CN103577637A - Dsg太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，属于太阳能热利用的技术领域。本发明建立包括单相区间和两相区DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型；计算DSG集热器管路沿线及出口的工质压力以及工质比焓，判断DSG集热器管路沿线及出口的工质类型；再由工质类型选择单相模型或者两相模型计算集热器管路沿线及出口参数。利用本发明建立的传热和水动力耦合稳态模型求解的DSG集热器管路沿线及出口参数准确性高。

Description

DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法

技术领域

本发明公开了DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，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是近年来针对传统导热油工质槽式系统的技术不足而兴起的一项新技术，其基本原理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^[1-3]。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），是DSG槽式系统的核心部件。

由于太阳辐射能量分散且抛物线型槽式聚光器的聚光倍数较低，因此DSG槽式系统的集热器具有长度长、分布广的特点，而且由于太阳辐射具有很强的不确定性和不均匀性，因此只有利用非线性分布参数动态模型才能准确地分析DSG集热器的动态特性，为研究其控制策略和方案提供依据。而建立DSG集热器的传热和水动力耦合（Heattransferandhydrodynamiccoupling，HHC）稳态模型则是建立其非线性分布参数动态模型的基础。

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；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；杨宾建立了管内流体的传热模型和水动力模型。各国专家和学者在研究DSG集热器稳态模型时，对于其传热特性和水动力特性的耦合研究较少，且计算结果与实验数据差别较大。

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DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，旨在解决现有DSG集热器模型求得的集热器管路沿线及出口参数准确率低的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，包括如下步骤：

步骤1-A，建立DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dy}}=\frac{Q_2}{D}\\ \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dy}}=-P_d\end{array}\right.,$

其中：H为工质比焓，y为管长方向，Q₂为金属管传递的太阳辐射热能，D为工质质量流量，P为工质压力，P_d为摩擦压降；

步骤1-B，根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定传热系数α₂，再由传热系数α₂确定金属管传递的太阳辐射热能Q₂；

步骤1-C，根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定摩擦压降P_d；

步骤1-D，根据不同工质相态下金属管传递的太阳辐射热能Q₂、摩擦压降P_d分别得到单相区模型和两相区模型；

步骤2，利用步骤1所建模型计算DSG集热器管路沿线及出口的工质压力以及工质比焓，判断DSG集热器管路沿线及出口的工质类型，具体包括如下步骤：

步骤2-1，沿着金属管长方向将DSG集热器平均分为N个管段，N为自然数；

步骤2-2，根据前一管段出口参数计算当前管段出口工质压力，再在当前管段出口工质压力下计算当前管段出口参数，将当前管段出口工质比焓与当前压力下的饱和水比焓或者饱和汽比焓相比较判定当前管段出口工质类型：

步骤A，利用单相区模型计算当前管段出口参数，比较当前管段出口工质比焓和当前压力下饱和水比焓；

步骤B，在当前管段出口工质比焓大于当前压力下饱和水比焓时，进入步骤C，

否则，判定当前管段出口工质是水，返回步骤A计算下一管段出口参数，在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和水工质比焓时判定DSG集热器出口工质是水；

步骤C，利用两相区模型计算当前管段出口参数，比较当前管段出口工质比焓和当前压力下饱和汽比焓；

步骤D，在当前管段出口工质比焓大于当前压力下饱和汽比焓时，进入步骤E，

否则，判定当前管段出口工质是汽水混合物，返回步骤C计算下一管段出口参数，在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和汽比焓时判定DSG集热器出口工质是汽水混合物；

步骤E，利用单相区模型计算当前管段至第N管段的出口参数，判定当前管段至第N管段的出口工质是干蒸汽。

进一步的，所述DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，步骤2-2中所述的当前管段出口参数利用如下方法求得：

步骤a，根据前一管段出口参数计算当前管段出口压力初始值；

步骤b，在当前管段出口压力初始值下，利用无热损条件求得当前管段传递的太阳辐射热能理想值，

步骤c，根据当前管段传递的太阳辐射热能理想值，利用步骤1所建DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型计算得到当前管段的出口参数、热损以及当前管段传递的太阳辐射热能实际值；

