導熱油槽式光熱發電機組傳儲熱系統運行控制的優化

朱成葉 劉 強 任天翔 段明浩

1.蘇州熱工研究院有限公司

2.中廣核太陽能德令哈有限公司

0 引言

太陽能光熱發電技術的研究及應用始于上世紀70、80年代歐美國家，現在在許多國家得到大力發展和推廣，已成為重要的可再生能源，太陽能光熱發電技術在文獻［1］中有詳細的介紹。熱油槽式光熱發電核心部件包括太陽島集熱器和傳熱儲能系統，目前在我國已實現工程應用，但研究主要集中在定日鏡、反射鏡場及集熱器方面，傳儲熱系統的控制研究較少，可借鑒經驗不多，傳儲熱的控制大部分操作處于手動控制。

1 傳儲熱系統運行控制方式

導熱油槽式光熱發電作為新型的電力技術，其傳儲熱系統的控制可視為火電機組鍋爐風煤配比、燃燒調整，控制核心就是用傳儲熱介質串聯太陽島集熱系統、儲熱系統和蒸汽發生系統完成換熱速率調節及協調控制。

對于導熱油槽式光熱發電技術的運行模式，文獻［2］和文獻［3］均有描述。按照傳儲熱系統傳儲熱介質的循環路徑和運行方式，將其控制方式分為常用運行模式和特殊運行模式，特殊運行模式發生幾率較低或實用意義不大。以下介紹了幾種控制模式，并對控制模式切換操作的便利性提出了優化。

1)常用運行模式

（1）太陽島發電＋儲熱模式

該模式通常是在太陽輻照較強，太陽島集熱器（Solar Concentrator Array，SCA）產生的熱能既能維持機組發電又有多余熱能儲存時的一種模式。該模式的導熱油循環泵無須分區運行，兩臺導熱油循環泵泵出的導熱油經太陽島集熱器吸熱升溫（最高溫度至393 ℃），再通過熱油集管分別進入蒸汽發生系統（Steam Generation System，SGS）放熱發電和熔鹽儲熱系統（Thermal Energy Storage System，TES）完成熱能儲存，最后在冷油集管混合后通過膨脹罐進入導熱油循環泵入口集管，此時TES 系統的冷熔鹽泵運行。流程示意圖見圖1，棕色粗線條為導熱油的循環路徑，紅色標注設備為運行設備或開啟的閥門。

圖1 太陽島發電＋儲熱模式下的傳儲熱介質流程示意圖

（2）太陽島單獨發電模式

該模式一般發生在每天的清晨、傍晚，或天氣變化引起日照強度改變、儲熱放熱模式相互切換期間、單獨防凝模式退出后汽輪機組剛啟動的一段時間。此模式是一種過渡控制模式，是一種短暫的運行方式。此模式的導熱油路徑為：任一或兩臺導熱油循環泵泵出的導熱油經SCA吸熱升溫后（最高溫度至393 ℃），再通過熱油集管進入SGS放熱發電，最后通過冷油集管和膨脹罐進入導熱油循環泵入口集管，此模式的導熱油泵無須分區運行。

（3）TES放熱發電+太陽島防凝模式

該模式一般發生在夜間或陰雨天SCA 無法產生熱能情況下，將熔鹽熱能釋放進行發電和防凝循環的一種模式。此模式下兩臺導熱油泵分區運行，導熱油循環路徑分兩部分：①用#1導熱油循環泵進行防凝循環，其泵出的導熱油在SCA、熱油集管鏡場側和#1導熱油泵間保持低流量循環，當加熱爐或SCA的導熱油溫度低于50 ℃時可通過加熱爐管道對其補油升溫。②#2導熱油循環泵作為放熱發電的油循環動力，其泵出的導熱油在TES吸熱后，一部分經熱油集管儲熱側進入SGS放熱降溫，另一部分通過冷油集管的熱油在SGS 出口與降溫后的冷油混合，最后進入#2導熱油循環泵入口形成閉環油回路，該運行模式TES系統的熱熔鹽泵運行。流程示意圖見圖2，棕色粗線條為TES放熱發電導熱油回路，藍色粗線條為太陽島防凝導熱油回路。

圖2 TES放熱發電+太陽島防凝模式下的傳儲熱介質流程示意圖

（4）單獨防凝模式

在連續多云或陰雨天氣，SCA長時間無法產生熱能且熔鹽儲熱不足、汽輪發電機組停止的情況下，將導熱油溫度控制在非凝溫度以上，使導熱油在導熱油泵間、導熱油加熱爐、SCA、SGS及各導熱油連接管道間進行低流量油循環的一種模式。此模式的導熱油泵也無須分區運行，當SCA入口導熱油溫度低于70 ℃，或其它任一設備或管道的導熱油溫度低于50 ℃時，啟動導熱油加熱爐進行升溫。

