管内工质的放热量Q₂由式(17)至式(21)确定，单位管长金属管外侧接收的太阳辐射热能Q₁由式(1)至式(8)确定；

步骤B，对于单相工质，工质的密度、温度、动力粘度、比热容、导热系数、普朗特数等参数可由工质比焓和工质压力计算得到。对于两相工质，由式(22)计算金属管内混合工质含气率x，再根据式(23)由混合工质中各工质的密度以及所属混合工质含气率计算混合工质的平均密度ρ，建立如式(10)所示的质量守恒方程；

步骤C，由式(13)至式(16)，根据金属管内摩擦压降方程得到金属管单位管长管长的摩擦压降P_d，建立如式(12)所示的包含金属管单位管长的摩擦压降P_d的动量守恒方程；

步骤D，联立金属管质量守恒方程式(10)、能量守恒方程式(11)，动量守恒方程式(12)得到DSG槽式集热器的控制模型；

步骤E，沿金属管长度方向将金属管向分为N段，离散DSG槽式集热器的控制模型得到每段DSG槽式集热器的控制模型：

${\left(\frac{\&part;P}{\&part;\mathrm{\&tau;}}\right)}_i=\frac{-{\left(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;H}\right)}_0(Q_2^i-D^i\frac{H^{i+1}-H^i}{\mathrm{\&Delta;}y})-{\mathrm{\&rho;}}^i\frac{D^{i+1}-D^i}{\mathrm{\&Delta;}y}}{F{\left(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;H}\right)}_0+{\mathrm{\&rho;}}^i{\left(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;P}\right)}_0}---\left(26\right),$

${\left(\frac{\&part;H}{\&part;\mathrm{\&tau;}}\right)}_i=\frac{{\left(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;P}\right)}_0(Q_2^{i-1}-D^{i-1}\frac{H^i-H^{i-1}}{\mathrm{\&Delta;}y})-\frac{D^i-D^{i-1}}{\mathrm{\&Delta;}y}}{F{\left(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;H}\right)}_0+{\mathrm{\&rho;}}^{i-1}{\left(\frac{\&part;\mathrm{\&rho;}}{\&part;P}\right)}_0}---\left(27\right),$

式(26)、(27)、(28)中，N为正整数，i＝1,2,3,…,N,N+1；Δy表示DSG集热器平均分为N段后，每小段管子的长度，即长度步长；下标‘0’表示括号内变量近似地取工况变动前的初始稳态值；

步骤2，求得DSG槽式集热器每个时刻每个位置上工质的压力、比焓(或压力和温度，或温度和比焓，或温度和密度)、流量，并利用压力和比焓(或压力和温度，或温度和比焓，或温度和密度)求工质的其他物性参数：选用入口工质温度、质量流量和出口压力作为边界条件，由DSG集热器稳态模型计算得到稳态时DSG集热器各个管段的Q₁、Q₂、壁温T_j、以及各个位置工质的压力、温度、流量、比焓、密度、传热系数、流速、摩擦系数、质量含气率等作为初始条件，选取时间步长Δτ和仿真时间T_τ，得到仿真步数M＝T_τ/Δτ，令时间方向k＝2(k＝1为初始时刻)，令长度方向i＝N，对于k时刻的DSG槽式集热器模型进行仿真，具体包括如下步骤：

步骤2-1，根据第k时刻的出口压力边界条件，利用水和水蒸气物性参数子程序求得第k时刻DSG集热器出口处(即i＝N+1)压力下饱和水、饱和蒸汽的密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数、比焓和饱和温度，密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数、比焓和饱和温度即为工质的其他物性参数；

步骤2-2，利用式(16)求得第k时刻，DSG集热器第i位置工质的压力P，并利用水和水蒸气物性参数子程序求得该压力下饱和水、饱和蒸汽的密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数、比焓和饱和温度；

步骤2-3，i＝i-1，重复步骤2-2，直至i＝1，得到第k时刻DSG集热器所有位置上工质的压力及DSG集热器所有位置在相应压力下饱和水、饱和蒸汽的密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数、比焓和饱和温度；

