槽式DSG 型熱發電技術綜述

劉偉龍，劉建平，谷俊和，林 巖，董建勛，吳 巖

(1．華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京 102206;2．中電投蒙東能源集團有限責任公司，內蒙古 通遼 028000)

0 引言

在傳統化石能源面臨枯竭、環境污染成為影響人類生存的重要威脅的今天，清潔且相對而言無可限量的太陽能日益引發人們的廣泛關注。太陽作為一個直徑7 ×105km 的球形核反應堆，不斷地發射出巨大的輻射能(約為3．8 × 1023kW)［1］。光熱發電技術就是利用聚光技術將地表接收到的低密度太陽能聚集起來轉化為工作介質的熱能，再通過熱力循環將其轉化為電能的技術。根據聚光技術的不同，光熱發電技術也可以分為槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式4 類。

與塔式、碟式和線性菲涅爾式太陽能熱發電技術相比，槽式太陽能熱發電技術是目前世界上最成熟的也是目前唯一實現商業化運行的太陽能熱發電技術。槽式太陽能熱發電技術的優勢在于系統結構緊湊，容易實現標準化，適合批量生產，用于聚焦太陽光的槽式拋物面聚光器加工簡單，制造成本較低，系統容量可大可小，安裝維修比較方便，跟蹤控制代價比較低。因此其成本較低，建設成本約為3．6 $·W-1，發電成本約為0．15～0．26 $·(kW·h)-1［2］。這正是該技術最早實現商業化的原因所在。

槽式太陽能集熱器按蒸汽產生系統的不同可以分為雙循環回路蒸汽發生系統與直接蒸汽發生系統。直接蒸汽發生系統(DSG，Direct Steam Generation)由于制造和運營成本更低，電站整體配置更加簡單，整體效率更高，成為槽式技術的重要發展方向。

1 槽式DSG 技術系統構成和工作方式

如圖1 所示，槽式太陽能熱發電系統通常包括以下5 個子系統:

圖1 過熱蒸汽和飽和蒸汽發生系統

聚光集熱子系統。是系統的核心，由槽式拋物面反光鏡、接收器和跟蹤裝置構成。跟蹤方式通常為一維跟蹤，包括南北跟蹤和東西跟蹤。

換熱子系統。由預熱器、蒸汽發生器、過熱器組成。水經過預熱器、蒸發器，在過熱器中產生過熱蒸汽進入汽輪發電子系統發電。

發電子系統。基本組成與常規發電設備類似，但需要配置一種專用控制裝置用于太陽能加熱系統與輔助能源系統之間的切換。

蓄熱子系統。在夜間情況下太陽能熱發電系統可以依靠熱儲能系統儲存的能量維持系統正常運行一定的時間。

輔助能源子系統。在夜間、陰天或其他無太陽光照射的情況下可以采用輔助能源為系統供熱。

槽式DSG 系統既可以產生飽和蒸汽也可以產生過熱蒸汽。過熱蒸汽需要在分離器后加上過熱段來產生。而飽和蒸汽從蒸發器出來達到溫度下的飽和壓力就可以進入發電子系統。

產生過熱蒸汽的目的是提高朗肯循環的吸熱溫度以提高循環效率。但與此同時，集熱場的熱損失也增加了。有研究表明，在給定的邊界條件下，全廠效率會有所提高。另一方面，由于集熱場配置簡單和運行經驗豐富，近期來說小容量電站中飽和蒸汽模式也是一種很有前景的選擇。它主要的好處在于當處于滑壓運行模式時，因為汽水分離器可以起到小容量儲熱系統的作用，它可以克服短時間云層遮擋對集熱器的影響。DISS 項目的試驗結果表明，對于5 MW 的電站而言飽和模式的DSG 電站的年發電量要高出4%，但投資也會由于動力系統的復雜性高出5%［3］。

