槽式光熱電站發(fā)電模式運(yùn)行切換分析

孫庫(kù) 于海洋

摘 要：分析了槽式光熱電站的基本運(yùn)行模式以及各運(yùn)行模式之間的正常切換、特殊切換要點(diǎn)，闡述了影響運(yùn)行模式切換的因素和切換的安全性控制要點(diǎn)，為類(lèi)似電站的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)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(shí)機(jī)

0 引言

我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，“十二五”期間實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室級(jí)別發(fā)電到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)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(guó)家能源局下發(fā)了《關(guān)于組織太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)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(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》，公布了第一批20個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，同期國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目電價(jià)。

2018年10月，在國(guó)家第一批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，某公司50 MW槽式導(dǎo)熱油光熱項(xiàng)目宣布投運(yùn)，但機(jī)組發(fā)電模式在切換過(guò)程中存在安全性、經(jīng)濟(jì)性方面的問(wèn)題亟待解決。本文通過(guò)對(duì)光熱電站所在地理位置的氣象條件，電網(wǎng)、設(shè)備運(yùn)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(yùn)行切換時(shí)機(jī)的精確度，提升機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性，滿(mǎn)足電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，通過(guò)自動(dòng)切換系統(tǒng)運(yùn)行方式，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全、可靠、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，模式切換的時(shí)機(jī)選擇，可最大限度提升光熱電站的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國(guó)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(yùn)行模式：系統(tǒng)油溫低于規(guī)定值，通過(guò)輔助加熱方式，維持系統(tǒng)中油溫在正常范圍內(nèi)。

（2）太陽(yáng)島獨(dú)立發(fā)電模式：太陽(yáng)島集熱能力僅滿(mǎn)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(yáng)島儲(chǔ)熱運(yùn)行模式：太陽(yáng)島集熱能力僅滿(mǎn)足常規(guī)發(fā)電或儲(chǔ)熱需求，依據(jù)常規(guī)系統(tǒng)情況和電網(wǎng)指令要求，機(jī)組旋轉(zhuǎn)熱備用的同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)熱工作。

（4）太陽(yáng)島和儲(chǔ)熱系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行模式：太陽(yáng)島集熱能力不足，儲(chǔ)熱放熱能力滿(mǎn)足需求。采用太陽(yáng)島集熱、儲(chǔ)熱放熱升溫，達(dá)到油水換熱、蒸汽參數(shù)滿(mǎn)足發(fā)電要求的目的。

（5）太陽(yáng)島發(fā)電并儲(chǔ)熱運(yùn)行模式：太陽(yáng)島集熱能力同時(shí)滿(mǎn)足常規(guī)島發(fā)電和儲(chǔ)熱需求，根據(jù)電網(wǎng)指令要求匹配發(fā)電與儲(chǔ)熱負(fù)荷平衡。

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

（7）儲(chǔ)熱島放熱發(fā)電模式：白天隨著時(shí)間推移，夜晚來(lái)臨，太陽(yáng)島集熱能力逐步降低，太陽(yáng)島由集熱方式轉(zhuǎn)為防凝工況，儲(chǔ)熱系統(tǒng)由儲(chǔ)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(chǔ)熱容量維持機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行。

2 發(fā)電模式切換

2.1? ? 正常模式切換

每日隨著太陽(yáng)直接輻射量（DNI）穩(wěn)步上升，鏡場(chǎng)集熱能力逐漸增強(qiáng)，鏡場(chǎng)導(dǎo)熱油循環(huán)升溫后，達(dá)到機(jī)組啟動(dòng)參數(shù)或滿(mǎn)足模式切換條件時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)或按照模式切換程序切換至太陽(yáng)島與儲(chǔ)熱聯(lián)合發(fā)電，當(dāng)油溫升至355 ℃左右時(shí)，儲(chǔ)熱放熱系統(tǒng)逐漸退出運(yùn)行，發(fā)電模式切換為太陽(yáng)島獨(dú)立發(fā)電模式。正常切換（夏季工況）主要參數(shù)變化趨勢(shì)如圖1所示。

