大型槽式光熱電站穩態工況性能試驗方法

劉竟帆， 姚嘯林， 施延洲

(西安熱工研究院有限公司蘇州分公司， 江蘇蘇州 215153)

面對日益突出的能源危機和環境污染問題，世界各國都開始大力倡導新能源的開發與利用。光熱發電作為一種新興的能源發電技術，近年來得到了不同國家和地區的廣泛關注。據CSPPLAZA光熱發電網統計，2019年全球光熱發電裝機容量新增381.6 MW，總裝機容量為6 541 MW[1]。光熱的利用形式主要包括槽式光熱發電、塔式光熱發電、碟式光熱發電及菲涅爾式光熱發電，其中，目前全球已建成和在建的太陽能光熱電站中，槽式光熱電站約占65%[2]。

由于國際光熱技術的迅速發展，國際上已開展了一些關于光熱電站聚光集熱系統性能試驗方法的研究。其中，2010年美國國家可再生能源實驗室(NREL)發布了《大型拋物面槽式太陽能系統性能驗收試驗指南》[3]，該指南針對大型槽式聚光集熱系統性能試驗的方法、儀器、設備操作要求和計算方法給出了建議；2013年國際標準化組織ISO發布了針對太陽能集熱器性能、可靠性、耐用性和安全性的試驗程序[4]。目前針對槽式光熱電站的試驗方法主要集中于聚光集熱系統[5]，對于包括儲能系統及動力發電系統在內的全廠性能試驗方法的研究仍鮮見報道。

由于太陽能的間歇性和瞬變性，可將光熱電站的性能試驗分為短期性能試驗和長期性能試驗[6]，短期性能試驗是在天氣晴朗無云且系統各處參數穩定的條件下，在短時間內測量全廠發電效率和系統內部設備性能參數，并將這些測量結果與性能模型預測結果進行比較，或將測量結果修正到設計邊界條件下，再與設計值進行比較[7]；而長期性能試驗則是在天氣晴朗無云或多云的條件下，連續多日測試系統在正常運行情況下的輸出功率及在日常啟動、停機時機組的性能參數，并將測試結果與性能模型的預測結果進行比較。筆者提出了一套大型槽式光熱電站在短期穩態工況下的全廠性能試驗方法。

1 槽式光熱發電系統

1.1 系統構成

大型槽式光熱電站主要包括聚光集熱系統、儲能系統、動力發電系統。聚光集熱系統是光熱發電的核心模塊，槽式聚光集熱系統利用跟蹤裝置調整鏡面正對太陽光，之后利用拋物面反射鏡將光線匯聚到焦線，在焦線上設置有集熱器，利用聚集的太陽能對集熱管內的工質加熱，使工質工作溫度接近400 ℃[8]；儲能系統可以在太陽光照不足或夜間無光照的條件下為光熱電站提供熱能，目前光熱電站主要利用熔融鹽作為儲能工質，大容量儲熱可保證機組在無光照條件下連續運行數小時[9]；動力發電系統的基本組成與原理和常規傳統能源發電設備類似，導熱油經過換熱器與工質水進行換熱，產生蒸汽推動汽輪發電機組做功。典型的槽式光熱電站系統見圖1。

圖1 槽式光熱電站系統圖及試驗邊界

1.2 試驗方法

現有的槽式光熱電站的短期性能試驗方法是針對上述3個子系統的性能分別進行評估，考核指標包括聚光集熱效率、儲能容量和發電效率等，但是忽略了不同子系統間能量轉化及各子系統間損失對整個機組帶來的影響。而光熱電站的光電轉換效率，即全廠發電效率，是實際運行中極為重要的經濟指標。在實際運行中，太陽輻射產生的能量超過動力發電系統最大發電負荷所需能量之后，多出的能量由導熱油帶入儲能系統，此時聚光集熱系統性能變化只會改變進入儲能系統的導熱油流量，而不會對動力發電系統的性能造成影響，這就給直接測試全廠發電效率帶來一定困難。針對上述問題，就試驗工況、測量方法、計算方法等內容開展研究，給出了確定全廠發電效率性能指標的試驗方法。

