塔式光熱發電熔鹽儲換熱及汽輪機熱力系統研究

王汶海 管丹丹 金富強 楊 磊 劉龍飛

（1．杭州中能汽輪動力有限公司，浙江 杭州 310018；2．浙江西子聯合工程有限公司光伏分公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

光熱發電技術通過“聚集”太陽能的高溫熱能加熱工質，再通過傳統的熱力循環將熱能轉化為機械能驅動發電機發電。光熱發電技術從20 世紀80 年代開始商業化，至今已經有近40 年的歷史，在世界范圍內的供電份額也在逐步增長。在光熱電廠中，蒸汽渦輪機是一種重要的能量轉化裝置，也是一種重要的能源。由于光能晝夜交替，變化頻繁，因此對太陽能發電場中使用的水輪機的可靠性和經濟性都有很高要求。

光熱發電技術是先“聚集”太陽能的高溫熱能加熱工質，再通過傳統的熱力循環將熱能轉化為機械能驅動發電機發電。國內光熱能產業發展較遲，目前還處在商品化的初期階段。截止到2017 年末，全國已建成的太陽能光伏發電量只有29.3MW。2018 年7 月1 日，為促進我國光伏光熱技術的發展，經過專家論證，國家能源局發布光伏行業最新標準《光伏制造行業規范條件（2018 年本）》。在整個光熱發電系統中，汽輪機是一種重要的能量轉化裝置，是太陽能光伏光熱發電的重要組成部分。為此該文以某光熱工程為背景，闡述了熔鹽光熱電廠的工作機理，并對其進行了優化，以求能夠進一步降低汽輪機的能耗，促進國內塔式熔鹽光熱發電技術的發展[1]。

1 塔式光伏光熱發電站的工作原理及優化設計

1.1 塔式光熱發電站的工作原理

塔式熔鹽光熱發電系統主要由定日鏡系統、吸熱系統、蒸汽發生系統、發電系統4 個部分組成[2]。高溫熔鹽具有“使用溫度高、熱穩定性高、比熱容高、對流傳熱系數高、黏度低、飽和蒸汽壓低、價格低”的優勢，因此在吸熱系統中會將高溫熔鹽作為儲熱及換熱介質。

該系統工作流程如下：定日鏡系統實時跟蹤太陽，將太陽光聚集到一個裝在塔頂的吸熱器上。吸熱器收集輻射能，并將其轉化為熔融鹽的高溫熱能。高溫熔融鹽通過管道傳遞至蒸汽發生器，產生的高溫蒸汽推動常規汽輪機進行膨脹做功，然后帶動發電機發電。

1.2 定日鏡鏡場與吸熱器設計

現有或正在建設的塔式太陽能發電場的排列形式都很有規律，例如西爾拉太陽發電廠采用直線排列，而克雷森特發電廠采用環狀縱列法排列。此外還有Francisco J.Collado 等人提出的Campo 定日鏡排列模式和Corey J.Noone 等人提出的一種模擬定日鏡排列模式。鑒于鏡場效率、占地面積以及電廠運行（例如固定、清潔）等具體作業的可能性，該研究的鏡場為新型五邊形定日鏡排列。

定日鏡鏡場由以固定的方法圍繞2 個軸線旋轉跟蹤的固定定日鏡鏡群組成，它可以沿2 個軸線方向旋轉追蹤，把照射在它表面的太陽輻照能量由吸收塔頂部的吸熱裝置轉換為熱量，以實現對太陽輻射能的收集。

該研究中，定日鏡的安裝是為了滿足鏡面旋轉的需要，它能有效降低鏡面的損耗（余弦損耗、陰影遮擋損失、大氣傳輸損失、鏡面清潔度、反射率以及吸熱器截流系數），并通過非遮擋式的方法保證每個鏡面的遮擋損失剛好或者很小，以降低鏡場的損耗，增加對太陽輻射能的收集。

2 塔式光熱發電熔鹽儲換熱及汽輪機熱力系統設計

2.1 熔鹽儲熱與換熱管束設計

熔鹽儲熱是光熱發電系統中最關鍵的部分，它提供了能量轉換裝置所需的初始溫度，換熱管則將這些熱量進行高效地交換。熔鹽通過管道、儲熱裝置、傳熱介質進入換熱管束后實現高效傳熱，換熱管束的設計應主要考慮以下幾點：1）通過管道溫度的測量和計算來控制換加熱段內的溫度。2）通過管道速度分布來控制加熱速度。3）換熱管束的材料和幾何尺寸會影響熔鹽儲熱系統傳熱效率，因此可以通過比較不同材質管道的熔鹽儲熱能力來決定是否需要在換熱管束設計中加入傳熱介質。