步骤d，在当前管段传递的太阳辐射热能理想值、实际值之差在单位管长传热量误差范围内时，进入步骤e；否则，以当前管段传递的太阳辐射热能实际值取代理想值，返回步骤c；

步骤e，根据步骤c得出的当前管段出口参数得到当前管段出口压力实际值；

步骤f，在当前管段出口压力初始值、实际值之差在出口压力误差范围内时，输出步骤c所述的当前管段出口参数，并将当前管段出口参数作为下一管段出口压力计算的初始数据；否则，以当前管段出口压力实际值取代当前管段出口压力初始值，返回步骤a。

进一步的，所述DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法中，步骤1-B的具体实施方法如下：

步骤1-B-1，确定聚光器所收集的太阳辐射能Q₁，以聚光器所收集的太阳辐射能为金属管传递的太阳辐射热能的初始值，由金属管传递的太阳辐射热能的初始值确定工质比焓H；

步骤1-B-2，由工质比焓H判定工质相态；

步骤1-B-3，根据工质相态计算工质温度T、传热系数α₂，

对于单相工质：由工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式确定工质温度T，由表达式

确定传热系数α₂，其中，Re为金属管内工质的雷诺数，Pr为金属管内工质的普朗特数，k为导热系数，D_ab.i为金属管内径；

对于两相工质：由工质温度T与工质压力P的关系式确定工质温度T，由表达式α₂=h_BS+h_lF_l确定传热系数α₂，其中，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；

步骤1-B-4，由Q₂＝α₂·πD_ab.i（T_j-T）确定金属管壁温度T_j；

步骤1-B-5，再由表达式q_l＝(a+c·V_wind)(T_j-T_a)+ε_ab·b·(T_j ⁴-T_sky ⁴)确定集热器的热损q₁，由聚光器所收集的太阳辐射能Q₁与集热器的热损q₁的差值得到金属管传递的太阳辐射热能Q₂，其中：V_wind为风速，T_a为环境温度，ε_ab为吸热管发射率，T_sky为天空温度，a、b、c分别是对流、辐射和风速因子。

进一步的，所述DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法中，步骤1-C的具体实施方式如下：

对于单相工质：由表达式

得到单相工质时的摩擦压降(P_d)_1ph，其中，λ为摩擦系数，ω为金属管内工质流速，ρ为工质密度；

对于两相工质：由表达式

得到两相工质的摩擦压降(P_d)_2ph，其中，(P_d)_1ph.water为工质为水时的摩擦压降，

为Martinelli-Nelson两相乘子。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：求解的DSG集热器管路沿线及出口参数准确性高，根据求得的管路沿线及出口参数仿真DSG槽式集热器全管段的稳态情况，将其作为初始条件，利用非线性分布参数方法得到DSG槽式集热器的控制模型，提高了控制模型的精度。

附图说明

图1（a）为DSG集热器纵截面图。

图1（b）为DSG集热器吸热管横截面图。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为聚光器所收集的太阳辐射能，Q₂为金属管传递的太阳辐射热能；y为管长方向；r为管壁径向。

图2为DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型求解的流程图。

图3为当前管段出口参数计算流程。

图4为DSG集热器空间离散化的示意图。

图5为DSG集热器出口温度和压力随太阳直射辐射强度变化的曲线。

图6为太阳直射辐射强度变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。

图7为DSG集热器出口温度和压力随工质质量流量变化的曲线。

图8为工质质量流量变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。

图9为DSG集热器出口温度和压力随入口工质温度变换的曲线。

图10为入口工质温度变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。

图11为DSG集热器出口温度和压力随入口工质压力变化的曲线。

图12为入口工质压力变化时不同状态工质占DSG集热器管长比例的示意图。

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：

如图1所示的DSG集热器的简化物理模型：图1（a）为DSG集热器纵截面图；图1（b）为集热器吸热管横截面图，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为聚光器所收集的太阳辐射能，Q₂为金属管传递的太阳辐射热能；y为管长方向；r为管壁径向。

