導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)多操作模式設(shè)計(jì)

孫仁龍，劉亞琪

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司天津分公司，天津 300450）

太陽(yáng)能光熱發(fā)電集發(fā)電與儲(chǔ)能為一體，是可代替化石能源電站擔(dān)當(dāng)基礎(chǔ)負(fù)荷和調(diào)峰負(fù)荷的綠色電源，目前光熱發(fā)電技術(shù)主要分塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四大類，四種模式各有千秋，各有所長(zhǎng)。

塔式設(shè)計(jì)為點(diǎn)式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡組成陣列，將太陽(yáng)輻射反射并積聚到吸熱塔頂部的吸熱器對(duì)內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)行加熱。塔式電站最大的優(yōu)勢(shì)在于熱傳遞路程短，損耗小，聚光比和溫度都比較高，且規(guī)模大。但塔式的特性也決定了它不能小型化，無(wú)法建立分布式系統(tǒng)，因此對(duì)土地占用多，前期投資大，技術(shù)門檻也比較高，建設(shè)難度大。

槽式路線屬于線性聚焦系統(tǒng)，是通過(guò)槽式拋物面聚光鏡面，將太陽(yáng)光匯聚在焦線上，并在焦線上安裝管狀集熱器，從而吸收聚焦后的太陽(yáng)輻射能。槽式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)最為成熟，且各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備本身比較簡(jiǎn)單，大批量生產(chǎn)安裝的難度不大，維護(hù)成本也更低。這使得該技術(shù)路線成為了目前裝機(jī)量最大的光熱電站類型，但由于其集熱效率偏低，無(wú)法將導(dǎo)熱介質(zhì)加熱到太高溫度。

菲涅爾式同樣屬于線性聚焦系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)與槽式差別不太大，但結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。它采用靠近地面放置的多個(gè)幾乎是平面的鏡面結(jié)（帶單軸太陽(yáng)跟蹤的線性菲涅爾反射鏡），先將陽(yáng)光反射到上方的二次聚光器上，再進(jìn)一步匯聚到管狀集熱器上，然后加熱導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。涅菲爾式的聚光能力在所有路線中最差，對(duì)工質(zhì)的加熱能力也比較弱，導(dǎo)致了整體發(fā)電效率比較低。

碟式系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射太陽(yáng)光聚焦到焦點(diǎn)上，通過(guò)焦點(diǎn)處放置的斯特林發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。碟式是最為特殊的一條光熱技術(shù)路線，其在設(shè)計(jì)上與另外三條路線差異巨大。槽式、塔式、菲涅爾式系統(tǒng)均是在大范圍內(nèi)聚熱后，將熱能集中進(jìn)行利用，但碟式則是由獨(dú)立的模塊就地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。

1 槽式系統(tǒng)技術(shù)

槽式系統(tǒng)技術(shù)成熟，在國(guó)際上有30a以上商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。集熱裝置采用真空玻璃管結(jié)構(gòu)，即內(nèi)管采用鍍有高吸收率選擇性吸收涂層的金屬管，管內(nèi)走加熱介質(zhì)，在外面為玻璃管，玻璃管與金屬管間抽真空以抑制對(duì)流和傳導(dǎo)熱損失。導(dǎo)熱油槽式集熱器見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)熱油槽式集熱器

導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽(yáng)島、熱力島及常規(guī)島三大部分組成，其中熱力島連接太陽(yáng)島與常規(guī)島，是能量轉(zhuǎn)換的核心，熱力島主要由以下四部分組成：

1）導(dǎo)熱油系統(tǒng)，主要包括主泵系統(tǒng)、循環(huán)泵系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)、回收再生系統(tǒng)組成。

2）蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

3）熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

4）空壓制氮、LNG等輔助系統(tǒng)。

其設(shè)計(jì)基本流程為：在太陽(yáng)島中，低溫導(dǎo)熱油經(jīng)多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器加熱升溫，吸收能量，加熱導(dǎo)熱油；在熱力島中，高溫導(dǎo)熱油與油水換熱器進(jìn)行熱交換產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，或與油鹽換熱器進(jìn)行熱交換加熱熔鹽，進(jìn)行儲(chǔ)能；在常規(guī)島中，高溫蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。導(dǎo)熱油槽式發(fā)電系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)熱油槽式發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 熱力島多操作模式設(shè)計(jì)

不同地域、不同季節(jié)、不同時(shí)段，太陽(yáng)照射強(qiáng)度不同，以及能量的波動(dòng)性，勢(shì)必造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，為保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全高效運(yùn)行，特提出以下12種操作模式：

