1.本发明涉及光热电站技术领域，特别是涉及一种光热电站镜场启停系统及控制方法。


背景技术：

2.由于太阳能具有清洁、资源丰富等优点，近年来太阳能的利用技术不断发展，光热电站是一种有效利用太阳能进行发电的技术。然而，由于太阳能具有间歇性的特点，光热电站一般需要进行日常启动，而启动过程的能量损失会明显降低光热电站的年发电量，增加发电成本，降低了光热电站的市场竞争力。
3.目前光热电站的启动方式为镜场首先启动，镜场出口传热工质温度和流量达到目标值后，蒸汽发生系统开始启动，由于蒸汽发生系统启动过程中需要从较低温度升高至额定值，因此蒸汽发生系统启动前期并不需要过高温度的传热工质，这样导致的结果是，一方面需要利用低温传热工质调节进入蒸汽发生系统的传热工质温度，另一方面，镜场始终运行在较高温度水平，明显增加了镜场的散热损失，研究表明镜场在启动过程中的能量损失占总能量损失的15～20％；在停机过程中，镜场的出口传热工质温度不断降低，进入高温储热罐后，会降低高温储热罐的传热工质温度，降低机组的运行效率。因此如何优化镜场的启停方式，在保证蒸汽发生系统产生合格蒸汽的同时，降低镜场的散热损失并提高机组的效率是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种光热电站的镜场启停系统及控制方法，通过在不同启停阶段合理设置镜场运行方式，实现了对中低温传热工质的利用，同时降低了电加热器的功率和镜场的散热损失，提高了高温储热罐的传热工质温度，有利于提高光热电站的年发电量。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
6.一种光热电站的镜场启停系统，系统包括镜场1、再循环阀门2、高温储热罐进口阀门3、高温储热罐4、高温传热工质泵5、高温储热罐旁路阀门6、过热器旁路阀门7、过热器8、蒸汽发生器9、预热器10、低温储热罐11、低温储热罐出口阀门12、低温传热工质泵13、外置循环泵14、电加热器15；
7.所述的镜场1的出口分为四个支路，第一个支路通过再循环阀门2与低温传热工质泵13的进口相连接，第二个支路通过高温储热罐进口阀门3与高温储热罐4相连接，第三个支路通过高温储热罐旁路阀门6与过热器8的传热工质进口相连接，第四个支路通过过热器旁路阀门7与蒸汽发生器9的传热工质进口相连接；高温储热罐4的传热工质出口与高温传热工质泵5的进口相连接，高温传热工质泵5的传热工质出口与过热器8的传热工质进口相连接；过热器8的传热工质出口与蒸汽发生器9的传热工质进口相连接，过热器8的蒸汽进口与蒸汽发生器9的蒸汽出口相连接；蒸汽发生器9的传热工质出口与预热器10的传热工质进
口相连接，蒸汽发生器9的饱和水出口通过外置循环泵14与电加热器15相连接，蒸汽发生器9的给水进口与预热器10的给水出口相连接；预热器10的传热工质出口与低温储热罐11的传热工质进口相连接；低温储热罐11的传热工质出口与低温传热工质泵13的进口相连接，低温传热工质泵13的出口与镜场1的进口相连接。
8.所述的一种光热电站的镜场启动控制方法，其特征在于，控制方法采用分层控制技术，第一层控制用于设定值的优化，第二层控制用于调节控制量使被控量跟随设定值，在整个镜场启动阶段的控制方法为：
9.第一阶段为镜场1的预热过程，在光照条件达到启动标准后，打开再循环阀门2和低温传热工质泵13，使镜场1运行在再循环模式，以提高镜场1的出口传热工质温度至第一目标温度，传热工质温度设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在镜场1的热应力不超过许用热应力的条件下，提高传热工质的升温速度，第二层控制则通过调节低温传热工质泵13的转速控制再循环流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；
10.第二阶段为镜场1的出口传热工质温度达到第一目标温度后，再循环阀门2逐渐关闭，低温储热罐出口阀门12和过热器旁路阀门7逐渐打开，传热工质开始进入蒸汽发生器9和预热器10，传热工质流量的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在维持蒸汽发生器9压力的条件下，降低电加热器15的功率，第二层控制则通过调节过热器旁路阀门7，控制进入蒸汽发生器9的传热工质流量达到设定值；
11.第三阶段为镜场1的传热工质升温过程，在电加热器15停止运行后，打开高温储热罐旁路阀门6，逐渐关闭过热器旁路阀门7，并通过调节镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度升高至第二目标温度，传热工质温度的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在镜场1的热应力不超过许用热应力、且镜场1的传热工质出口温度高于过热器8的出口蒸汽温度的条件下，提高传热工质的升温速度，第二层控制则通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；
