槽式光熱電站發(fā)電模式運行切換分析

孫庫 于海洋

摘 要：分析了槽式光熱電站的基本運行模式以及各運行模式之間的正常切換、特殊切換要點，闡述了影響運行模式切換的因素和切換的安全性控制要點，為類似電站的運行方式設(shè)計提供了有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：槽式光熱電站;發(fā)電模式;切換時機

0 引言

我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，“十二五”期間實現(xiàn)了從實驗室級別發(fā)電到商業(yè)化運營電站發(fā)電的重大突破，初步建立了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。2015年9月，國家能源局下發(fā)了《關(guān)于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設(shè)的通知》，擬建設(shè)規(guī)模約1 000 MW的光熱示范電站。2016年9月，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》，公布了第一批20個太陽能熱發(fā)電示范項目，同期國家發(fā)改委發(fā)布了太陽能熱發(fā)電示范項目電價。

2018年10月，在國家第一批太陽能熱發(fā)電示范項目中，某公司50 MW槽式導(dǎo)熱油光熱項目宣布投運，但機組發(fā)電模式在切換過程中存在安全性、經(jīng)濟性方面的問題亟待解決。本文通過對光熱電站所在地理位置的氣象條件，電網(wǎng)、設(shè)備運行狀態(tài)等方面的有效分析，以提高光熱電站發(fā)電模式運行切換時機的精確度，提升機組運行安全性和經(jīng)濟性，滿足電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的需求。

1 發(fā)電模式切換概述

發(fā)電模式切換是槽式光熱電站在氣象條件突變、電網(wǎng)負(fù)荷指令變化、設(shè)備故障、日夜交替時，通過自動切換系統(tǒng)運行方式，以實現(xiàn)機組的安全、可靠、連續(xù)、穩(wěn)定運行，模式切換的時機選擇，可最大限度提升光熱電站的經(jīng)濟效益。

目前，國內(nèi)槽式光熱電站普遍采用7～9種發(fā)電模式，主要發(fā)電模式包括以下幾種：

（1）防凝運行模式：系統(tǒng)油溫低于規(guī)定值，通過輔助加熱方式，維持系統(tǒng)中油溫在正常范圍內(nèi)。

（2）太陽島獨立發(fā)電模式：太陽島集熱能力僅滿足發(fā)電需求，而集熱后油水換熱、蒸汽升溫后能常規(guī)發(fā)電。

（3）太陽島儲熱運行模式：太陽島集熱能力僅滿足常規(guī)發(fā)電或儲熱需求，依據(jù)常規(guī)系統(tǒng)情況和電網(wǎng)指令要求，機組旋轉(zhuǎn)熱備用的同時進行儲熱工作。

（4）太陽島和儲熱系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電運行模式：太陽島集熱能力不足，儲熱放熱能力滿足需求。采用太陽島集熱、儲熱放熱升溫，達到油水換熱、蒸汽參數(shù)滿足發(fā)電要求的目的。

（5）太陽島發(fā)電并儲熱運行模式：太陽島集熱能力同時滿足常規(guī)島發(fā)電和儲熱需求，根據(jù)電網(wǎng)指令要求匹配發(fā)電與儲熱負(fù)荷平衡。

（6）太陽島和加熱爐聯(lián)合運行模式：在機組正常發(fā)電或儲熱模式下，氣象條件突變，引起系統(tǒng)油溫大幅度波動或下降時，輔助加熱爐運行，確保系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定，設(shè)備安全、可靠運行。

（7）儲熱島放熱發(fā)電模式：白天隨著時間推移，夜晚來臨，太陽島集熱能力逐步降低，太陽島由集熱方式轉(zhuǎn)為防凝工況，儲熱系統(tǒng)由儲熱方式切換為放熱方式，并保持系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定，并根據(jù)電網(wǎng)指令及儲熱容量維持機組帶負(fù)荷運行。

2 發(fā)電模式切換

2.1? ? 正常模式切換

每日隨著太陽直接輻射量（DNI）穩(wěn)步上升，鏡場集熱能力逐漸增強，鏡場導(dǎo)熱油循環(huán)升溫后，達到機組啟動參數(shù)或滿足模式切換條件時，機組啟動或按照模式切換程序切換至太陽島與儲熱聯(lián)合發(fā)電，當(dāng)油溫升至355 ℃左右時，儲熱放熱系統(tǒng)逐漸退出運行，發(fā)電模式切換為太陽島獨立發(fā)電模式。正常切換（夏季工況）主要參數(shù)變化趨勢如圖1所示。

當(dāng)太陽直接輻射量大于550 W/m2后，機組導(dǎo)熱油流量基本達到設(shè)計出力，依據(jù)電網(wǎng)指令要求，在滿足機組負(fù)荷出力的基礎(chǔ)上，儲熱系統(tǒng)開始儲熱，發(fā)電模式切換為太陽島發(fā)電和熔鹽儲熱模式。當(dāng)集熱器跟蹤角度達到155°左右時，集熱器集熱能力逐步降低，鏡場導(dǎo)熱油循環(huán)流量逐步至太陽島獨立發(fā)電設(shè)計流量，儲熱系統(tǒng)退出運行，發(fā)電模式切換至太陽島獨立發(fā)電模式。隨著夜間來臨，當(dāng)集熱能力不足以滿足單獨發(fā)電需求時，儲熱系統(tǒng)開始放熱，切換至儲熱發(fā)電模式。夜間儲熱模式發(fā)電主要參數(shù)變化趨勢如圖2所示。