2 槽式DSG 技術的傳統運行模式及改進

太陽能直接蒸汽發生系統的工質一般有3 種運行模式，如圖2 所示。

表1 是這3 種模式的優缺點比較［4］。

(1)一次通過模式:注入吸收管內的水依次通過集熱器，經過預熱、蒸發、過熱3 個階段最終被加熱成過熱蒸汽。

(2)再循環模式:太陽能集熱系統包括蒸發段和過熱段，工質過冷水以較高的流速流經集熱器場的蒸發段部分產生濕蒸汽，在蒸發部分末端產生汽液兩相流，進入蒸發部分末端的汽水分離器進行汽水分離，未蒸發的水經再循環泵送入到集熱器的入口。分離出的蒸汽進入過熱段進一步被加熱至所需溫度。

(3)逐次注入模式:太陽能集熱系統由多個不同集熱器單元組成，在每個單元末端都有一個測量裝置，集熱管內工質水在每個單元的入口被注入到吸收管中，經太陽能集熱器場進行加熱，能夠使工質在沿途中只產生過熱的蒸汽。

傳統槽式DSG 系統采用水作為傳熱工質，水在集熱器吸收管中被加熱，發生相變傳熱，由于重力作用氣液在管內呈現非均勻分布。如對流速控制不當，易出現分層現象。集熱管中易出現的幾種典型流態如圖3 所示［5］。

圖2 DSG 工質運行模式

表1 傳統運行模式的優缺點比較

圖3 水平管中的典型流態

而其中只有環狀流可以使管壁得到充分冷卻從而避免熱流密度不均引起的熱應力導致的吸收管彎曲變形。這種變形可能進一步引發玻璃套管的破裂從而使集熱管偏離聚焦線造成集熱器的損壞。

針對該問題，華北電力大學在槽式DSG 再循環模式與燃煤機組互補系統的基礎上做了系統改進，提出了擴容蒸發式太陽能蒸汽發生系統(VEESG，Volume Expanding Evaporative Steam Generation)［6］。如圖4 所示，即用擴容蒸發器代替汽水分離器引入到系統中，擴容蒸發器中產生溫度較高的疏水不再是經再循環泵進入集熱系統入口，而是輸送到回熱系統，這可保證水加熱段和蒸汽過熱段工質的單向流動，此狀態流型簡單，管內工質的傳熱流動穩定，系統出口過熱蒸汽參數易于控制，從而消除了兩相流帶來的隱患。

圖4 擴容蒸發式太陽能蒸汽發生系統

3 槽式DSG 技術的發展史

3.1 起始階段

實際上，DSG 技術是最早發展的槽式太陽能發電技術。早在1870 年，美國紐約John Ericsson使用了一個開口寬度為3．5 m2槽式聚光器驅動一個373 W 的發動機，由此拉開了槽式光熱發電技術的大幕。1912 年，Frank Shuman 在埃及的Meadi，使用了5 個62 ×4 m 的槽式聚光器去驅動一個40 kW 的蒸汽機，蒸汽機帶動泵用于灌溉［7］。

3.2 80 年代的復興

1982-1988 年，在美國的Barstow 興建的10 MW 的solar one 項目，工作溫度可達到425 ℃，為一次通過式，帶有容量為4 h 的儲熱裝置［8］。

3.3 90 年代的發展

1999 年，一條700 m 長的試驗回路在西班牙Plataforma Solar de Almeria 建成。在超過10 000 h小時的運行時間里，蒸汽參數達到了100 bar，400 ℃。為了使吸收管適應DSG 系統的高壓，還需對其進行進一步的研究［9］。

第一個商業化運行的槽式DSG 電站正在泰國的Kanchanaburi 建設。這是一個由位于杜克維茲的Solarlite 公司和泰國太陽能源公司建設的一個5 MW的電站，并將在第二期擴展到9 MW。發出的電將會被送到公用電網上。集熱場包括12 個預熱回路和7 個過熱回路，可以產生過熱蒸汽。再循環和逐次注入模式都將被應用到該系統中。試驗發現，即使在太陽直射輻射(DNI)波動的情況下，兩種方式的聯合也能夠使得過程參數更容易控制。再循環模式能夠保證吸熱管充分冷卻且系統壓力穩定。逐次注入模式能夠使過熱蒸汽溫度更穩定。該電站使用濕冷技術。運行參數為330 ℃，30 bar。動力系統部分效率可達到26%。為了承受更大壓力，吸收管管壁比間接換熱的雙回路系統稍厚［10］。

