太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)及主要技術(shù)特點(diǎn)分析與研究

王健強(qiáng)，祝昌貴，張書啟

（中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000）

隨著環(huán)保理念逐漸深入人心，人們越來越注重保護(hù)環(huán)境。現(xiàn)今國家加大力度保護(hù)各種不可再生資源，開始探索利用可再生資源的技術(shù)，太陽能就現(xiàn)今而言，開發(fā)前景十分廣闊，目前太陽能憑借高效、環(huán)保、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的存在，較其他能源有較多的優(yōu)勢，深受人們的青睞，隨著環(huán)保意識(shí)的提高，人們對可持續(xù)利用的能源研究力度加大，太陽能是其中的重點(diǎn)關(guān)注對象。在現(xiàn)今階段，光熱發(fā)電技術(shù)得到了大力發(fā)展推行，由于技術(shù)原因光熱發(fā)電仍存在不足，主要的關(guān)注重點(diǎn)是如何提升光熱轉(zhuǎn)換效率，通過前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱功能轉(zhuǎn)換效率對光電轉(zhuǎn)換效率影響效果較為嚴(yán)重，在此加大對動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的研究，尤其是核心設(shè)備汽輪機(jī)的技術(shù)進(jìn)行研究探索，對太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的未來發(fā)展有重要意義。

1 太陽能光熱發(fā)電技術(shù)簡述

太陽能光熱發(fā)電是新能源利用的一個(gè)重要方向，主要是通過大規(guī)模的陣列拋物或者碟形鏡面將太陽能收集到集熱裝置中，對集熱介質(zhì)進(jìn)行加熱完成光熱轉(zhuǎn)換，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合汽輪機(jī)工藝做功，從而完成發(fā)電。采用太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，可以代替硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，減少成本花費(fèi)。另外，此種方式還具有一個(gè)較大的優(yōu)勢，較其他能量轉(zhuǎn)換方式更便于使用，通過太陽能光熱發(fā)電技術(shù)可以利用太陽能，并將燒熱的水做好儲(chǔ)存工作，確保即使太陽落山后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)汽輪機(jī)仍能繼續(xù)發(fā)電。

通常按照熱量的收集方式，將太陽能光熱發(fā)電分為三種類型即槽式、塔式、碟式三種系統(tǒng)。目前，大部分商用化的太陽能光熱發(fā)電裝置都采用汽輪機(jī)作為動(dòng)力循環(huán)裝置。太陽能發(fā)電中光電轉(zhuǎn)換效率是最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，熱功轉(zhuǎn)換效率在一定的聚光比下，會(huì)隨著集熱溫度的增加而增加，但集熱效率會(huì)隨之下降，所以在一定的聚光比和集熱溫度下，提高熱功的轉(zhuǎn)換效率，對于提高太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)效率有深遠(yuǎn)影響，想要提高熱功轉(zhuǎn)換效率，這需要汽輪機(jī)制造技術(shù)的支持才可實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)注重汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)而提升汽輪機(jī)的制造水平。

2 近年來太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的發(fā)展簡介

太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)是工業(yè)汽輪機(jī)在太陽能發(fā)電領(lǐng)域的具體應(yīng)用，近年來隨著光熱發(fā)電技術(shù)和汽輪機(jī)技術(shù)的逐漸成熟得到了很大的發(fā)展。現(xiàn)今國內(nèi)外對太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的研究不斷加強(qiáng)，這些研究促進(jìn)了汽輪機(jī)技術(shù)的改進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展。世界上第一個(gè)太陽能光熱發(fā)電站是SEGS，它的光熱電站的汽輪機(jī)供貨商主要以GE、西門子和MAN公司為主。目前國內(nèi)的許多高校和科研單位也針對汽輪機(jī)設(shè)計(jì)方法和熱力系統(tǒng)優(yōu)化方面進(jìn)行鉆研。

3 太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 太陽能光熱發(fā)電對汽輪機(jī)的要求

太陽能環(huán)保高效，取之不盡，但也會(huì)受到許多因素的制約，如晝夜變化、氣候問題、雨雪天氣等，所以為了提高汽輪機(jī)的使用效果，光熱發(fā)電技術(shù)對汽輪機(jī)提出了以下方面的要求：第一是啟動(dòng)的速度，不能啟動(dòng)時(shí)間太長；第二是汽輪機(jī)要具備頻發(fā)啟停以及快速變負(fù)荷的能力；第三是可以保持連續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)；第四要保證運(yùn)行效率還需要確保及其安全運(yùn)行；第五是控制系統(tǒng)要靈活方便，便于控制運(yùn)行；第六是需要具備與集中式發(fā)電項(xiàng)適宜的高容量儲(chǔ)存能力。同時(shí)，為了滿足對于各種運(yùn)行狀態(tài)的需要，太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電汽輪機(jī)對技術(shù)方面的要求有所不同，有自身的特殊要求。