DSG集热器的工作过程是：太阳辐射能经聚光器反射后，穿过吸热管的玻璃封管和真空区投射在金属管管壁外表面上，再通过金属管管壁向内传递；工质（水、水蒸气或两相流）从吸热管的一端进入，在金属管内流动并与管壁发生对流换热，随之，其热力参数不断地发生变化。

为了便于建模并使其适用于非线性分布参数动态模型，特作如下假定：

(1)金属管内径及壁厚沿管长均匀不变；

(2)金属管外太阳辐射对管壁金属以及金属管壁对管内工质均只有径向放热；

(3)金属管内工质在各横断面上的流速、温度等参数均采用其“横断面平均值”表示；

(4)忽略金属管内外壁温差。

(5)忽略DSG集热器的局部压降。

（一）金属管管壁外侧的能量方程

DSG集热器运行时，太阳辐射能经过聚光器的反射，穿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。

首先，聚光器所收集的太阳辐射能Q₁为

Q₁＝I_directBη_optK_τα    （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。

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），

对于ET-100型DSG集热器：

K_τα＝cosθ+5.251×10^-4θ-2.8596×10^-5θ²    （5），

式（2）、（3）、（4）、（5）中，θ为入射光线到聚光器法线的夹角。

其次，由能量平衡可知，在单位时间内，单位管长金属管传递的太阳辐射热能Q₂为：

Q₂＝Q₁-q_l     （6），

式（6）中，q_l为DSG集热器热力学损失。

（二）金属管内传热和水动力模型

（Ⅰ）质量守恒方程和能量守恒方程：

质量守恒方程：

$\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{dy}}=0---\left(7a\right),$

式（7a）中，D为金属管内工质质量流量；y为沿管长方向长度。

能量守恒方程：

$Q_2=\frac{d\left(\mathrm{DH}\right)}{\mathrm{dy}}---\left(7b\right),$

式（7b）中，H为金属管内工质比焓。

把式（7a）带入式（7b），整理得

$\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dy}}=\frac{Q_2}{D}---\left(8\right),$

（Ⅱ）动量守恒方程：

工质在DSG集热器中的沿程压降主要由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，

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dy}}=-P_d---\left(9\right),$

式（9）中，P_d为单位管长的摩擦压降。

（Ⅲ）管内传热方程：

Q₂＝α₂·πD_ab.i（T_j-T）    （10），

式（10）中，D_ab.i为金属管内径；T_j为金属管壁温度；T为金属管内工质温度。

（Ⅳ）工质物性参数方程：

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

对于两相工质，其质量含汽率x可表示为：

$x=\frac{H-H^{\′}}{r}---\left(11\right),$

式（11）中，r为汽化潜热；H′为当前压力下饱和水的比焓。

两相工质的平均密度ρ可表示为：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}+x(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}))---\left(12\right),$

式（12）中，ρ′、ρ″分别为当前压力下饱和水、饱和蒸汽的密度。

（三）传热系数α₂的确定

（Ⅰ）单相流情况

在DSG集热器的热水区和干蒸汽区中，工质分别为水和过热蒸汽，均为单相流体。热水区和干蒸汽区的传热系数可用Dittus-Boelter关系式表示：

${\mathrm{\α}}_2=0.023{\left(\mathrm{Re}\right)}^{0.8}{\left(\mathrm{Pr}\right)}^{0.4}\frac{k}{D_{\mathrm{ab}.i}}---\left(13\right),$

式（13）中，Re为金属管内工质的雷诺数；Pr为金属管内工质的普朗特数；k为导热系数。

（Ⅱ）两相流情况

对于DSG集热器两相区的传热系数，需要用弗劳德数F_r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。在通常情况下F_r＞0.04，因此，本文选用环流时的传热系数：

α₂＝h_B′+h_l′     （14），

h_B′＝h_BS    （15），

h_l′＝h_lF_l    （16），

式（14）、（15）、（16）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。

（四）热力学损失q_l的确定

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

q_l＝(a+c·V_wind)(T_j-T_a)+ε_ab·b·(T_j ⁴-T_sky ⁴)      （17），

式中，V_wind为风速；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；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ε_ab可由下式确定：