3.4 最新進展

2012 年12 月25 日，第一個過熱模式的槽式DSG 太陽能電站——由Solarlite 公司興建的位于泰國的5 MW 的TSE-1 項目正式并網發電，工作溫度340 ℃，工作壓力34 bar。在建的TSE2 工作壓力將會達到40 bar，工作溫度將達到400 ℃［11］。

2011 年3 月1 日至2014 年4 月30 日，德國空間研究中心(DLR)，Solarlite 和CIEMAT 聯合建設的DUKE 項目正在建設中，目的是為了在真實的日照條件下研究一次通過模式［12］。

表2 是世界上進行DSG 項目建設的一些知名公司。

表3 是上世紀90 年代以來槽式DSG 技術發展中的一些代表性項目。

表2 經營直接蒸汽發生技術的主要企業

表3 典型槽式直接蒸汽發生技術太陽能發電系統項目

4 槽式DSG 技術優勢及發展瓶頸

4.1 技術優勢

(1)效率高

這主要是由于較雙回路系統省去中間換熱環節，減少換熱環節的熱損失。且在大部分吸熱管中進行的是沸騰過程，這個過程的工作溫度較低。只有少部分進行過熱過程的管道才會達到較高的工作溫度，因此使用蒸汽作為傳熱工質可以降低吸收管內的流體的平均溫度(即使在終參數較高時也是如此)，由此可以降低傳熱溫差和熱損失。綜上，槽式DSG 系統的終參數較高，理論上蒸汽參數可以達到550 ℃，120 bar，而間接換熱的雙回路系統由于導熱油在高溫下會分解只能達到400 ℃，100 bar。2011 年，DLR 將一條測試環路集成到位于西班牙Carboneras 的某電廠中，這條測試環路中的工作溫度達到了550 ℃［13］。

(2)成本低

由于太陽能集熱場和朗肯循環的工質為一種，節省了油水換熱設備，也無需建設導熱油防火系統、儲油罐，且導熱油本身價格昂貴。根據有關研究，在一定邊界條件下的DSG 系統的均化發電成本(LCOE，Levelized Cost of Electricity，每發一度電的成本)可以比雙循環回路蒸汽發生系統低10%［14］。

(3)安全性高

雙回路系統采用導熱油或熔鹽作為吸熱工質，導熱油的滲漏會造成環境污染，尤其在高溫下，易引起火災，存在安全隱患，DSG 系統由于水的天然物理性質，則不存在這方面風險且水的腐蝕性比熔鹽小，凝固點比熔鹽低得多，甚至比導熱油稍低一點，因此防凍措施所花費的代價可以大大降低。

4.2 發展瓶頸

雖然光熱槽式DSG 發電技術擁有諸多優點，但在其已經投入商業運行的今天，要想使這種技術在與傳統火力發電的競爭中勝出，還需要在以下幾方面做出努力。

(1)關鍵技術的突破

槽式熱發電系統的核心部件是高精度拋物型聚光鏡和金屬玻璃真空管集熱器件。由于金屬管壁的運行溫度通常在400 ℃以上，故選擇性涂層的穩定性、高真空的保持及玻璃與金屬管的封接等都是工藝上較難的課題。另外由于吸熱管需要承受更大的壓力，集熱器需要作出一定的改造。此外，聚光鏡、吸熱器、跟蹤系統、儲熱材料、太陽能熱機的工藝水平也還需要進一步的提高。

(2)太陽能的間歇性問題

如果太陽能發電站沒有儲熱系統，那么它只能在有太陽輻射的時候發電。這就意味著它的容量因子會很低。在有理想輻照條件的地區槽式太陽能電站也只能達到每年2 000 h 的滿負荷運行時長。儲熱系統可以將白天從集熱場收集的太陽能儲存并在日落后送出。目前的槽式DSG 系統還沒有商業上可用的大型儲熱系統。只有一些容量較小的儲熱系統在產生飽和蒸汽的DSG 系統中得到了應用。大型的儲熱系統必須是模塊化的，在預熱和過熱段使用顯熱儲熱模塊，在蒸發段使用潛熱儲熱模塊。DLR 正在上文提到的Carboneras 的示范項目中使用該方法測試某儲熱系統［15］。