3.2 光熱發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

（1）加強(qiáng)負(fù)荷變化適應(yīng)能力。光照條件隨著時(shí)間和氣候改變會(huì)受到影響，所以對于負(fù)荷波動(dòng)適應(yīng)能力具有較高要求，充分提高太陽能的利用率，光熱發(fā)電汽輪機(jī)需要在運(yùn)行過程中可以升降符合，同時(shí)在夜晚缺乏光照，一般儲(chǔ)熱條件不足的電站會(huì)停止運(yùn)行，所以對于機(jī)組提出了啟停能力要求。汽輪機(jī)在進(jìn)行多次啟停，同時(shí)隨著負(fù)荷波動(dòng)增加的狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致閥門和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較高熱應(yīng)力，處于疲勞運(yùn)行狀態(tài)，最終影響汽輪機(jī)的使用壽命。

（2）中置變速箱的高低速一次再熱機(jī)組。汽輪機(jī)會(huì)受到應(yīng)用集熱量和出口溫度的影響。當(dāng)汽輪機(jī)的初參數(shù)較低時(shí)容量也小，此時(shí)，主蒸汽過熱度會(huì)相應(yīng)減少，主蒸汽容積流量也會(huì)隨之減少，限制主蒸汽壓力，當(dāng)排氣濕度過大時(shí)，汽輪機(jī)的葉片也會(huì)受到水蝕影響，減緩流通效率。另外，當(dāng)容積流量較小時(shí)，需要更多的多級(jí)高轉(zhuǎn)速和小焓降方式應(yīng)用，來確保不同級(jí)別的速度均處在最佳狀態(tài)。因此，需要多加注意的是，中置變速箱不可以設(shè)置到汽輪機(jī)中，應(yīng)用多級(jí)高轉(zhuǎn)速和小焓降設(shè)計(jì)方案后，可以提升動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)，對變速箱也存在一定的損害。

（3）軸向排氣。現(xiàn)今光熱發(fā)電汽輪機(jī)為了降低排汽損失，多采用軸向排氣方式，此種方式可以提高機(jī)組的效率，其次通過滑動(dòng)方式將凝汽器模塊與基礎(chǔ)之間緊密連接，確保壓軸承箱在任何情況下，它的流通部件動(dòng)靜中心相對位置不會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓軸承箱獨(dú)立落地，進(jìn)而減少因轉(zhuǎn)子和靜子零件之間的摩擦、震動(dòng)等，降低兩者之間通過接觸產(chǎn)生的危險(xiǎn)隱患。

（4）組裝運(yùn)行維護(hù)簡單，運(yùn)行可靠。現(xiàn)今的光熱發(fā)電汽輪機(jī)為了滿足運(yùn)輸及安裝的便利程度，多采用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外由于工作環(huán)境多位于荒漠、缺水地區(qū)等環(huán)境惡劣的地方，這部分地區(qū)太陽能資源更加便于收集，所以基本上采用的均為空冷凝汽式汽輪機(jī)，再根據(jù)實(shí)際需要，采用適應(yīng)機(jī)組背壓變化范圍、排汽容積流量大特點(diǎn)的部件。在運(yùn)行環(huán)境惡劣的地方，通常大部分光熱發(fā)電站由于需要，都會(huì)每天進(jìn)行啟停操作。因此需要確保機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)ATC運(yùn)行模式，另外為了光熱發(fā)電站的運(yùn)行質(zhì)量維持穩(wěn)定，很多機(jī)組都配備了壽命評估系統(tǒng)，針對機(jī)組的使用情況給出建議，以實(shí)際數(shù)據(jù)作為依據(jù)，針對機(jī)組部件的相關(guān)因素做好計(jì)算，主要計(jì)算機(jī)組部件蠕變和生命周期內(nèi)應(yīng)力疲勞值，根據(jù)得出的結(jié)果對設(shè)備的剩余使用時(shí)間進(jìn)行評估，及時(shí)監(jiān)督幾組的整體情況，進(jìn)而保證設(shè)備可靠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 光熱發(fā)電汽輪機(jī)未來發(fā)展趨勢