ε_ab＝0.00042T_j-0.0995     （18），

天空温度T_sky按下式确定：

T_sky＝(ε_sky)^0.25·T_a     （19），

ε_sky＝0.711+0.56(t_dp/100)+0.73(t_dp/100)²       （20），

式（20）中，ε_sky为天空发射率；t_dp为环境露点温度。

根据对DSG集热器的运行分析知，对于金属管内径D_ab.i与金属管外径D_ab,o之比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。

（五）摩擦压降的确定

对于DSG集热器中的单相流动，摩擦压降的计算式为：

${\left(P_d\right)}_{1\mathrm{ph}}=\frac{\mathrm{\λ}}{D_{\mathrm{ab},i}}\·\frac{{\mathrm{\ρ\ω}}^2}{2}---\left(21\right),$

式（21）中，λ为摩擦系数，ω为金属管内工质流速。

摩擦系数λ可以用Blasius的光滑管计算式计算：

λ＝0.3165(Re)^-0.25     （22），

式（22）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（23）中，(P_d)_1ph.water指管内汽水混合物全部为水时的摩擦压降；

为Martinelli-Nelson两相乘子。

100bar、40bar压力下的Martinelli-Nelson两相乘子

的表达式分别为式（24a）、（24b）：

其中，x为质量含汽率。

式（8）、式（9）组成的联立方程组即为DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型，该模型中金属管传递的太阳辐射热能Q₂、摩擦压降P_d的求取方法因为集热器内工质相态不同而不同。

由公式（1）至式（5）确定聚光器所收集的太阳辐射能Q₁，以聚光器所收集的太阳辐射能为金属管传递的太阳辐射热能Q₂的初始值，根据公式（7b）由金属管传递的太阳辐射热能Q₂的初始值确定工质比焓H；由工质比焓H判定工质相态；由工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式确定单相工质温度T（单相工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式是本领域公知技术），由公式（13）确定单相工质的传热系数α₂，由工质温度T与工质压力P的关系式确定两相工质温度（两相工质温度T与工质压力P的关系式是本领域公知技术）T，由公式（14）至公式（16）确定两相工质的传热系数α₂；由公式（10）确定金属管壁温度T_j；由公式（17）确定集热器的热损q₁；由公式（6）确定金属管传递的太阳辐射热能Q₂；由确定的金属管传递的太阳辐射热能Q₂带入公式（7b）重新确定各参数进而实现金属管传递的太阳辐射热能Q₂的更新过程。

对于单相工质，利用公式（21）求得摩擦压降；对于两相工质，利用公式（22）求得摩擦压降。

再根据单相工质、两相工质对应的金属管传递的太阳辐射热能Q₂、摩擦压降确定单相区模型以及两相区模型。

式（1）至式（6）用以根据DSG集热器物理模型求解单位管长金属管传递的太阳辐射热能Q₂，式（10）用于根据管内传热方程求解单位管长金属管传递的太阳辐射热能Q₂，式（13）至式（24）用于确定传热系数、热力学损失和摩擦压降三个参数，工质物性参数方程（包括单相工质物性参数方程以及式（11）、式（22））用于确定工质物性参数。

DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法如图2所示，包括如下步骤：

步骤1-A，由质量守恒方程、能量守恒方程、能量守恒方程建立DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dy}}=\frac{Q_2}{D}\\ \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dy}}=-P_d\end{array}\right.,$

其中：H为工质比焓，y为管长方向，Q₂为金属管传递的太阳辐射热能，D为工质质量流量，P为工质压力，P_d为摩擦压降；

步骤1-B，根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定传热系数α₂，再由传热系数α₂确定金属管传递的太阳辐射热能Q₂：

步骤1-B-1，由公式（1）至公式（5）确定聚光器所收集的太阳辐射能Q₁，以聚光器所收集的太阳辐射能为金属管传递的太阳辐射热能的初始值，由金属管传递的太阳辐射热能的初始值确定工质比焓H；

步骤1-B-2，由工质比焓H判定工质相态；

步骤1-B-3，根据工质相态计算工质温度T、传热系数α₂，

对于单相工质：由工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式确定工质温度T，由公式（13）确定传热系数α₂；