增大容量因子的另一個可行方案是將備用鍋爐和加熱器集成到動力系統以彌補部分不足的太陽能。這種系統可以減小輸出功率的峰谷差，使控制變得更加容易，可以消除云層遮擋、夜間和白天的輻照變化帶來的不穩定，根據負荷需要發電。因此對電網的穩定也是有利的。此外，備用的加熱器如果頻繁用于以額定功率運行的電站，能夠提高動力部分的效率。該系統還可以快速引進到輻照條件好的盛產石油和天然氣的國家。燃料鍋爐可以利用各種燃料:天然氣、煤、生物質、垃圾。但是氣體和液體燃料相對固體燃料更適合于這種系統。因為使用氣體和液體燃料的系統控制的響應速度更快更能適應輻照強度的瞬變特性。有關研究表面相對于雙回路間接蒸汽發生系統，DSG 系統與常規化石能源的集成成本更低。

(3)太陽輻射的不穩定性

為了適應輻射強度的不穩定性，制造可輸出功可變化的專用透平機械。槽式和塔式太陽能熱發電系統，由于其規模、容量比較大，系統參數與常規化石能源發電相當，因此可以使用為煤炭和天然氣發電開發的超臨界透平機械。美國奧斯拉公司創造性地使用原子能工業中的飽和蒸汽汽輪機技術。由于核工業用的汽輪機能夠處理不同壓力的蒸汽，不需使用過熱級，因此系統可以承受陰云天氣下太陽時隱時現造成的波動，省去價格昂貴的控制系統，也不需要使用化石能源輔助發電，使得系統發電過程大為簡化。

(4)更好的運行調度

大容量的儲熱系統是延長運行時間的保證，發展基于氧化還原對和金屬氧化物的熱化學儲熱系統是其中的一個重要發展方向。更準確的電廠模擬模型和天氣預報工具對更好地預測電力生產也會起到積極作用。

(5)控制問題

集熱場的控制比在間接蒸汽發生系統中困難得多。該問題對于過熱蒸汽發生系統特別突出。在位于Plataforma Solar de Almería 的DISS 項目中，3 種產生過熱蒸汽的運行模式得到了比較和評估。再循環模式被證明是DSG 系統中最合適的方式。集熱場中蒸發段和過熱段被一個分離器隔開，這就使蒸發段和過熱段的流態不確定性得以避免。穩定的蒸發和過熱段可以減小吸收管承受的熱應力，使集熱器運行得更安全。

(6)提高效率

提高工作參數是提高熱力循環效率最直接的方法。主要包括提高工作壓力和工作溫度。由于集熱場中流體的流動環路和動力循環之間是相通的，集熱場中的工質就具有蒸汽的壓力，因此吸收管中工質的壓力難以提高，這也是DSG 技術很長時間內沒有在槽式技術中得到廣泛應用的一個原因。為了達到更高的工作溫度，需要能夠聚焦更高能量密度(1 MW·m-2)的新材料，發展允許更高工作溫度的新型工質，如水、壓縮二氧化碳或氮氣。

(7)降低成本

這有賴于兩方面的努力:一是關鍵部件生產過程和技術上的提高，例如，更好的設計定日鏡、拋物線槽式聚光器以減少制造和安裝該部件所需的勞動力。二是降低運行和維護成本，例如，制造出維護費用更低廉、更耐用的反光鏡、吸熱管、球形關節等部件。光熱發電遵循著規模越大成本越低的規律，目前業界普遍認可的規模是1 000 MW，屆時發電成本能降低至0．7 ￥ ·(kW·h)-1到0．8￥·(kW·h)-1。

(8)環境友好

雖然DSG 型槽式技術避免了導熱油等有機工質對環境的污染，但是輻照條件好的地方往往面臨著水源短缺的問題，因此發展耗水量小的空冷太陽能電廠是非常必要的。與常規的濕冷相比，利用冷空氣在空冷式換熱器中作為冷凝劑，需要大面積風扇驅動冷空氣流經散熱器將蒸汽冷凝為水，這個過程會產生額外費用，降低發電廠的效率，然而由于缺乏足夠的水或者是受區域供水情況的限制不得不將電廠用水量降至最低。

