DSG槽式太阳能集热系统建模及预测控制研究

【摘要】：以水为工质的槽式太阳能直接蒸汽发电(DSG, Direct Steam Generation)系统是光热发电的发展方向。集热场热效率的精确计算和提高以及运行控制稳定性的保障是DSG槽式技术面临的难题。建立DSG集热场和流动传热系统的数学模型,深入研究其运行机理、控制方法和能源利用策略是解决上述问题的基础。因此,本文以槽式集热器为主要研究对象,采用原理分析、数学建模、仿真测试等技术路线,对DSG热工过程模型建立和集热管出口蒸汽温度控制策略进行了研究。主要的研究成果如下：(1)研究了DSG槽式集热场的光学损失,将聚光器光学损失细分为反光镜的光学损失和集热管的光学损失。其次,研究场镜分布损失,针对不同地区和不同季节的余弦效率、集热场排间遮挡和末端损失进行仿真计算,并进一步提出两种蒸汽互补方案。上述研究会为集热场的设计及性能改进提供一定的理论依据。(2)利用热力学原理建立了DSG槽式集热器稳态传热模型。对集热管外壁温度、管内换热系数、工质温度和干度等参数采用微元的方法进行了耦合求解。通过仿真分析,并与现有文献数据对比,验证了该模型的正确性。然后,基于模型研究了集热管出口蒸汽温度和太阳辐射强度(DNI, Direct Normal Insolation)以及给水流量的关系。(3)建立了DSG槽式集热系统的动态模型。分别分析了在DNI和给水流量阶跃扰动情况下,出口工质温度的动态响应。针对给水流量扰动情况,利用两点法建立了集热系统传递函数。仿真表明,所建传递函数具有较高的精度,为集热管出口蒸汽温度控制研究打下了基础。(4)研究了基于DSG槽式集热系统动态模型的广义预测控制(GPC, Generalized Predictive Control)。为了改善基本粒子群优化算法容易过早陷入局部最优点的不足,首先提出基于任意初始小世界临域动态粒子群算法D-SWPSO,仿真分析表明其比基本粒子群优化算法具有更高的搜索效率和精度,更适宜于具有大滞后和大惯性特征对象GPC控制的定值跟踪和优化求解。然后,针对入口水流量调节以及喷水减温传递函数模型,采用基于D-SWPSO的GPC进行了仿真研究。结果证明了本文提出算法比传统PID控制算法具有更好的控制性能,可为实际DSG槽式集热器出口蒸汽温度的控制提供参考。 【关键词】：DSG系统 槽式集热器 动态模型 广义预测控制 小世界粒子群算法
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景和意义11-15
• 1.1.1 光热发电背景及意义11-13
• 1.1.2 DSG槽式光热发电技术发展意义13-15
• 1.2 DSG槽式光热发电技术发展现状15-20
• 1.2.1 DSG槽式光热发电技术发展现状及发展方向15-18
• 1.2.2 集热场及光热发电系统建模研究现状18-19
• 1.2.3 DSG槽式太阳能热发电系统温度控制研究现状19-20
• 1.3 本文主要研究内容20-23
• 2 DSG槽式太阳能热发电系统基本问题分析23-37
• 2.1 槽式集热器工作原理23-25
• 2.2 集热场水循环和布置方式25-27
• 2.3 集热场光学损失的计算27-33
• 2.4 蒸汽互补方案研究33-36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 槽式集热场传热流动特性分析37-49
• 3.1 槽式集热场传热损失研究37-38
• 3.2 集热场稳态模型建立38-42
• 3.3 集热场稳态模型求解42-44
• 3.4 稳态模型验证与稳态特性分析44-47
• 3.4.1 仿真结果分析44-45
• 3.4.2 集热场稳态特性分析45-47
• 3.5 本章小结47-49
• 4 DSG槽式集热场动态模型研究与特性分析49-59
• 4.1 集热场动态模型建立50-51
• 4.1.1 集热管外壁能量方程50
• 4.1.2 集热管内传热方程50-51
• 4.2 动态模型求解51-52
• 4.3 DSG槽式集热场动态特性分析52-57
• 4.3.1 DNI扰动情况52-54
• 4.3.2 给水流量扰动情况54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 5 基于广义预测控制策略的集热场出口蒸汽温度调节59-93
• 5.1 集热管出口汽温调节分析59-60
• 5.2 广义预测控制理论及其性能研究60-64
• 5.2.1 预测模型61
• 5.2.2 滚动优化61-63
• 5.2.3 反馈校正63-64
• 5.3 基于任意初始小世界临域动态粒子群D-SWPSO算法的GPC优化64-86
• 5.3.1 粒子群算法及其拓扑结构分析64-68
• 5.3.2 小世界邻域拓扑结构的构造68-74
• 5.3.3 邻域结构动态更新策略研究74-83
• 5.3.4 算法实现流程83-84
• 5.3.5 仿真测试84-86
• 5.4 广义预测控制在DSG集热场出口温度控制中应用仿真86-92
• 5.5 本章小结92-93
• 6 总结与展望93-95
• 6.1 总结93-94
• 6.2 展望94-95
• 参考文献95-99
• 作者简历99-103
• 学位论文数据集103

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