12.第四阶段为镜场1的定温运行阶段，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度保持不变，并打开高温储热罐进口阀门3，高温传热工质开始进入高温储热罐4；
13.第五阶段为镜场1的传热工质升温过程，打开高温传热工质泵5，逐渐关闭高温储热罐旁路阀门6，并通过调节镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度升高至第三目标温度，传热工质温度的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在过热器8的进口传热工质温度高于出口蒸汽温度、且出口蒸汽压力不断增加的条件下，降低过热器8的进口传热工质和出口蒸汽的温差，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；
14.第六阶段为镜场1的定温运行阶段，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度保持不变；
15.在整个镜场停机阶段的控制方法为：
16.第一阶段，随着光照的减少，镜场1的出口传热工质的温度不断降低，打开高温储热罐旁路阀门6，经过高温储热罐旁路阀门6的传热工质流量的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在维持机组发电功率不变的条件下，降低高温传热工质泵5的传热工质
流量，第二层控制通过调节高温储热罐旁路阀门6，控制经过高温储热罐旁路阀门6的传热工质流量达到设定值；
17.第二阶段，镜场1的出口传热工质温度降至第二目标温度时，关闭高温储热罐旁路阀门6，并逐渐打开过热器旁路阀门7，经过过热器旁路阀门7的传热工质流量的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在维持机组发电功率不变的条件下，降低高温传热工质泵5的传热工质流量，第二层控制通过调节过热器旁路阀门7，控制经过过热器旁路阀门7的传热工质流量达到设定值；
18.第三阶段，镜场1的出口传热工质温度降低至第一目标温度时，关闭过热器旁路阀门7，打开再循环阀门2，启动电伴热系统，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制再循环流量，维持镜场1的传热工质温度高于凝固温度。
19.优选的，如果传热工质为熔融盐，则第一目标温度为280～300℃，第二目标温度为460～480℃，第三目标温度为550～560℃，如果传热工质为导热油，则第一目标温度为80～100℃，第二目标温度为260～280℃，第三目标温度为370～390℃。
20.优选的，第一层控制采用预测控制算法进行计算。
21.优选的，第二层控制采用前馈加反馈的控制算法控制低温传热工质泵13，而高温储热罐旁路阀门6和过热器旁路阀门7均采用pid反馈控制。
22.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
23.(1)本发明通过利用镜场启动过程中的低温传热工质，降低电加热器的功率，减少光热电站启动过程中的能量消耗；
24.(2)本发明通过在镜场的不同启停阶段合理设置镜场温度，可以有效降低镜场的散热损失，降低光热电站启停过程中的能量损失；
25.(3)本发明可以提高进入高温储热罐的传热工质温度，可以增加光热电站运行过程中的蒸汽温度，提高光热电站的运行效率。
附图说明
26.图1为光热电站的镜场启停控制系统构型示意图。
27.图中：1镜场、2再循环阀门、3高温储热罐进口阀门、4高温储热罐、5高温传热工质泵、6高温储热罐旁路阀门、7过热器旁路阀门、8过热器、9蒸汽发生器、10预热器、11低温储热罐、12低温储热罐出口阀门、13低温传热工质泵、14外置循环泵、15电加热器。
28.图2为启动过程中镜场出口传热工质的理论温度变化。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
30.一种光热电站的镜场启停系统，系统包括镜场1、再循环阀门2、高温储热罐进口阀门3、高温储热罐4、高温传热工质泵5、高温储热罐旁路阀门6、过热器旁路阀门7、过热器8、蒸汽发生器9、预热器10、低温储热罐11、低温储热罐出口阀门12、低温传热工质泵13、外置循环泵14、电加热器15；