模式1：導(dǎo)熱油經(jīng)鏡場(chǎng)加熱后僅與油水換熱器換熱，主要適用于太陽(yáng)能僅滿足蒸汽發(fā)生系統(tǒng)所需能量要求或當(dāng)熔鹽系統(tǒng)儲(chǔ)能已滿。

模式2：導(dǎo)熱油經(jīng)鏡場(chǎng)加熱后同時(shí)與油水換熱器、油鹽換熱器換熱，主要適用于太陽(yáng)能同時(shí)滿足蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和熔鹽系統(tǒng)所需能量要求，且熔鹽系統(tǒng)儲(chǔ)能未滿。

模式3：導(dǎo)熱油與油鹽換熱器換熱后升溫，再通過(guò)油水換熱器將能量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，主要適用于沒(méi)有太陽(yáng)能可用情況。

模式4：導(dǎo)熱油經(jīng)鏡場(chǎng)加熱后僅與油鹽換熱器換熱，進(jìn)行儲(chǔ)能，主要適用于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)故障，或太陽(yáng)能能量密度低情況下。

模式5：導(dǎo)熱油經(jīng)鏡場(chǎng)加熱后升溫，再與油鹽換熱器換熱后繼續(xù)升溫，最后通過(guò)油水換熱器將能量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，適用于太陽(yáng)能不足以滿足汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，需要借助熔鹽系統(tǒng)提供額外能量。

模式6；防凝模式，通過(guò)循環(huán)泵的運(yùn)行，防止導(dǎo)熱油凝固，必要上可通過(guò)加熱爐補(bǔ)充熱量。

模式7：熔鹽通過(guò)額外的光伏或風(fēng)能加熱，進(jìn)行儲(chǔ)能，此模式待后續(xù)開(kāi)發(fā)。

模式8：導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)加熱爐加熱升溫后與油水換熱器換熱，滿足蒸汽發(fā)生系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行。

模式9：導(dǎo)熱油先與油鹽換熱器換熱升溫，再進(jìn)入加熱爐加熱，后與油水換熱器換熱。

模式10：導(dǎo)熱油一路與油鹽換熱器換熱、一路進(jìn)入加熱爐加熱，二路導(dǎo)熱油混合后與油水換熱器換熱。

模式11：導(dǎo)熱油經(jīng)加熱爐加熱升溫后與油鹽換熱器換熱，熔鹽系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能。

模式12：緊急停機(jī)。熱力島工藝流程簡(jiǎn)見(jiàn)圖3。

圖3 熱力島工藝流程簡(jiǎn)圖

各操作模式下熱力島系統(tǒng)狀態(tài)情況見(jiàn)表1，各操作模式下導(dǎo)熱油系統(tǒng)物料平衡見(jiàn)表2。

表1 各操作模式下熱力島系統(tǒng)狀態(tài)情況表

表2 各操作模式下導(dǎo)熱油系統(tǒng)物料平衡表

續(xù)表

全廠采用一套分散控制系統(tǒng)（DCS），將輔助車間和輔助系統(tǒng)納入DCS控制系統(tǒng)，實(shí)行全廠集中控制一體化。機(jī)組的順序控制按照機(jī)組、功能組、子功能組及驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)，保護(hù)聯(lián)鎖邏輯能使主輔機(jī)在各種運(yùn)行工況和狀態(tài)下自動(dòng)完成各種事故處理。DCS操作臺(tái)上配置機(jī)組硬接線緊急停止按鈕及重要輔機(jī)的硬接線操作按鈕，以保證機(jī)組在緊急情況下安全停機(jī)。除啟停階段的部分準(zhǔn)備工作需由輔助運(yùn)行人員協(xié)助檢查外，機(jī)組正常運(yùn)行工況的監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制、報(bào)警、連鎖保護(hù)控制、異常工況的啟/停、報(bào)警和緊急事故處理均可在集中控制室完成。儲(chǔ)熱系統(tǒng)和導(dǎo)熱油系統(tǒng)部分采用遠(yuǎn)程I/O站通過(guò)光纖分別接入到主機(jī)DCS控制系統(tǒng)。

3 結(jié)論

根據(jù)太陽(yáng)能光照強(qiáng)度的變化，提出了槽式光熱電站12種操作模式的設(shè)計(jì)方案，提高了光熱發(fā)電的適用性及靈活性，保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行，對(duì)于助力實(shí)現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰”和“2060年碳中和”目標(biāo)具有重要作用。