4.1 在整體系統(tǒng)優(yōu)化中的作用

通常傳統(tǒng)的汽輪機(jī)多是根據(jù)集熱場出口溫度確定自身初參數(shù)，這種方式并沒有充分發(fā)揮應(yīng)有的作用，在整個(gè)太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化中，需要從整體角度出發(fā)，以總體效率和經(jīng)濟(jì)水平為最終依據(jù)。隨著系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，在未來會(huì)綜合考慮儲(chǔ)熱等因素的影響，加強(qiáng)儲(chǔ)熱因素對汽輪機(jī)影響左右的研究，做好儲(chǔ)熱因素對汽輪機(jī)初參數(shù)和集熱場出口溫度的優(yōu)化工作，加強(qiáng)對于集成儲(chǔ)熱系統(tǒng)中光熱轉(zhuǎn)換與熱功能轉(zhuǎn)換技術(shù)的重視，重視整體優(yōu)化技術(shù)的研究，加強(qiáng)對光熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的探索。

4.2 機(jī)組容量

汽輪機(jī)容量增加，可以提高熱功轉(zhuǎn)換過程的效率。目前，世界上太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的單機(jī)容量約為130MW，但仍有提高的空間。太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的容量增加，代表著太陽能光熱發(fā)電站需要更多的面積容納基礎(chǔ)建設(shè)，意味著聚光鏡和換熱器之間的距離增加，同時(shí)余力的變大，會(huì)帶來光熱轉(zhuǎn)換效率下降的后果。

4.3 負(fù)荷適應(yīng)性

汽輪機(jī)為了配合光熱發(fā)電站的技術(shù)需要，滿足光熱發(fā)電快速啟停和負(fù)荷的要求，多數(shù)都是采用較大的通流動(dòng)靜間隙，過大的流通間隙，在一定程度上降低了流通效率。同時(shí)，汽輪機(jī)的汽缸和閥門多采用薄壁結(jié)構(gòu)，這種薄壁結(jié)構(gòu)由于自身的特點(diǎn)，會(huì)一定程度上限制壓力和容量的提升。隨著未來的科技水平的發(fā)展進(jìn)步，越來越多的技術(shù)會(huì)應(yīng)用在光熱發(fā)電領(lǐng)域，儲(chǔ)熱技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。依靠儲(chǔ)熱系統(tǒng)對熱量的快速吸納和釋放，保證汽輪機(jī)符合要求可以平穩(wěn)過渡，這在一定程度上可以減緩汽輪機(jī)的負(fù)荷變化速率，并通過將汽輪機(jī)的負(fù)荷與太陽光照強(qiáng)度解耦，降低機(jī)組啟停和變換負(fù)荷時(shí)的熱應(yīng)力、熱膨脹和熱變形，提高汽輪機(jī)的使用壽命。不斷加強(qiáng)光熱發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究，從制造、儲(chǔ)熱技術(shù)等多方面降低太陽能光熱發(fā)電對汽輪機(jī)啟停和負(fù)荷變化速度的要求，這是光熱發(fā)電系統(tǒng)未來優(yōu)化研究的主要方向。

4.4 自動(dòng)控制技術(shù)

太陽能光熱發(fā)電站多數(shù)建立在不適宜人群居住之地，多數(shù)位置偏遠(yuǎn)，常常是沙漠等地區(qū)。干旱缺水的環(huán)境特點(diǎn)決定了發(fā)電站的機(jī)組采用直接空冷方式。同時(shí)，惡劣的氣候條件也對機(jī)組的監(jiān)測和自動(dòng)化控制水平提出了更高的要求，需要在設(shè)計(jì)發(fā)電站是做好統(tǒng)籌規(guī)劃工作，根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大功能，運(yùn)用智慧電廠、智能電網(wǎng)等發(fā)展理念，創(chuàng)造太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新局面，另外，隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，在未來一鍵啟停、遠(yuǎn)程操控是發(fā)展的必然趨勢。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)今地球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，資源壓力日益增加，開發(fā)新能源已經(jīng)迫在眉睫，目前，太陽能以其清潔、高效的特點(diǎn)成為人們的研究重點(diǎn)，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)為環(huán)境資源保護(hù)問題帶來了新的方向，同時(shí)，對設(shè)備的制造技藝也提出了更高的要求，為汽輪機(jī)的未來發(fā)展帶來了更多的挑戰(zhàn)，目前，經(jīng)過多年的研究探索，集熱過程已經(jīng)取得了重大進(jìn)步，現(xiàn)在的主要任務(wù)是集成優(yōu)化動(dòng)力循環(huán)過程，當(dāng)前的動(dòng)力循環(huán)研究現(xiàn)狀還需要提高，需要投入更多的關(guān)注，除此之外，加強(qiáng)汽輪機(jī)制造設(shè)計(jì)方面的研究，進(jìn)而確保太陽能光熱發(fā)電的安全性、可靠性，促進(jìn)太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)性能全面提升。