31.所述的镜场1的出口分为四个支路，第一个支路通过再循环阀门2与低温传热工质泵13的进口相连接，第二个支路通过高温储热罐进口阀门3与高温储热罐4相连接，第三个
支路通过高温储热罐旁路阀门6与过热器8的传热工质进口相连接，第四个支路通过过热器旁路阀门7与蒸汽发生器9的传热工质进口相连接；高温储热罐4的传热工质出口与高温传热工质泵5的进口相连接，高温传热工质泵5的传热工质出口与过热器8的传热工质进口相连接；过热器8的传热工质出口与蒸汽发生器9的传热工质进口相连接，过热器8的蒸汽进口与蒸汽发生器9的蒸汽出口相连接；蒸汽发生器9的传热工质出口与预热器10的传热工质进口相连接，蒸汽发生器9的饱和水出口通过外置循环泵14与电加热器15相连接，蒸汽发生器9的给水进口与预热器10的给水出口相连接；预热器10的传热工质出口与低温储热罐11的传热工质进口相连接；低温储热罐11的传热工质出口与低温传热工质泵13的进口相连接，低温传热工质泵13的出口与镜场1的进口相连接。
32.所述的一种光热电站的镜场启动控制方法，控制方法采用分层控制技术，第一层控制用于控制设定值的优化，采用非线性预测控制算法进行优化，第二层控制的作用为通过调节控制量使被控量跟随设定值，采用前馈加反馈的控制算法进行控制，在整个镜场启动阶段的控制方法为：
33.第一阶段为镜场1的预热过程，在光照条件达到启动标准后，打开再循环阀门2和低温传热工质泵13，使镜场1运行在再循环模式，以提高镜场1的出口传热工质温度至第一目标温度，传热工质温度设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在镜场1的热应力不超过许用热应力的条件下，提高传热工质的升温速度，第二层控制则通过调节低温传热工质泵13的转速控制再循环流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；
34.第二阶段为镜场1的出口传热工质温度达到第一目标温度后，再循环阀门2逐渐关闭，低温储热罐出口阀门12和过热器旁路阀门7逐渐打开，传热工质开始进入蒸汽发生器9和预热器10，传热工质流量的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在维持蒸汽发生器9压力的条件下，降低电加热器15的功率，第二层控制则通过调节过热器旁路阀门7，控制进入蒸汽发生器9的传热工质流量达到设定值；
35.第三阶段为镜场1的传热工质升温过程，在电加热器15停止运行后，打开高温储热罐旁路阀门6，逐渐关闭过热器旁路阀门7，并通过调节镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度升高至第二目标温度，传热工质温度的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在镜场1的热应力不超过许用热应力、且镜场1的传热工质出口温度高于过热器8的出口蒸汽温度的条件下，提高传热工质的升温速度，第二层控制则通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；
36.第四阶段为镜场1的定温运行阶段，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度保持不变，并打开高温储热罐进口阀门3，高温传热工质开始进入高温储热罐4；
37.第五阶段为镜场1的传热工质升温过程，打开高温传热工质泵5，逐渐关闭高温储热罐旁路阀门6，并通过调节镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度升高至第三目标温度，传热工质温度的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在过热器8的进口传热工质温度高于出口蒸汽温度、且出口蒸汽压力不断增加的条件下，降低过热器8的进口传热工质和出口蒸汽的温差，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；
38.第六阶段为镜场1的定温运行阶段，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制进入镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度保持不变；
39.在整个镜场停机阶段的控制方法为：