对于两相工质：由工质温度T与工质压力P的关系式确定工质温度T，由公式（14）至公式（16）确定传热系数α₂；

步骤1-B-4，由公式（10）确定金属管壁温度T_j；

步骤1-B-5，再由公式（17）至公式（20）确定集热器的热损q₁，由聚光器所收集的太阳辐射能Q₁与集热器的热损q₁的差值得到金属管传递的太阳辐射热能Q₂；

步骤1-C，根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定摩擦压降P_d：

对于单相工质：由公式（21）、（22）得到单相工质时的摩擦压降(P_d)_1ph；

对于两相工质：由公式（23）、（24a）、（24b）得到两相工质的摩擦压降(P_d)_2ph；

步骤1-D，根据不同工质相态下金属管传递的太阳辐射热能Q₂、摩擦压降P_d分别得到单相区模型和两相区模型；

步骤2，利用步骤1所建模型计算DSG集热器管路沿线及出口的工质压力以及工质比焓，判断DSG集热器管路沿线及出口的工质类型，具体包括如下步骤：

步骤2-1，如图4所示，沿着金属管长方向将DSG集热器平均分为N个管段，以每一管段的出口参数代替该管段的总平均参数，N为自然数，出口参数包括工质的压力、比焓、密度、温度、传热系数、流速、摩擦系数；

步骤2-2，根据前一管段i-1的出口参数计算当前管段i的出口工质压力P^i(i-1)，再在当前管段i的出口工质压力P^i(i-1)下计算当前管段i的其余出口参数，将当前管段i的出口工质比焓

与当前压力下的饱和水比焓H_饱和水或者饱和汽比焓H_饱和汽相比较判定当前管段i的出口工质类型：

步骤A，利用单相区模型计算当前管段i的出口参数，比较当前管段i的出口工质比焓

和当前压力下饱和水比焓H_饱和水；

步骤B，在当前管段i的出口工质比焓

大于当前压力下饱和水比焓H_饱和水时，进入步骤C，

否则，判定当前管段i的出口工质是水，返回步骤A计算下一管段出口参数，在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和水工质比焓时判定DSG集热器出口工质是水；

步骤C，利用两相区模型计算当前管段出口参数，比较当前管段i的出口工质比焓

和当前压力下饱和汽比焓H_饱和汽；

步骤D，在当前管段i的出口工质比焓

大于当前压力下饱和汽比焓H_饱和汽时，进入步骤E，

否则，判定当前管段i的出口工质是汽水混合物，返回步骤C计算下一管段出口参数，在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和汽比焓时判定DSG集热器出口工质是汽水混合物；

步骤E，利用单相区模型计算当前管段i至第N管段的出口参数，此时当前管段至第N管段（第N管段的出口参数即为DSG集热器的出口参数）出口工质为干蒸汽。

步骤2-2中当前管段出口参数利用如图3所示的方法求得：

步骤a，根据前一管段i-1的出口参数计算当前管段i的出口压力初始值P^i(i-1)；

步骤b，在当前管段i的出口压力初始值P^i(i-1)下，利用无热损条件（令当前管段i的热损为0，即Q₂＝Q₁）求得当前管段i传递的太阳辐射热能的理想值，当前管段i传递的太阳辐射热能理想值即为当前管段i聚光器所收集的太阳辐射能；

步骤c，根据当前管段i传递的太阳辐射热能的理想值，利用步骤1所建DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型计算得到当前管段i的出口参数、热损q′₁以及传递的太阳辐射热能实际值Q'₂；

步骤d，在当前管段i传递的太阳辐射热能理想值Q₂、实际值Q'₂之差在单位管长传热量误差范围内：|Q'₂-Q₂|＜δ_Q时，进入步骤e；否则，以当前管段i传递的太阳辐射热能实际值取代理想值，返回步骤c；