當(dāng)太陽(yáng)直接輻射量大于550 W/m2后，機(jī)組導(dǎo)熱油流量基本達(dá)到設(shè)計(jì)出力，依據(jù)電網(wǎng)指令要求，在滿(mǎn)足機(jī)組負(fù)荷出力的基礎(chǔ)上，儲(chǔ)熱系統(tǒng)開(kāi)始儲(chǔ)熱，發(fā)電模式切換為太陽(yáng)島發(fā)電和熔鹽儲(chǔ)熱模式。當(dāng)集熱器跟蹤角度達(dá)到155°左右時(shí)，集熱器集熱能力逐步降低，鏡場(chǎng)導(dǎo)熱油循環(huán)流量逐步至太陽(yáng)島獨(dú)立發(fā)電設(shè)計(jì)流量，儲(chǔ)熱系統(tǒng)退出運(yùn)行，發(fā)電模式切換至太陽(yáng)島獨(dú)立發(fā)電模式。隨著夜間來(lái)臨，當(dāng)集熱能力不足以滿(mǎn)足單獨(dú)發(fā)電需求時(shí)，儲(chǔ)熱系統(tǒng)開(kāi)始放熱，切換至儲(chǔ)熱發(fā)電模式。夜間儲(chǔ)熱模式發(fā)電主要參數(shù)變化趨勢(shì)如圖2所示。

2.2? ? 特殊工況切換

國(guó)內(nèi)在運(yùn)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(shì)如圖3所示，大風(fēng)、沙塵、暴雨天氣時(shí)，DNI波動(dòng)幅度大，鏡場(chǎng)集熱能力穩(wěn)定性差，在此工況下，啟動(dòng)導(dǎo)熱油加熱爐用于系統(tǒng)輔助補(bǔ)然作用，以保證系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定，滿(mǎn)足電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行要求。

白天由于太陽(yáng)直接輻射量不足或氣象條件差（雨雪、陰天等）無(wú)法維持機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受導(dǎo)熱油、熔鹽物理特性條件所限，系統(tǒng)啟動(dòng)純防凝模式，維持系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)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(duì)于太陽(yáng)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(shí)根據(jù)系統(tǒng)介質(zhì)溫度變化，調(diào)整發(fā)電模式切換時(shí)間，而如何準(zhǔn)確把握切換時(shí)機(jī)的關(guān)鍵在于分析歷年當(dāng)?shù)丶竟?jié)變化特點(diǎn)和在不同季節(jié)時(shí)光熱余弦效應(yīng)對(duì)鏡場(chǎng)集熱能力的影響，從而調(diào)整鏡場(chǎng)集熱器實(shí)施跟蹤角度，確保介質(zhì)參數(shù)在正常運(yùn)行范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行，以保證季節(jié)變化是的發(fā)電模式切換時(shí)機(jī)。

3.2? ? 氣象條件

氣象信息對(duì)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(guò)對(duì)氣象信息分析得出有效結(jié)論后，根據(jù)結(jié)論需要對(duì)運(yùn)行人員下達(dá)提前開(kāi)始發(fā)電運(yùn)行模式操作工作，以保證機(jī)組長(zhǎng)周期安全可靠運(yùn)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(shí)，就需要利用機(jī)組系統(tǒng)設(shè)置的相關(guān)保護(hù)功能，確保系統(tǒng)、設(shè)備安全停運(yùn)，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(jī)變負(fù)荷運(yùn)行，在這種情況下的變負(fù)荷過(guò)程中需要調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油流量，不需要鏡場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱油完全經(jīng)過(guò)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(jìn)行模式切換操作。該種模式切換時(shí)，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(chǎng)的改變，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)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(guò)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(kāi)始時(shí)間。

3.5? ? 控制策略

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定切換負(fù)荷、時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行方式等因素，模式切換時(shí)對(duì)重點(diǎn)參數(shù)要時(shí)刻監(jiān)視，若切換條件不滿(mǎn)足，切不可及時(shí)操作，造成不安全事件的發(fā)生。

3.6? ? 主要參數(shù)計(jì)量及精度

模式切換兼顧的參數(shù)較多，對(duì)于部分參數(shù)，由于系統(tǒng)流場(chǎng)的改變、表計(jì)的誤差，容易造成部分參數(shù)波動(dòng)較大，影響模式切換時(shí)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電可配備熔鹽儲(chǔ)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(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與常規(guī)能源系統(tǒng)的合理互補(bǔ)。發(fā)電模式的切換作為日常運(yùn)行人員的頻繁操作項(xiàng)目，根據(jù)當(dāng)日機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合判斷和分析，得出最佳切換時(shí)機(jī)，以滿(mǎn)足機(jī)組的長(zhǎng)周期、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 羅智慧，龍新峰.槽式太陽(yáng)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(jìn)，等.聚光類(lèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電概述[J].太陽(yáng)能，2006（1）：39-41.

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

收稿日期：2020-01-04

作者簡(jiǎn)介：孫庫(kù)（1981—），男，青海人，工程師，研究方向：光熱發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)維。