2 工況選擇及試驗邊界

2.1 工況選擇

根據外界光照條件的變化，光熱電站有4種主要的運行模式：純光熱發電模式、光熱發電并儲能模式、光熱和儲能聯合發電模式、純儲能發電模式。

在無光照條件下，系統利用儲能裝置提供發電能量的運行方式為純儲能發電模式；在光照條件較差且沒有儲能能量的情況下(通常發生在清晨)，系統以純光熱發電模式運行；當外界光照條件較差但有可利用儲能能量時(通常發生在多云的天氣條件下或傍晚)，系統以光熱和儲能聯合發電模式運行；當太陽直射輻射強度(Ib)處于較高水平，除去用于發電外的多余能量進入儲能裝置，此時系統處于光熱發電并儲能模式運行(通常發生在11：00：00—15：00：00)。

對比4種運行模式可知，只有在光熱發電并儲能模式下，太陽直射輻射強度處于較高水平，且在特定時段內太陽直射輻射強度波動較小，因此更容易達到熱平衡。另外，在光熱發電并儲能模式下還可以通過控制進入儲能系統的導熱油流量來調整進入動力發電系統的熱量，可在多個期望的發電功率下進行試驗。因此，宜采用光熱發電并儲能模式進行試驗，獲得全廠的性能指標。

2.2 試驗邊界

大型槽式光熱電站短期穩態工況下性能試驗的試驗邊界見圖1。試驗邊界參數為太陽直射輻射強度、環境溫度、風速及風向、循環水入口溫度、循環水質量流量、發電機輸出功率和功率因數。

3 測試方法

在光熱發電并儲能模式下，進入整個系統的能量大于動力發電系統最大負荷發電所需能量，多余的能量會進入儲能系統，而此時太陽直射輻射強度的變化只會影響進入儲熱系統的能量，不會改變發電負荷，因此無法對全廠發電效率進行考核。

光熱電站的運行控制策略可以通過改變聚光集熱系統中流動的導熱油流量來控制聚光集熱系統出口溫度保持恒定，當太陽能量超過該系統允許的最大值時，系統內的部分反射鏡會自動散焦，保證系統導熱油的流量和溫度不超過允許范圍[10]。所以在試驗開始時，要通過光熱電站的散焦控制策略調整聚光集熱系統的導熱油流量僅用于發電，用此方法消除儲能裝置對試驗的影響[11]。

針對全廠性能試驗提出具體的試驗條件、試驗持續時間和讀數間隔、試驗儀表和測點布置。

3.1 試驗條件

3.1.1 系統條件

在試驗開始時，通過調節系統一定數量反射鏡的角度，使部分反射鏡散焦，調整反射鏡的聚焦率(聚焦的反射鏡數量/設計光熱發電并儲能模式下啟動的反射鏡數量)，確保進入動力發電系統的導熱油流量僅用于發電而不進行儲能。此外，針對聚光集熱系統，還應在試驗開始前及試驗進行中保持集熱管和反射鏡清潔，確保聚焦的反射鏡保持良好的聚光度(即反射后的太陽光焦線集中在集熱管上)，確保太陽光追蹤裝置運行正常；導熱油流量分配控制系統運行正常，且在試驗過程中保證導熱油管道上的閥位不變。對于儲能系統，應在試驗開始前關閉該系統的進出口閥門，且確保在試驗過程中該系統處于隔離狀態。對于動力發電系統，試驗正式開始前汽輪機及各輔機應運行足夠長時間；汽輪機在設計調節閥開度下運行，各級加熱器、凝結水泵、給水泵性能正常；電站系統嚴密性良好，滿足系統隔離要求，汽水系統不明泄漏率小于0.6%。