步骤e，根据步骤c得出的当前管段i的出口参数得到当前管段i的出口压力实际值Pⁱ⁽ⁱ⁾；

步骤f，在当前管段ⁱ的出口压力初始值P^i(i-1)、实际值Pⁱ⁽ⁱ⁾之差在出口压力误差范围内：|Pⁱ⁽ⁱ⁾-P^i(i-1)|＜δ_P时，输出步骤c所述的当前管段i的出口参数，并将当前管段i的出口参数作为下一管段出口压力计算的初始数据；否则，以当前管段i的出口压力实际值取代当前管段出口压力初始值，返回步骤a。

以文献1中使用的实验数据来验证本专利所建立模型的正确性，实验数据具体为：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%，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，DNI为1000W/m2，并与文献2、文献3的计算结果进行比较。表1给出了本专利的实验结果与文献1、文献2、文献3计算结果的对比情况。文献1为OdehSD，BehniaM，MorrisonGL的DSG槽式太阳能集热器的水动力分析（Hydrodynamicanalysisofdirectsteamgenerationsolarcollectors）；文献2为梁征、孙利霞、由长福DSG太阳能槽式集热器动态特性；文献3为杨宾的槽式太阳能直接蒸汽热发电系统性能分析与实验研究。

表1

从表1可见，本文模型计算得到的出口温度和出口压力与实验结果十分接近，误差分别为1.91%和0.20%，明显优于文献[9]和文献[13]的计算结果。由于水蒸汽的热扩散率比水大的多，加之干蒸汽区管内对流换热系数较小，因此干蒸汽区长度是影响出口温度的主要因素。本文模型计算得到的干蒸汽区长度与实验结果仅相差0.1m，误差仅为0.07%，大大地低于文献[9]的6.5%以及文献[13]的6.9%的误差，这是本文模型计算结果比较精确的原因之一。本文模型计算结果的最大误差出现在热水区长度计算中，但也仅为3.20%，因此认为本文模型是正确的，而且具有较高的计算精准度。

采用文献1中的实验数据，改变太阳直射辐射强度、质量流量、工质入口温度、工质入口压力来分析DSG聚光集热器的稳态特性。

（一）太阳直射辐射强度（directnormalinsolation，DNI）

太阳直射辐射强度从0至1000W/m2变化时，DSG集热器出口温度和压力的变化如图5所示。假设DSG集热器的总长为1时，热水区、两相区以及干蒸汽区分别占DSG集热器管长比例随太阳直射辐射强度的变化如图6所示。

由图5可知，太阳直射辐射强度逐渐增强时，DSG集热器出口工质的状态逐渐由热水变为两相流、饱和蒸汽，直到过热蒸汽；出口压力会随太阳直射辐射强度的增强而降低，其中太阳直射辐射强度约为200-800W/m2时，即DSG集热器出口为两相流时出口压力下降得较明显。

由图6可知，在太阳直射辐射强度不断增强时，DSG集热器中的热水区长度开始为1，当太阳直射辐射强度到达某一阈值（这里约为200W/m2）后热水区长度逐渐减少；两相区长度开始为0，当热水区开始减少时两相区开始增加，当太阳直射辐射强度到达另一阈值（这里约为770W/m2）后两相区逐渐减少，而此时干蒸汽区长度开始由0逐渐变大。

图5和图6可为电站设计提供参考。在实际工程设计时，应保证电站正常运行时DSG集热器出口工质处于干蒸汽区，并留有一定阈度。

（二）工质质量流量

工质质量流量从0.7至5.0kg/s变化，DSG集热器出口工质温度和压力的变化如图7所示；假设DSG集热器的总长为1时，热水区、两相区以及干蒸汽区分别占DSG集热器管长比例随工质质量流量的变化如图8所示。

从图7可知，工质质量流量从0.7至5.0kg/s变化时，DSG集热器出口工质温度和压力都是在工质质量流量较小时下降的比较快，此时DSG集热器出口为过热蒸汽。而工质质量流量在约1.3至4.5kg/s之间时，DSG集热器出口工质温度和压力都趋于稳定且呈现略微升高再降低的趋势，此时DSG集热器出口为汽水混合物。当质量流量大于4.5kg/s时，DSG集热器出口温度和压力再次降低，此时DSG集热器出口为热水。