步骤2-4，利用水和水蒸气物性参数子程序求得k时刻DSG集热器入口处(即i＝1)所处工质压力下饱和水、饱和蒸汽的密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数、比焓，由流速公式以及雷诺数公式得到流速以及雷诺数，再结合k时刻DSG集热器入口处(即i＝1)的工质压力、工质温度(入口工质温度为边界条件，已知)，根据式(18)得到DSG集热器入口处的传热系数，再将传热系数带入式(17)求得单位时间、单位长度金属管管壁向管内工质的放热量Q₂；

步骤2-5，令长度方向i＝2，求第k时刻，DSG集热器第i位置工质的比焓H，具体方法如下：

步骤2-5-1，利用式(9)以及第k-1时刻第i-1段管外侧接收的太阳辐射热能Q₁、管壁向管内工质的放热量Q₂、管段的金属质量c_j、金属比热m_j，求取第k时刻第i-1段管长的壁温平均值T_j；

步骤2-5-2，利用式(5)至式(8)，以及步骤2-5-1中求得的第k时刻第i-1段管长的壁温平均值T_j，求得第k时刻第i-1段管长的热阻；

步骤2-5-3，根据式(27)求得第k时刻，DSG集热器第i位置工质的比焓H；

步骤2-6，判断第k时刻，DSG集热器第i位置工质的比焓H是否小于饱和水比焓或大于饱和蒸汽比焓，若是，进入步骤2-7；若否，进入步骤2-13；

步骤2-7，当第k时刻DSG集热器第i位置工质的比焓H小于饱和水比焓时，第k时刻DSG集热器第i位置工质为水；当第k时刻DSG集热器第i位置工质的比焓H大于饱和蒸汽比焓时，第k时刻DSG集热器第i位置工质为过热蒸汽；

步骤2-8，利用步骤2-5求得的第k时刻DSG集热器第i位置工质的比焓H以及步骤2-2求得的第k时刻DSG集热器第i位置工质的压力P，求得第k时刻DSG集热器第i位置工质的温度T；

步骤2-9，利用步骤2-8求得的第k时刻DSG集热器第i位置工质的温度T，步骤2-2求得的得第k时刻DSG集热器第i位置工质的压力P，并利用水和水蒸气物性参数子程序求得该压力下饱和水、饱和蒸汽的密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数、比焓和饱和温度，结合式(28)求得第k时刻DSG集热器第i位置工质的质量流量D，再结合式(18)求得第k时刻DSG集热器第i位置的传热系数，由式(14)求得第k时刻DSG集热器第i位置的摩擦系数；

步骤2-10，利用公式(17)求得第k时刻DSG集热器第i-1段管长的Q₂；

步骤2-11，i＝i+1，转向步骤,2-5-1，直至i＝N+1，求得第k时刻DSG集热器所有位置上工质的比焓、温度、流量以及其他参数；

步骤2-12，k＝k+1，转向步骤2-1，直至k＝M，求得第M时刻DSG集热器所有位置上工质的压力、比焓、温度、流量以及其他参数；

步骤2-13，判定第k时刻DSG集热器第i位置工质为汽水两相流，令第k时刻DSG集热器第i位置工质的温度等于步骤2-2求得的第k时刻DSG集热器第i位置工质的压力P下的饱和温度；

步骤2-14，利用式(22)以及步骤2-5求得的第k时刻DSG集热器第i位置工质的比焓H，求得该时刻该位置的质量含气率x；利用式(23)以及步骤2-2中求得的第k时刻DSG集热器第i位置压力P下的饱和水和饱和蒸汽的密度，求得该时刻该位置工质的密度；

步骤2-15，利用式(16)以及步骤2-14求得的第k时刻DSG集热器第i位置的质量含气率x，求得Martinelli-Nelson两相乘子

步骤2-16，利用式(28)以及步骤2-15求得的第k时刻DSG集热器第i位置的两相乘子求得第k时刻DSG集热器第i位置工质的质量流量D，并利用D求得第k时刻DSG集热器第i位置工质的流速；