3.1.2 環境條件

在試驗開始時，盡量保證邊界參數接近設計值，且盡可能保持穩定。試驗過程中，要求天氣晴朗無云，太陽直射輻射強度應大于期望試驗發電功率所要求的最低值。較理想的太陽直射輻射強度條件一般出現在正午時段內，此時光照強度相對充足且隨時間變化較小，適合于短期測試；當地風速應小于最大風速限值，避免強風對集熱器聚焦性能產生影響；確保近期沒有出現沙塵、霧霾、雨雪等天氣。

3.1.3 參數波動

在試驗期間，太陽直射輻射強度為較敏感的邊界變化量，可能會隨時間產生較大波動。

圖2給出了典型夏季、冬季氣象條件下，美國科羅拉多州戈爾登06:00:00—18:00:00實測太陽直射輻射強度數據[3]及其相對變化率(15 min間隔的太陽直射輻射強度的相對變化量)。

圖2 太陽直射輻射強度及15 min間隔的相對變化率

綜合冬季和夏季數據，在一天內的正午時段太陽直射輻射強度保持較高水平，且在該時段15 min間隔內太陽直射輻射強度相對變化率較小，普遍小于1.5%。以10 s頻率讀取90個數據，太陽直射輻射強度與其平均值相差均小于±3.0 W/m2，標準偏差為1.78 W/m2，參數波動帶來的相對標準隨機不確定度小于0.71%，集熱場吸收熱能相對變化率小于0.42%。以30 s頻率讀取30個入射角數據，入射角的影響主要體現在正午時段的兩端，15 min間隔入射角系數[12]變化率接近±0.15%，入射角相對隨機不確定度小于0.012%，集熱場吸收熱能相對變化率小于0.014%；同樣以30 s頻率讀取30個環境溫度數據，取15min內環境溫度變化1 K(通常15 min實際溫度變化小于1 K)，集熱場吸收熱能相對變化率僅為0.078%，此段時間間隔中環境溫度的相對標準隨機不確定度小于0.246%。除聚光集熱場參數變化外，動力發電系統邊界參數在試驗過程中基本保持不變或小幅變化，可參考ASME PTC6—2004 《汽輪機性能試驗規程》、ASME PTC46—2015 《電站整體性能試驗規程》及實際運行經驗值給出參數的波動范圍及相對標準隨機不確定度的估值。通過上述分析，考慮一定的參數波動裕量，給出試驗中各參數允許波動范圍及對應的相對標準隨機不確定度(見表1、表2)。

表1 參數允許波動范圍

表2 邊界參數波動對應的相對標準隨機不確定度

3.2 試驗持續時間和數據采集間隔

在測量開始前應保證系統穩定運行時間大于45 min[3]，以消除系統熱慣性對結果的影響。試驗過程中，應綜合考慮參數的波動、熱慣性對試驗結果不確定度的影響，建議在連續3 d內進行多次短期性能試驗，每天至少進行1次有效測量。根據上述分析，15 min間隔內各參數波動對系統吸收熱能的影響在可接受范圍內，故建議每次測量持續時間為15 min。要求每次測量給出測量不確定度，對多次試驗的結果計算平均值。對于未能滿足試驗條件的測量數據應該舍棄，若由于天氣條件不能保證連續3 d均可獲得試驗要求的有效數據，可在10 d內的任意3 d完成短期性能試驗。通過軟件模擬計算，在典型的天氣條件下，測試的前后10 d內同一時間點的入射角變化很小，入射角改變導致聚光集熱系統吸收熱量的相對變化率小于0.35%，可認為10 d內同一時間的測試條件基本一致。

考慮到采樣頻率對隨機不確定度的影響及測量儀器本身讀數特性，對太陽直射輻射強度、功率等重要測量參數建議以10 s頻率讀取1次數據，其余參數可以30 s頻率[13]讀取1次數據，最后計算平均值。