由图8可知，在工质质量流量不断增加时，干蒸汽区长度不断减小，并在质量流量到达某一阈值（这里约为1.3kg/s）后干蒸汽区长度变为0；在工质质量流量不断增加时，两相区长度先增大，在干蒸汽区长度变为0后两相区长度逐渐减小，并在工质质量流量到达另一阈值（这里约为4.6kg/s）时两相区长度变为0；在工质质量流量不断增加时，DSG集热器中的热水区长度不断增加，并在两相区长度为0时，热水区长度达到1，即整个DSG集热器中均为热水。

图7和图8表明，为了保证DSG集热器正常运行时出口工质为干蒸汽，且出口温度在合理范围内，工质质量流量需要设定在一定范围内，而且工质质量流量的可选范围比较小，例如在本文数据条件下，工质质量流量的可选范围大致在0.9-1.3kg/s内。

（三）入口工质温度

DSG集热器入口工质温度从150℃至250℃变化，DSG集热器出口温度和压力的变化如图9所示；假设DSG集热器的总长为1时，热水区、两相区以及干蒸汽区分别占DSG集热器管长比例随入口工质温度的变化如图10所示。

从图9可知，入口工质温度从150℃至250℃变化时，DSG集热器出口温度呈近似线性上升趋势，且变化明显；而出口压力呈微弱下降趋势。

由图10可知，在入口工质温度不断增加时，DSG集热器中的热水区长度逐渐减小；两相区长度几乎不变，只是在入口工质温度增加到230℃以上时呈微弱减少趋势；而干蒸汽区呈不断上升趋势。

图9和图10表明，入口工质温度对出口工质温度影响明显，但在较大范围内，都能满足DSG集热器出口为干蒸汽的设计要求。

（四）入口工质压力

DSG集热器入口工质压力从3MPa至10MPa变化，DSG集热器出口温度和压力的变化如图11所示；假设DSG集热器的总长为1时，热水区、两相区以及干蒸汽区分别占DSG集热器管长比例随入口工质压力的变化如图12所示。

从图11可知，入口工质压力从3MPa至10MPa变化时，DSG集热器出口温度和出口压力均呈近似线性上升趋势。

由图12可知，在入口工质压力不断增加时，DSG集热器中的热水区长度和干蒸汽区长度均逐渐增大，但热水区长度增大的幅度更多；而两相区长度随入口工质压力的增加而不断减小。

图11和图12表明，入口工质压力对出口工质温度和压力的影响都比较明显，但在较大范围内，都能满足DSG集热器出口为干蒸汽的设计要求。

利用本发明所述DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型得到的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数准确率高，再根据求得的管路沿线及出口参数仿真DSG槽式集热器全管段的稳态情况，将其作为初始条件，利用非线性分布参数方法得到DSG槽式集热器的控制模型，提高了控制模型的精度。

Claims (4)

1.DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1-A，建立DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dy}}=\frac{Q_2}{D}\\ \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dy}}=-P_d\end{array}\right.,$

其中：H为工质比焓，y为管长方向，Q₂为金属管传递的太阳辐射热能，D为工质质量流量，P为工质压力，P_d为摩擦压降；

步骤1-B，根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定传热系数α₂，再由传热系数α₂确定金属管传递的太阳辐射热能Q₂；

步骤1-C，根据DSG太阳能槽式集热器管段内工质相态确定摩擦压降P_d；

步骤1-D，根据不同工质相态下金属管传递的太阳辐射热能Q₂、摩擦压降P_d分别得到单相区模型和两相区模型；

步骤2，利用步骤1所建模型计算DSG集热器管路沿线及出口的工质压力以及工质比焓，判断DSG集热器管路沿线及出口的工质类型，具体包括如下步骤：

步骤2-1，沿着金属管长方向将DSG集热器平均分为N个管段，N为自然数；

步骤2-2，根据前一管段出口参数计算当前管段出口工质压力，再在当前管段出口工质压力下计算当前管段出口参数，将当前管段出口工质比焓与当前压力下的饱和水比焓或者饱和汽比焓相比较判定当前管段出口工质类型：