40.第一阶段，随着光照的减少，镜场1的出口传热工质的温度不断降低，打开高温储热罐旁路阀门6，经过高温储热罐旁路阀门6的传热工质流量的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在维持机组发电功率不变的条件下，降低高温传热工质泵5的传热工质流量，第二层控制通过调节高温储热罐旁路阀门6，控制经过高温储热罐旁路阀门6的传热工质流量达到设定值；
41.第二阶段，镜场1的出口传热工质温度降至第二目标温度时，关闭高温储热罐旁路阀门6，并逐渐打开过热器旁路阀门7，经过过热器旁路阀门7的传热工质流量的设定值通过第一层控制进行优化，优化目标为：在维持机组发电功率不变的条件下，降低高温传热工质泵5的传热工质流量，第二层控制通过调节过热器旁路阀门7，控制经过过热器旁路阀门7的传热工质流量达到设定值；
42.第三阶段，镜场1的出口传热工质温度降低至第一目标温度时，关闭过热器旁路阀门7，打开再循环阀门2，启动电伴热系统，第二层控制通过调节低温传热工质泵13的转速控制再循环流量，维持镜场1的传热工质温度高于凝固温度。
43.对于第一层控制使用预测控制算法对设定值进行优化，具体计算步骤为：
44.(1)确定被控对象的动态特性，可以近似使用一个有限项卷积公式进行描述：
[0045][0046]
式中：y
m
(k+i)为第k+i时刻模型的输出量；u(k+i
‑
j)为第k+i
‑
j时刻模型的输入量；g
j
为模型参数；n为有限卷积的项数。
[0047]
(2)控制系统的期望输出是从本时刻实际输出出发，且向设定值光滑过渡的一条参考轨迹规定的，在k时刻的参考轨迹可由其在未来采样时刻的值来描述，它通常可取作一阶指数变化的形式：
[0048]
y
r
(k+i)＝y
m
(k)+[c
‑
y
m
(k)](1
‑
e
‑
it/τ
)
[0049]
式中：y
m
(k)为第k时刻模型的输出量；y
r
(k+i)为第k+i时刻的参考输出量；τ为参考轨迹的时间常数；i为第i个计算时刻；t为采样周期；c为参考轨迹的目标值。
[0050]
(3)k时刻的优化准则为使预测输出值y
f
尽可能接近参考输出量y
r
，并减少模型的输入量u的变化，这一优化性能指标可写作
[0051][0052]
式中：j(k)为k时刻的优化目标函数；u(k+j
‑
1)为第k+j
‑
1时刻模型的输入量；y
f
(k+i)为第k+i时刻预测输出值；f为优化时域；m为控制时域；q
i
和r
i
分别为非负权系数。
[0053]
(4)由于计算模型与实际物理过程存在误差，因此在构成预测输出值y
f
时，除了利用模型的输出量y
m
外，还附加了一个误差e，其一般形式为
[0054]
y
f
(k+i)＝y
m
(k+i)+he(k)
[0055]
式中：h为误差的加权补偿系数；e(k)为第k时刻的误差。
[0056]
(5)采用闭环预测的最优控制量的计算为
[0057][0058]
其中
[0059][0060][0061][0062][0063][0064][0065][0066]
式中：为由误差的加权补偿系数组成的向量；为由整个预测阶段的参考输出量y
r
组成的向量；为由所求的现时和未来的模型的输入量u组成的向量；为由k时刻以前的模型的输入量u组成的已知向量；是由模型参数g
i
组成的已知矩阵；是由非负权系数q
i
和r
i
构成的对角矩阵。
[0067]
闭环预测的最优控制量则作为第二层控制的设定值。
[0068]
第二层控制的任务为使被控量跟随设定值，对于镜场1的出口传热工质温度控制回路，具体控制策略为：
[0069]
本控制回路使用前馈加反馈的控制策略，反馈控制策略使用串级控制系统，主控制的任务为通过控制镜场1的传热工质流量，使镜场1的出口传热工质温度达到设定值；副控制的任务为通过控制低温传热工质泵13，控制镜场1的传热工质流量；前馈控制策略通过利用镜场1的稳态模型计算前馈控制量，提高控制系统的抗干扰能力，并在前馈控制的输出增加低通滤波器，以增加控制系统的动态性能。
[0070]
对于高温储热罐旁路和过热器旁路的传热工质流量控制回路，具体控制策略为：
[0071]
本控制回路使用反馈控制策略，通过调节高温储热罐旁路阀门6和过热器旁路阀门7，改变传热工质的流量，并将传热工质的实际流量与目标流量进行比较，误差值输入pid控制器进行调节，使传热工质的实际流量达到目标值，pid控制器的计算原理为
[0072][0073]
式中：e(t)为t时刻的误差；u(t)为t时刻的模型的输入量；k
p
、t
i
和t
d
分别为比例、积分和微分常数。
[0074]
通过使用本系统和方法，可以利用镜场启动过程中的低温传热工质，降低电加热器的功率，减少光热电站启动过程中的能量消耗，通过在镜场的不同启停阶段合理设置镜场温度，可以有效降低镜场的散热损失，降低光热电站启停过程中的能量损失，同时通过提高进入高温储热罐的传热工质温度，可以增加光热电站运行过程中的蒸汽温度，提高光热电站的运行效率。