3.3 試驗儀器與測點布置

在純光熱發電工況試驗中需要測量的數據有：太陽直射輻射強度、鏡場面積、環境溫度、風速和風向、循環水入口溫度、循環水質量流量、功率因數、電功率。

依據不同邊界參數的靈敏度系數選擇適合的測量儀器，靈敏度系數越大表明該參數對測試的結果影響越大，在可接受的成本范圍內應選用更高精度的儀器進行測量。通過分析可得，太陽直射輻射強度、鏡場面積及電功率是對結果影響最大的參數，而其他參數的影響相對較小。

3.3.1 太陽直射輻射強度及鏡場面積測量

太陽直射輻射強度作為光熱電站能量來源，直接影響輸入到系統的能量。為保證試驗取得較好的太陽直射輻射強度測量不確定度，建議在性能考核試驗中選擇測量精度較高的日射輻射計[14-15]。世界氣象組織(WMO)給出的不同等級的日射輻射計特性[15]見表3。

表3 日射輻射計特性分類

根據WMO提供的參數特性，可選擇高級質量的日射輻射計進行考核試驗，選用精度為1.2%的日射輻射計，其響應時間通常小于15 s。由于測量儀器的視場角很窄，所以測量太陽直射輻射強度的日射輻射計要固定在太陽光自動追蹤器上，保證測量儀器對準太陽方向且固定牢靠。另外，應確保儀器完全暴露在日光下，且不受周圍建筑的影響；對于大型光熱電站，在晴朗無云的天氣條件下，太陽直射輻射強度在空間上變化較小，綜合考慮測量準確度和試驗儀表費用，應采用2個及以上日射輻射計進行測量。

鏡場面積作為間接影響進入聚光集熱系統能量的參數，可利用卷尺對反射鏡尺寸進行高精度的測量。由于鏡場面積巨大，可抽樣測量每個子鏡場中的一面反射鏡尺寸，最后取平均值計算整個鏡場面積。

3.3.2 風速及風向測量

由于風速變化對結果影響較小，可選擇精度為1.5%的熱式風速風量計進行測量，在安裝時盡量遠離彎頭、障礙物、閥門，保證儀器上下游的流場穩定。

3.3.3 溫度測量

槽式光熱電站的短期性能試驗需要測量環境溫度及循環水入口溫度，這兩個參數對試驗結果影響較小，目前常用的熱電偶(TC)和熱電阻(RTD)溫度傳感器均滿足測試要求，但相較而言，RTD溫度傳感器更適用于低溫測量。就短期性能試驗而言，綜合考慮測量精度和儀器成本，循環水入口溫度可選擇1臺精密級RTD溫度傳感器進行測量，環境溫度可根據子鏡場個數選擇多臺精密級的RTD溫度傳感器進行測量。

3.3.4 質量流量測量

循環水質量流量在試驗過程可以保持穩定，對輸出功率影響較小，可采用超聲波流量計對循環水質量流量進行測量。超聲波流量計在測量較大質量流量時，儀器精度也可達到1%，若使用嵌入式超聲波流量計可實現更高精度測量，滿足循環水質量流量測量要求。

3.3.5 電功率測量

由于電功率對測試結果的準確性有較大影響，可采用精度為0.1%的數字功率表進行測量，電壓互感器精度為0.2%，電流互感器精度為0.15%，電功率測量總不確定度為0.27%。

3.3.6 傳熱工質熱物性

在試驗過程中需要用到導熱油的密度和比熱容來計算工質吸收的太陽能，導熱油的熱物性由試驗委托方或制造商提供，且在試驗過程中以此為標準進行計算。

另外，要求所有參與性能計算的參數的測量儀表均應在試驗前進行檢定或校準，且在證書有效期內。根據上述分析，整理出測量儀器的配置見表4，測點布置見圖3。

表4 測量儀器的選擇

圖3 試驗測點布置

4 數據處理及分析

對于隔離儲能系統后的光熱機組，進入系統的實際能量為：

Q0=Ib×A

(1)

式中：Q0為投射到聚光焦熱系統的實際太陽能，kW。

在此基礎上，短期穩態工況下的全廠發電效率可表示為：

(2)