步骤2-17，利用式(19)至式(21)，求得第k时刻DSG集热器第i位置的传热系数；

步骤2-18，利用式(17)求得第k时刻DSG集热器第i-1段管长的Q₂，重复步骤2-11和步骤2-12；

步骤3，对DSG槽式集热器的控制模型的太阳直射辐射强度、入口工质温度、入口工质质量流量施以扰动，测试DSG槽式集热器出口参数的响应。

采用Odeh的文献DSG槽式太阳能集热器水动力分析(Hydrodynamicanalysisofdirectsteamgenerationsolarcollectors)中的实验数据对本发明的DSG集热器模型进行验证：类LS-3集热器，管长600m，聚光器开口宽度5.47m，金属管内外径为54/70mm，金属管导热系数为54Wm^-1K^-1，光学效率为73.3％的模型验证本发明方法的准确性。仿真条件为吸热管入口温度为210℃，入口压力为10MPa，入口质量流量为0.95kg/s，太阳直射辐射强度为1000W/m²。现有的DSG集热器模型出口参数计算结果与本发明DSG集热器模型出口参数计算的结果比较如表1所示：

表1

从表1可以看出，本文模型计算结果的最大误差仅为3.2％，与实验结果基本一致，因此认为本文模型是正确的。

在进行下述动态特性分析时同样采用Odeh的文献DSG槽式太阳能集热器水动力分析(Hydrodynamicanalysisofdirectsteamgenerationsolarcollectors)中的实验数据，除要分析的参数外，其他参数均不变。本专利选用入口工质温度、质量流量和出口压力作为边界条件。根据DSG槽式系统的特点，选择太阳辐射强度变化、给水流量变化和给水温度变化等三种扰动，对系统主要参数在各扰动工况下的动态响应进行计算分析。由于选取的计算步长较小，计算工作量较大，所以本专利只给出1000s内的动态响应结果。

(一)太阳辐射强度扰动

太阳辐射强度阶跃降低70％，DSG集热器出口处工质温度、质量流量响应，如图1所示。

图1(a)是出口工质温度响应曲线。由于太阳辐射突降至300W/m²，因此工质温度也随之很快地下降，大约128s后出口工质温度降至饱和温度310.35℃，出口工质为两相流。

图1(b)是出口流量响应曲线。流量随时间的推移，呈先下降再上升再下降趋势。特别要说明的是，从图1(b)可以看出，在128s之前的一段时间内出口流量是有脉动的。产生脉动的原因是文中模型的传热系数和摩擦系数选用了实时计算结果，而不是其他文献中所采用的稳态工况值，因为实际情况是太阳辐射下降一段时间后，DSG集热器中两相区结束位置要向后移动，所以此时原两相区结束位置上的工质为汽水混合物，即此时该位置上工质的质量含气率小于1，由于两相区传热系数要比干蒸汽区传热系数大得多，所以此时该位置上传热系数突增，管壁向工质的传热量突增，压降增大，流量增大，比焓增大，工质温度增大，工质重新成为过热蒸汽，即该位置上工质的质量含气率等于1。当该位置上的工质变为过热蒸汽时，传热系数会突降，传热系数的突变导致管壁向工质的传热量突然下降，管壁温度突然上升，从而使此处工质温度下降重新回到两相区，压降较前一时刻有所减小，流量降低。经过多次反复后，吸热管该位置才能稳定过渡到两相区，流量也呈脉动状态。图1(b)中所示的DSG集热器出口处流量的脉动是管内不同位置上上述作用的叠加导致的，图1(c)为出口流量呈脉动状态时出口工质流量响应图的放大视图。

太阳辐射强度阶跃降低5％，集热器出口处工质温度、流量响应，如图2所示。图2(a)是出口工质温度响应曲线。由于太阳辐射降低5％，因此工质温度也随之下降，逐步稳定后出口工质仍为过热蒸汽。图2(b)是出口工质流量响应曲线。太阳辐射强度的降低导致出口流量先下降后上升，而后逐步下降恢复至初始值。