2.2 光熱集熱環節

集中供熱部分包括定日鏡和集熱器。定日鏡是一種具有2 個方向的自動追蹤太陽輻照的聚光鏡，它可以通過調整方向和角度將輻照集中在一個收發器上。其外表涂有一層銀色的保護膜，能夠在一定程度上完成折疊、翻轉等功能，以防止紫外線、酸雨、沙塵、風暴等惡劣天氣造成的損害。定日鏡的數目由機組的發電量和占地面積決定。集熱器能夠將太陽的輻射能轉換成熱量，再將熱量經由傳導媒介傳輸到其他體系。

2.3 光熱發電環節

光熱發電是一種通過熔鹽發電的技術，主要應用于太陽能熱利用。熔鹽指的是固體鹽類，其熔點一般為100℃~500℃。光熱發電利用了光熱轉換的原理，將太陽光反射到真空集熱管上，通過加熱與之接觸的鹽類物質，使其熔化。熔化后的物質流入集熱管內的儲槽，并通過水泵加壓后流回熱鍋爐進行再次利用。發電系統包括過熱器、蒸汽發生器、預熱器、再熱器、蒸汽渦輪、發電機和冷凝器等。進入電力系統后，這些熱量會被汽化器轉化為蒸汽，然后轉化為電能，再轉化為水，在一系列裝置的作用下重新生成熱量，最終實現了一個完整的循環。文獻[2]的研究表明：光熱發電是一種清潔能源，具有很高的能量密度和效率，不受資源條件和地域限制，在很多情況下可以替代化石燃料發電。但也存在一些問題。1）成本較高。光熱發電屬于大型投資項目，在建設初期需要投入大量資金。2）占地面積大。光熱發電的主要設備為熔鹽爐和聚光器，需要較大的土地面積來建設電站，如果建設在城市郊區或偏遠地區，就需要實施拆遷或搬遷，勢必會造成較大的經濟損失。3）運行可靠性差。熔鹽爐工作時會產生大量熱量，如果散熱不及時，就會導致熔鹽爐內溫度升高，進而損壞設備。4）無法大規模應用。雖然光熱發電技術具有一定優勢，但其發電效率低、成本高，無法大規模應用。5）安全性差。光熱發電技術是一種將太陽光反射到儲槽內進行二次利用的技術，因此需要考慮高溫和低溫下材料的安全問題。

2.4 原則性熱力系統圖

以追求極致性能為目標，汽輪機整體采用高、中、低壓缸雙缸和單排汽解決方案。高壓缸的通流部分為高轉速反動式結構設計，6000r/min 的高轉速可減少轉子直徑、增加葉片高度并減少葉片端部損失，提高了高壓缸的效率。由于在額定工況下功率較小，因此選擇中壓缸、低負荷運行模式，高壓缸則通過齒輪箱和發電機連接。三維模型圖如圖1 所示。

圖1 三維模型圖

由蒸汽發生器出來的主蒸汽進入高壓缸做功，排汽進入蒸汽發生器的再熱器與熔鹽進行換熱后，再進入中、低壓缸進行做功。中、低壓缸的排汽進入空冷島凝結成水后，經過凝結水泵升壓，然后進入各級回熱加熱器進行加熱，最后再次進入蒸汽發生器。其中，在回熱系統中配置0 號高加，以保證低負荷工況下的給水溫度滿足一定要求。0 號高加的蒸汽可以來自蒸汽發生器的飽和汽或主蒸汽，也可以來自汽輪機的級內抽汽。原則性熱力系統圖如圖2 所示。

圖2 原則性熱力系統圖

2.5 熱力系統參數優化

根據熱力學的基本理論，提高進汽參數、降低排汽參數和增大回熱級數有利于提高蒸汽機的熱經濟性。熱耗、煤耗等是熱能經濟評價的重要參數。該文利用公式（1）對渦輪機端的熱消耗進行估算。

式中：q0—汽輪機側熱耗，kJ/（kW·h）；Pe—發電機側軸端功率；DO—進入汽輪機的蒸汽流量；DOg—進入0 號高加的蒸汽流量，如果0 號高加未投入或汽源為級內抽汽，則流量為0；DGs—給水流量，t/h；DRZ—熱再蒸汽流量；Dlz—冷再蒸汽流量，t/h；h—進入汽輪機的蒸汽焓值；HGS—給水焓值，kJ/kg；hRZ—熱再蒸汽焓值。

2.6 蒸汽溫度

據文獻[3]介紹，目前較為成熟的熔融鹽為Solar salt，其組成為質量分數60%NalNO3和40%的KNO3，其分解溫度為600℃，凝固溫度為220℃，推薦的最高工作溫度為565℃。目前玉門鑫能項目夏季進汽溫度可至545℃，上海電氣總包迪拜項目中的塔式光熱機組的蒸汽溫度已經提高至553℃。