式中：η為純光熱發電工況的全廠發電效率。

4.1 修正計算

采用修正曲線的方法進行修正，即控制單一參數變化，利用模型輸出結果計算修正系數。修正公式為：

CW×CTc×Cqm,c×Cε

(3)

式中：ηC為修正后的純光熱發電工況的全廠發電效率；C為修正系數，下標βθ為入射角(θ)系數，ε為功率因數。

4.2 試驗測量不確定度計算

結合上述試驗條件、測量手段、計算和修正方法，可進行試驗測量不確定度分析。根據式(3)推導出全廠發電效率的標準系統不確定度計算公式為：

(4)

式中：b為標準系統不確定度；Δ為2次讀數的修正系數的差值。

標準隨機不確定度計算公式為：

(5)

式中：S為標準隨機不確定度。

利用上述公式，可計算得到不同參數的相對靈敏度系數，結合已有的電站運行數據和儀器精度數據，可計算預期的試驗測量不確定度，對試驗的預期質量進行評估，為確定測試方案提供參考。在試驗后，可以求得實際的測量不確定度，對試驗質量進行評價。

4.3 算例分析

采用某50 MW槽式光熱電站設計參數搭建模型[9, 16-17]，該電站采用156個PT Eurotrough型集熱器，每4個集熱器串聯為1組循環，集熱器呈南北布置，鏡面反射率為0.98，環境溫度為20 ℃。儲能工質為60%(質量分數，下同)NaNO3+40%KNO3。集熱系統、儲能系統及動力發電系統設計參數見表5。

表5 50 MW槽式光熱電站設計參數

針對該光熱電站，對筆者提出的試驗方法進行模擬應用和驗證，以考察方法的可行性。由于缺乏現場試驗條件，利用目前NREL公布的運行數據[16]作為試驗測量數據進行效率計算及修正，電站運行參數及修正結果見表6。

表6 修正計算

由表6可以得出：全廠發電效率設計值為21.41%，試驗值為21.30%，總修正系數為1.004，修正后的全廠發電效率為21.38%，接近設計值，結果具備合理性。

針對算例的不確定度分析中，利用該電站實際運行數據及筆者給出的采樣頻率讀取數據點，計算標準隨機不確定度，采用表4中的儀器配置和精度，計算標準系統不確定度，最后計算得到試驗的總不確定度計算結果見表7、表8。

表7 參數不確定度分量計算

表8 總不確定度計算結果

由表8可以看出：單次試驗全廠發電效率的測量總不確定度為1.26%，若進行3次有效試驗，最終結果取其平均值，則全廠發電效率的測量總不確定度為1.06%。該不確定度可以體現該試驗方法在實際電站中應用所能夠實現的不確定度水平，進而表明該試驗方法具有實際應用價值。由表8還可以看出：光熱電站的太陽直射輻射強度測量儀器的精度和太陽直射輻射強度的波動是影響試驗結果準確性的主要因素。今后開展的測試應盡可能在太陽直射輻射強度波動較小的條件下進行，并提高太陽直射輻射強度測量的精度。

5 結語

給出了槽式光熱電站全廠性能測試的方法，擺脫了單獨測量聚光集熱系統及動力發電系統的局限，可直接測量更為關鍵的全廠經濟性指標。

提出利用光熱電站的散焦控制策略消除儲能系統對試驗的影響，將聚光集熱系統吸收的熱量全部用于動力發電系統，在此條件下對光熱電站進行短期性能試驗，實現光電轉換效率的測量。

確定了試驗邊界參數，給出了具體的試驗條件、試驗持續時間和讀數間隔、測點布置、測量儀器選擇方案，以及試驗計算和修正的方法。

結合某50 MW槽式光熱電站的設計及運行數據對試驗方法進行模擬應用和驗證，電站性能計算及不確定度分析結果表明，該試驗方法具有實用性，可為業內開展相關試驗提供參考，并為未來制訂相應試驗標準創造條件。