(9)融入區域輸電網絡

大規模生產太陽能熱電最好的地方都是遠離人煙的偏僻之地，而那里恰恰沒有大型輸電線路。要把太陽能熱電廠生產的電力從沙漠送到幾百km外的需求中心，就需要修建跨省電網。新建大型電力傳輸線路造價昂貴，每英里超過100 萬美元。由于太陽能的間歇性，只有太陽光最強的時候，太陽能熱電廠才有最大產量，因此專用于太陽能熱電廠的輸電線路將經常處于閑置狀態，不能得到充分利用。

5 槽式DSG 技術在我國面臨的主要問題和解決途徑

5.1 主要問題

我國有荒漠面積100 多萬km2，主要分布在光照資源豐富的西北地區。在這些地區建設槽式太陽能電站對我國的電力建設、環境保護、甚至于能源結構都具有深遠的戰略意義。

在我國，阻礙槽式DSG 技術大規模推廣應用除了前面所述的技術性問題以外，缺乏政策支持也是一個重要方面。雖然國家明確表示對經營光熱電站的企業給予補貼，但補貼細則沒有具體化，這在一定程度上削弱了企業進行技術研發的熱情與積極性。由于建設太陽能熱發電站的資金投入量很大，建設周期長，面臨著太多不確定性，在缺乏國家相關政策和財力支持的情況下，商業資金就不會過多的流入太陽能熱發電領域。美國的風能和太陽能在高油價、高補貼的年代迅速繁榮，而在高油價消失、補貼不再時崩潰。太陽能和風能的發展歷程再次強調了長期政策的必要性。另外，上網電價不確定，太陽能熱發電站的建設就不會大規模展開。因此，太陽能熱發電要健康快速發展，國家必須發布熱電標桿電價，并出臺政府補貼政策。

5.2 對國內槽式技術發展的建議

除了在政策層面支持引導國內光熱產業發展以外，積極引進、消化、吸收國外先進技術是槽式光熱技術國產化的必由之路。槽式太陽熱發電系統的關鍵設備和核心技術是槽式集熱器的生產制造。技術引進的重點是聚光鏡和集熱管的生產與集成。在落實這項工作中需要著眼于以下幾個方面:

引進技術要引進已經實用的基本成熟的技術，以及那些有發展前景的、對系統性能有重大影響的關鍵技術，如DSG 技術、聯合循環發電技術，熱能儲存技術等。

引進消化吸收再創新工作要著眼于兩個方面:一是設計技術，二是制造技術，即槽式熱發電系統的設計與建設施工和關鍵設備的生產制造。

引進技術并不是原封不動地照搬外國產品，要與外方聯合設計，使之更加適合我國國情。如槽式系統的機械裝置比較重，抗風能力較差，而我國陽光富足地區往往多風、大風甚至沙塵暴頻起，要在我國應用必須改變或加強反射鏡的支撐結構，以增加槽式系統的抗風性能。

組織國內條件較好的企業，聯合科研單位和高校，選擇國外技術合作伙伴，有步驟、有計劃地在引進技術和裝備的基礎上，消化吸收實現自主創新，促進形成我國太陽能熱發電產業并具有一定的自主創新和持續發展能力。

以捆綁招標和技貿結合的方式確保核心技術的引進。在招標文件中明確提出投標者必須同意與中國制造企業聯合設計、合作制造以及必須向中國制造企業全面或部分轉讓核心技術等要求。外國企業不僅要向中方提供設計、制造、檢測、試驗、調試技術資料和制造工藝設備，還要對中方員工進行全面技術培訓。

6 結論

現階段運行的光熱DSG 型槽式熱發電技術較雙回路的槽式熱發電技術在安全性上有很大優勢，同時成本降低的空間也很大，是光熱技術未來發展的主流方向之一。但是大多是沒有儲熱系統或者儲熱系統容量較小的間歇性發電的太陽能電站會對電網造成沖擊，因此從長期發展來看，發展大容量的儲熱系統以及與現有的火力發電廠集成互補是解決該問題的重要方向。目前有利可圖的光熱發電技術多是由于從政府得到了大量補貼，但可以預想，這種補貼在未來必然大幅降低，投資者也會因為高昂的成本和較長的回收期而對該領域望而卻步，因此該技術的發展不僅要靠技術的進步，同時從國家政策層面的支持也是必不可少的。

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