由文獻[4]可知，增加蒸汽的溫度不但能增加循環系統的效率，而且由于過熱度的增加，蒸汽的比容量也會增加；增加再熱器的加熱可以改善排氣干燥程度，降低汽輪機的排氣和濕蒸汽損耗，進而改善汽輪機的熱效率。

蒸汽溫度-熱耗變化曲線如圖3 所示。從圖3 可以看出，如果將主要蒸汽的溫度提升到565℃以上，就能大大減少蒸汽的消耗，但這會對發動機的外缸、內缸、轉子和閥門等部件的選擇造成更大的壓力。

圖3 蒸汽溫度-熱耗變化曲線

2.7 主蒸汽壓力

在總汽壓和排氣壓力恒定的情況下，增加總汽壓可以改善系統的循環熱效率。在主蒸汽壓升高到一定限度后，入口體積的變小和排氣濕度的升高會使排汽的通氣性能顯著下降，這一下降的幅度會隨入汽溫度的升高而升高，400℃時的最大壓力達到20MPa。和國內塔式熔鹽光熱器的進口蒸汽壓力都極低的情況相比，上海電力公司在迪拜工程的塔式光熱器的進口蒸汽壓力達到了1.7MPa，達到了亞臨界值。

主蒸汽壓力-熱耗變化曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出，當主蒸汽壓力增加1MPa 時，渦輪一側的熱消耗減少大約40kJ/（kW·h）。如果主蒸汽壓力由1.4MPa 增加到1.7MPa，則汽輪機一側的熱消耗將減少大約120kJ/（kW·h）。但是隨著汽輪機主蒸汽壓強的增加，汽化系統、熔鹽系統、汽輪機系統的承壓設備和管道等的厚度都會增大，進而加大鋼鐵的消耗和工廠的電力消耗。

圖4 主蒸汽壓力-熱耗變化曲線

目前，國內和國外的大部分光熱電廠都采用軸向抽風方式。通過對汽輪機進行分析，發現在汽輪機中使用軸向排氣可以顯著減少蒸汽損耗，進而可使機組利用率提高0.25%~0.5%。我國現有的塔式光熱電廠都是軸流形式。由于我國能源豐富，易被開發的區域多為西北風沙大、干旱缺水的地方，因此通常采用空氣冷卻式凝汽機，其排氣壓力可達8kPa。減少背壓力可有助于減少渦輪一側的熱消耗。減少了1kPa 的反壓蒸汽壓，渦輪一側的熱消耗即減少30~40kJ/（kW·h），但會造成空冷島成本的增加和電廠用電量的增長。因此必須從整體上對汽輪發電機組的排蒸汽壓力進行技術和經濟性研究，將投資、運行費用和綜合收益考慮進去。

2.8 回熱級數

如上所述，塔式熔鹽光電設備的儲存和傳熱媒介是含鹽的，其在240℃以下會產生晶體，固化的溫度達到220℃，因此在電廠的使用中要注意避免因熔鹽凝結而引起的故障維修，降低設備的使用成本[5]。因此，在實際應用中，必須確保用245℃~260℃的熱水與熔鹽交換。對塔式熔鹽光熱發電場，Sie-Mens、GE 和MANTURBO 分別配備了2 臺高加、1臺除氧機和3 臺低加設備。為了提升轉換效率，上海汽輪機制造廠在玉門鑫能工程裝備了3 臺高加、1 臺除氧器、3 臺低加以及外部的汽水冷卻器。經研究，如果采用1 段和外部段的水冷裝置，可以使水輪機端的熱耗量減少35kJ/（kW·h）。

太陽能光熱電站利用了白天和晚上2 種不同類型的能源，但其儲存時間是有限的，因此在夜間要進行長時間的低負載工作。根據傳統的供熱方式，在這種情況下供水的水溫會下降。然而如果溫度過高，則會引起鹽塊的凝結，造成操作上的困難。在低壓條件下，為保持供水的水溫，所有的設備都需要配備0 號高加。

2.9 回熱級數

從文獻[5]可以看出，為了改善整個工廠的循環熱能，目前的熱電廠都使用了給水和回熱，而在光熱電站中，為了取得更好整個電站的熱回收效果，也使用了給水回熱器。此外，提高循環串聯能顯著提高機組的熱效率。

3 結語

該文提出了一種新型的塔式光熱電廠的熔鹽蓄熱系統方案和總體布置方案，并對主要蒸汽參數和回熱系統進行了優化和分析，得出如下結論。

為進一步改善塔式熔鹽光熱機組的工作性能，采取雙缸方案，由于進蒸汽體積流量很小，因此可以采用高轉速的高壓氣缸結構，以減少葉面損耗，進一步改善汽輪機的工作效率。

塔式熔鹽光熱機組在蒸汽溫度和主蒸汽壓強方面，可以將蒸汽溫度提升到553℃，主蒸汽壓強提升到亞臨界值1.7MPa。如果隨后的熔鹽側允許，可以將其提升到更高的參數值。