(二)给水流量扰动

DSG集热器给水流量阶跃降低5％时，DSG出口处工质温度、流量响应如图3所示。图3(a)是出口工质温度响应曲线。出口工质温度响应滞后约209s，之后工质温度继续上升，最终达到一个稳定值。图3(b)是出口工质流量响应曲线。出口工质流量响应滞后约87s，并呈现先上升后下降趋势，在170s左右达到峰值0.9514kg/s，之后持续下降，最后与给水流量达到新的平衡。

(三)给水温度扰动

DSG集热器给水温度阶跃降低5％，其出口处工质温度、流量响应如图4所示。图4(a)是出口工质温度响应曲线。出口工质温度响应滞后219s左右，而后温度在421s左右上升至最大值459.83℃，之后出口工质温度下降，直到系统达到新的稳定。图4(b)是出口工质流量响应曲线。出口工质流量响应滞后约99s，在196s左右达到局部最大值0.9505kg/s，出口工质流量而后下降，在约372s至383s时达到局部最小值0.9430kg/s，并在383s至900s之间持续上升至1.0025kg/s，在900s左右再次下降，直至达到新的平衡。

下述图2(b)和图4(b)中同样出现了脉动现象，只是由于该2图中给定的太阳辐射强度扰动和给水温度扰动都比较小(5％)，因此脉动情况也比较缓和。

上述仿真结果表明：(1)当太阳辐射强度降低时，尤其是太阳辐射强度下降较多时，出口工质温度下降得很快。如果太阳辐射强度小幅下降，出口仍为过热蒸汽；如果太阳辐射强度变化明显，DSG集热器内工质状态会发生剧烈变化，出口可能出现两相流或热水；(2)给水流量或给水温度小幅下降时，出口工质温度和流量都会滞后响应并且变化显著，滞后时间长，再次达到稳定时间长。

综上所述，本发明建立的考虑了集热器空间分布影响的DSG槽式太阳能集热器非线性分布参数动态模型，对于太阳辐射强度、给水流量、温度等外界扰动作用下都体现了很好的输出性能。

Claims (2)

1.利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立并离散化DSG槽式集热器的非线性分布参数模型，具体包括如下步骤：

步骤A，由单位管长金属管外侧接收的太阳辐射热能，单位时间、单位长度金属管管壁向管内工质的放热量，得到单位长度管壁金属的热平衡方程；

步骤B，计算工质的平均密度，建立包含工质密度的质量守恒方程；

步骤C，根据摩擦压降方程得到金属管单位管长的摩擦压降，建立包含金属管单位管长的摩擦压降的动量守恒方程，根据金属管内工质比焓以及压力建立能量守恒方程；

步骤D，联立金属管质量守恒方程式、能量守恒方程式、动量守恒方程式得到DSG槽式集热器的控制模型；

步骤E，沿金属管长度方向离散DSG槽式集热器的控制模型得到每段DSG槽式集热器的控制模型；

步骤2，求得DSG槽式集热器每个时刻每个位置上工质的压力、比焓、流量，并利用压力和比焓求工质的其他物性参数，具体方法如下：

利用DSG槽式集热器控制模型求得每个时刻DSG集热器所有位置上工质的压力及DSG集热器所有位置在相应压力下的相应饱和参数，

利用DSG槽式集热器控制模型求得每个时刻DSG集热器每个位置上工质的比焓，

由集热器每个位置工质的压力和比焓确定DSG集热器每个位置工质的状态，

由工质的状态求取对应的其他物性参数；

步骤3，对DSG槽式集热器控制模型的太阳直射辐射强度、入口工质温度、入口工质质量流量施以扰动，测试DSG槽式集热器出口参数的响应。

2.根据权利要求1所述的利用非线性分布参数模型仿真DSG槽式集热器的方法，其特征在于，步骤B中利用如下方法计算工质的平均密度：

对于金属管内处于单向区的工质：由工质的比焓以及压力计算工质的平均密度；

对于金属管内处于两相区的工质：先计算工质的质量含气率，再由当前压力下饱和水、饱和蒸汽的密度以及工质的质量含气率计算工质的平均密度。