2.2? ? 特殊工況切換

國內(nèi)在運光熱電站基本處于干旱、缺水和沙塵天氣較多的地理位置，每日氣象條件多變，特殊工況主要參數(shù)變化趨勢如圖3所示，大風(fēng)、沙塵、暴雨天氣時，DNI波動幅度大，鏡場集熱能力穩(wěn)定性差，在此工況下，啟動導(dǎo)熱油加熱爐用于系統(tǒng)輔助補然作用，以保證系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定，滿足電網(wǎng)安全可靠運行要求。

白天由于太陽直接輻射量不足或氣象條件差（雨雪、陰天等）無法維持機組運行時，受導(dǎo)熱油、熔鹽物理特性條件所限，系統(tǒng)啟動純防凝模式，維持系統(tǒng)安全、可靠運行，確保導(dǎo)熱油和熔鹽介質(zhì)不凝固。

3 模式切換影響因素分析

3.1? ? 季節(jié)變化

光熱電站對于太陽輻射值的特殊需求，使得電站所處地理區(qū)域年度季節(jié)氣候差異較大，在不同季節(jié)時根據(jù)系統(tǒng)介質(zhì)溫度變化，調(diào)整發(fā)電模式切換時間，而如何準(zhǔn)確把握切換時機的關(guān)鍵在于分析歷年當(dāng)?shù)丶竟?jié)變化特點和在不同季節(jié)時光熱余弦效應(yīng)對鏡場集熱能力的影響，從而調(diào)整鏡場集熱器實施跟蹤角度，確保介質(zhì)參數(shù)在正常運行范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運行，以保證季節(jié)變化是的發(fā)電模式切換時機。

3.2? ? 氣象條件

氣象信息對于光熱電站發(fā)電能量的影響至關(guān)重要，如何提前預(yù)判氣象條件信息，通過對氣象信息分析得出有效結(jié)論后，根據(jù)結(jié)論需要對運行人員下達提前開始發(fā)電運行模式操作工作，以保證機組長周期安全可靠運行。

其次，由于氣象條件多變，在突發(fā)大風(fēng)、暴雨等惡劣天氣時，就需要利用機組系統(tǒng)設(shè)置的相關(guān)保護功能，確保系統(tǒng)、設(shè)備安全停運，避免發(fā)生設(shè)備損壞事件。

3.3? ? 電網(wǎng)調(diào)度

由于電網(wǎng)需求引起的汽輪機變負(fù)荷運行，在這種情況下的變負(fù)荷過程中需要調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油流量，不需要鏡場系統(tǒng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱油完全經(jīng)過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，實時根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷，適應(yīng)負(fù)荷曲線要求，適應(yīng)改變切換策略，進行模式切換操作。該種模式切換時，以保證電網(wǎng)安全為主。

3.4? ? 設(shè)備缺陷或故障

模式切換由于系統(tǒng)流場的改變，對于現(xiàn)場的設(shè)備運行狀態(tài)要求嚴(yán)格，模式切換需保證設(shè)備的穩(wěn)定性，否則容易造成切換過程中不安全事件的發(fā)生，因此切換前要檢查設(shè)備的穩(wěn)定性與安全性，確定切換的開始時間。

3.5? ? 控制策略

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定切換負(fù)荷、時間、設(shè)備運行方式等因素，模式切換時對重點參數(shù)要時刻監(jiān)視，若切換條件不滿足，切不可及時操作，造成不安全事件的發(fā)生。

3.6? ? 主要參數(shù)計量及精度

模式切換兼顧的參數(shù)較多，對于部分參數(shù)，由于系統(tǒng)流場的改變、表計的誤差，容易造成部分參數(shù)波動較大，影響模式切換時系統(tǒng)的安全運行。

4 結(jié)語

太陽能光熱發(fā)電可配備熔鹽儲熱系統(tǒng)，其具有與電網(wǎng)匹配性好、連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電和調(diào)峰發(fā)電能力強等特點，可以實現(xiàn)與常規(guī)能源系統(tǒng)的合理互補。發(fā)電模式的切換作為日常運行人員的頻繁操作項目，根據(jù)當(dāng)日機組運行參數(shù)進行綜合判斷和分析，得出最佳切換時機，以滿足機組的長周期、安全、經(jīng)濟運行。

[參考文獻]

[1] 羅智慧，龍新峰.槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力設(shè)備，2006，7（11）：29-32.

[2] 張耀明，王軍，張文進，等.聚光類太陽能熱發(fā)電概述[J].太陽能，2006（1）：39-41.

[3] 孔祥兵，陳小安，吳國洋，等.槽式太陽能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2013（2）：121-126.

收稿日期：2020-01-04

作者簡介：孫庫（1981—），男，青海人，工程師，研究方向：光熱發(fā)電生產(chǎn)運維。