步骤A，利用单相区模型计算当前管段出口参数，比较当前管段出口工质比焓和当前压力下饱和水比焓；

步骤B，在当前管段出口工质比焓大于当前压力下饱和水比焓时，进入步骤C，

否则，判定当前管段出口工质是水，返回步骤A计算下一管段出口参数，在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和水工质比焓时判定DSG集热器出口工质是水；

步骤C，利用两相区模型计算当前管段出口参数，比较当前管段出口工质比焓和当前压力下饱和汽比焓；

步骤D，在当前管段出口工质比焓大于当前压力下饱和汽比焓时，进入步骤E，

否则，判定当前管段出口工质是汽水混合物，返回步骤C计算下一管段出口参数，在第N管段出口工质比焓小于第N管段出口压力下饱和汽比焓时判定DSG集热器出口工质是汽水混合物；

步骤E，利用单相区模型计算当前管段至第N管段的出口参数，判定当前管段至第N管段的出口工质是干蒸汽。

2.根据权利要求1所述的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，其特征在于，步骤2-2中所述的当前管段出口参数利用如下方法求得：

步骤a，根据前一管段出口参数计算当前管段出口压力初始值；

步骤b，在当前管段出口压力初始值下，利用无热损条件求得当前管段传递的太阳辐射热能理想值，

步骤c，根据当前管段传递的太阳辐射热能理想值，利用步骤1所建DSG太阳能槽式集热器传热和水动力耦合稳态模型计算得到当前管段的出口参数、热损以及当前管段传递的太阳辐射热能实际值；

步骤d，在当前管段传递的太阳辐射热能理想值、实际值之差在单位管长传热量误差范围内时，进入步骤e；否则，以当前管段传递的太阳辐射热能实际值取代理想值，返回步骤c；

步骤e，根据步骤c得出的当前管段出口参数得到当前管段出口压力实际值；

步骤f，在当前管段出口压力初始值、实际值之差在出口压力误差范围内时，输出步骤c所述的当前管段出口参数，并将当前管段出口参数作为下一管段出口压力计算的初始数据；否则，以当前管段出口压力实际值取代当前管段出口压力初始值，返回步骤a。

3.根据权利要求1或2所述的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，其特征在于：步骤1-B的具体实施方法如下：

步骤1-B-1，确定聚光器所收集的太阳辐射能Q₁，以聚光器所收集的太阳辐射能为金属管传递的太阳辐射热能的初始值，由金属管传递的太阳辐射热能的初始值确定工质比焓H；

步骤1-B-2，由工质比焓H判定工质相态；

步骤1-B-3，根据工质相态计算工质温度T、传热系数α₂，

对于单相工质：由工质温度T与工质压力P、工质比焓H的关系式确定工质温度T，由表达式

确定传热系数α₂，其中，Re为金属管内工质的雷诺数，Pr为金属管内工质的普朗特数，k为导热系数，D_ab.i为金属管内径；

对于两相工质：由工质温度T与工质压力P的关系式确定工质温度T，由表达式α₂=h_BS+h_lF_l确定传热系数α₂，其中，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；

步骤1-B-4，由Q₂＝α₂·πD_ab.i（T_j-T）确定金属管壁温度T_j；

步骤1-B-5，再由表达式q_l＝(a+c·V_wind)(T_j-T_a)+ε_ab·b·(T_j ⁴-T_sky ⁴)确定集热器的热损q₁，由聚光器所收集的太阳辐射能Q₁与集热器的热损q₁的差值得到金属管传递的太阳辐射热能Q₂，其中：V_wind为风速，T_a为环境温度，ε_ab为吸热管发射率，T_sky为天空温度，a、b、c分别是对流、辐射和风速因子。

4.根据权利3所述的DSG太阳能槽式集热器管路沿线及出口参数的获取方法，其特征在于步骤1-C的具体实施方式如下：

对于单相工质：由表达式

得到单相工质时的摩擦压降(P_d)_1ph，其中，λ为摩擦系数，ω为金属管内工质流速，ρ为工质密度；

对于两相工质：由表达式

得到两相工质的摩擦压降(P_d)_2ph，其中，(P_d)_1ph.water为工质为水时的摩擦压降，

为Martinelli-Nelson两相乘子。

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