[发明专利]太阳能热发电站油水型蒸汽发生器模型的建模方法

权利要求书

1.一种太阳能热发电站油水型蒸汽发生器模型的建模方法，所述蒸汽发生器模型包括预热段动态模型、蒸汽发生段动态模型和过热段动态模型，其特征在于：所述的建模方法包括以下步骤：

步骤1：选取蒸汽发生器输入参数值和输出参数初值；

步骤2：建立蒸汽发生段动态模型；

步骤3：建立预热段动态模型；

步骤4：建立过热段动态模型；

所述步骤1中，蒸汽发生器输入参数值包括入口导热油流量和入口过冷水流量，入口导热油温度和入口过冷水温度，入口导热油压力和入口过冷水压力；蒸汽发生器输出参数初值包括出口导热油流量和出口过热蒸汽流量，出口导热油温度和出口过热蒸汽温度，出口导热油压力和出口过热蒸汽压力，蒸汽发生器汽包内压力和水位；

所述步骤2中，蒸汽发生段动态模型包括导热油侧蒸汽发生段动态模型、换热管壁蒸汽发生段动态模型、水/汽侧蒸汽发生段动态模型和水位蒸汽发生段动态模型，需要将蒸汽发生段的壳侧蒸汽空间分为水面以上和水面以下两个部分，并通过计算水动态蒸发量和蒸汽动态凝结量实现对蒸汽发生段的动态建模；

所述步骤3中，分别对导热油侧、换热管壁、过冷水侧建立预热段动态模型；

所述步骤4中，分别对导热油侧、换热管壁、过热蒸汽侧建立过热段动态模型。

2.根据权利要求1所述的太阳能热发电站油水型蒸汽发生器模型的建模方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：根据能量守恒方程建立导热油侧蒸汽发生段动态模型，则有：

d(cp_oilmoilToil)dt=qm_oil(hoil_in-hoil_out)-Qoil---(1)]]>

Q_oil＝αA_i(T_oil-T_tube)(2)

α=0.023Ref0.8Prf0.3λdi---(3)]]>

其中，c_{p_oil}为蒸汽发生段中导热油的比热容，m_oil为蒸汽发生段中导热油的总质量，T_oil为导热油的温度，取蒸汽发生段导热油进出口温度的算术平均值，q_{m_oil}为蒸汽发生段中导热油的流量，h_{oil_in}为蒸汽发生段中导热油进口焓值，h_{oil_out}为蒸汽发生段中导热油出口焓值，Q_oil为蒸汽发生段中导热油的放热量，α为蒸汽发生段中导热油和换热管壁间对流换热系数，A_i为蒸汽发生段中换热管壁内部面积，T_tube为蒸汽发生段换热管壁温度，Re_f为导热油的雷诺数，Pr_f为导热油的普朗特数，λ为导热油的导热系数，d_i为换热管内径；

步骤2-2：根据能量守恒方程建立换热管壁蒸汽发生段动态模型，则有：

d(cp_tubemtubeTtube)dt=Qoil-Qwater---(4)]]>

Q_water＝α'A_o(T_tube-T_water)(5)

其中，c_{p_tube}为换热管的比热容，m_tube为换热管的质量，T_tube为换热管的温度，t为时间，Q_oil为导热油对换热管的放热量，Q_water为换热管对水的放热量，α'为水侧对流换热系数，可近似地取为常数，其值按稳态工况求得，A_o为换热管外壁总面积，T_water为壳侧水的温度；

步骤2-3：根据质量守恒方程和能量守恒方程建立水/汽侧蒸汽发生段动态模型，则有：

质量守恒方程：

d(ρwaterVwater+ρsteamVsteam)dt=qm_water_in-qm_steam_out---(6)]]>

V_water+V_steam＝V＝const(7)

其中，ρ_water为壳侧水的密度，V_water为壳侧水的体积，ρ_steam为壳侧水蒸气的密度，V_steam为壳侧水蒸气的体积，t为时间，q_{m_water_in}为入口水流量，q_{m_steam_out}为出口水蒸气流量，V为壳侧空间体积，是一个定值；

能量守恒方程：

d(ρwaterVwaterhwater+ρsteamVsteamhsteam)dt=qm_water_inhwater_in-qm_steam_outhsteam_out+Qwater---(8)]]>

其中，ρ_water为壳侧水的密度，V_water为壳侧水的体积，h_water为壳侧水的焓值，ρ_steam为壳侧水蒸气的密度，V_steam为壳侧水蒸气的体积，h_steam为壳侧水蒸气的焓值，t为时间，q_{m_water_in}为入口水流量，h_{water_in}为入口水的焓值，q_{m_steam_out}为出口水蒸气流量，h_{steam_out}为出口水蒸气的焓值，Q_water表示换热管对水的放热量；

联立公式(6)、(7)和(8)，并利用关系可得蒸汽发生段汽包压力的动态表达式为：

dPsteamdt=Qwater+(rρsteamρwater-ρsteam-hq)qm_water_in-rρwaterρwater-ρsteamqm_steam_out[ρwater∂hwater∂P+rρsteamρwater-ρsteam(∂ρwater∂Psteam)]Vwater+[ρsteam∂hsteam∂P+rρwaterρwater-ρsteam(∂ρsteam∂Psteam)]Vsteam---(9)]]>

其中，P_steam为蒸汽发生段汽包内压力，r为水的汽化潜热，r＝h_steam-h_water，h_q为入口水的欠焓，h_q＝h_water-h_{water_in}；

在建立蒸汽发生段模型时，由于汽包内压力有明显的变化，因此应考虑压力变化对工质流量的影响，将入口水流量q_{m_water_in}和出口水蒸气流量q_{m_steam_out}看成变量，采用以下公式：

qm_water_in=cPwater_in-Psteam---(10)]]>

q_{m_steam_out}＝kP_steam(11)

其中，c为导纳，P_{water_in}为给水压力，k为比例系数；

步骤2-4：将壳侧蒸汽空间分为水面以上和水面以下两个部分，并通过计算水动态蒸发量和蒸汽动态凝结量完成对水位蒸汽发生段动态模型的建模，则有：

Hwater=(Vwater+Vsteam_below)/S=(mwaterρwater+Vsteam_below)/S---(12)]]>

dmwaterdt=qm_water_in+qm_cond-qm_evap-qm_water_out---(13)]]>

Vsteam_below=a+kqm_evapdtρsteam---(14)]]>

qm_evap=Qwater-mwater(hwater-hwater0)hsteam-hwater---(15)]]> 2

qm_cond=qm_water_in(hwater-hwater_in)hsteam-hwater---(16)]]>

其中，V_{steam_below}为壳侧水面以下的蒸汽体积，采用静态的经验拟合公式计算，a和k为经验拟合公式中的系数，S为蒸发段的平均截面积，m_water为壳侧水的质量，q_{m_cond}为壳侧水动态凝结量，q_{m_evap}为壳侧水动态蒸发量，为上一时刻壳侧水的焓值。