2)特殊運行模式

（1）單獨儲熱模式

此模式一般發生在連續幾天多云或陰天天氣，且汽輪發電機組已經停止，短暫的日照強度無法維持機組的連續運行。該模式的導熱油路徑為：任一或兩臺導熱油循環泵泵出的導熱油經SCA吸熱，再通過熱油集管進入TES完成熱能儲存，最后通過冷油集管和膨脹罐進入導熱油循環泵入口集管。此模式的導熱油泵無須分區運行。

（2）導熱油加熱爐發電模式

通常是在間歇性陰雨天，熔鹽熱能儲量無法維持繼續放熱發電，為了汽輪發電機組不停機而在等待日出這段時間內的一種短時間的控制模式。此模式只要維持汽輪發電機組的最低負荷即可，導熱油泵分區運行，2 區導熱油在加熱爐升溫后經SGS放熱發電，1區導熱油泵維持SCA防凝循環。

（3）TES放熱防凝模式

該模式是在系統防凝模式下不用導熱油加熱爐的前提下提高導熱油溫，從而節省加熱爐燃料。該模式需導熱油泵分區運行，1 區導熱油維持SCA防凝循環，2 區導熱油在TES 升溫并維持2 區泵出口導熱油溫度在270 ℃以上，通過加熱爐導熱油閥門和冷油集管調節閥完成兩個區的導熱油混油，使1 區各測點導熱油溫度維持在70 ℃以上。相對于單獨防凝模式，此模式導熱油維持溫度較高、啟動設備數量較多，熱損和廠用電量相對較高，故該模式的實際意義不大。

3)運行模式切換方式的優化

文獻［2］對運行模式切換條件及影響因素作了詳細的闡述。由于前期國內示范項目在設計及運行控制方面無可借鑒的經驗，項目投產后基本上是在摸索中成長，目前運行模式切換操作基本上還處于手動控制，且設計上未考慮低負荷運行工況對TES 入口導熱油溫度的影響、運行模式切換時混油操作的便利性。

傳儲熱系統運行模式切換本質就是改變傳儲熱介質的循環路徑。為實現各模式的自動切換或一鍵順控啟停，完善了邏輯組態設計：根據系統設備及閥門狀態、流量參數等作為運行模式的判據條件，通過SCA 及TES 導熱油壓力、流量、熔鹽罐液位、熔鹽溫度等作為模式切換預警或觸發條件，根據常規操作流程制定設備及閥門的啟停或開關順序。

以“太陽島發電+儲熱模式”向“TES 放熱發電+太陽島防凝模式”轉換控制舉例（見圖1 和圖2）：首先，DCS 邏輯根據閥門狀態和流量等參數判斷傳儲熱系統處于“太陽島發電模式”和“儲熱模式”，如“太陽島發電模式”的基本判據為SCA 總導熱油流量≮額定流量的50%、SCA出口平均溫度≮360 ℃、SGS導熱油形成通路且導熱油流量≮額定流量的30%；“儲熱模式”的基本判據為TES導熱油形成正向通路且導熱油流量為正值等。其次，跟蹤其觸發切換或預警條件，如：SCA 總導熱油流量＜額定流量的55%且SGS 導熱油流量≮額定流量的30%，或SCA 出口平均溫度＜370 ℃，或TES 導熱油流量調節閥開度長時間低于5%等，滿足上述任一條件將執行TES儲熱模式退出程序，并通過冷熱油集管混油閥1調節預暖TES冷端進油管道直至溫度≥270 ℃，然后依據TES 冷端導熱油溫度、熔鹽罐液位、溫度等條件或人工二次確認的方式執行TES 放熱發電模式的投入程序，最后冷熱油集管混油閥2 接替冷熱油集管混油閥1 的調節功能，確認TES放熱發電模式的判據條件，#1導熱油泵自動減頻進行防凝循環。上述條件中的定值可根據實際運行進行調整。

為實現幾種常用模式的自動切換，將原設計中的兩個混油關斷閥改為調節閥，對直徑較大的導熱油電動閥建議在管道設計中加裝混油預暖旁路或采用帶有預啟功能的隔離閥。

2 常用模式自動控制功能的實現及優化

1)太陽島發電模式

太陽島集熱器（SCA）作為槽式光熱發電廠的熱能來源，為SGS 提供足夠溫度和流量的傳熱介質，因此系統在太陽島發電模式下，控制各SCA 回路出口導熱油溫度是關鍵，同時在系統不超壓的情況下，維持各SCA回路的進出口差壓基本一致。該模式下系統的關鍵控制參數有：各SCA回路出口導熱油溫度、太陽島入口導熱油壓力、太陽島出口導熱油壓力、太陽島各區域的導熱油流量、流經SGS與TES 的導熱油流量分配值。為了方便維護和控制，整個太陽島分多區平行布置，每個區各集熱器回路也采用平行分布式設計，每區的導熱油管道設置一個控制閥。

理想情況（全天日照，無云層遮擋）下，太陽島各集熱器的輻照強度只跟太陽直射角度有關，各集熱器的輻照強度變化緩慢。現實情況會出現多云天氣，由于云層在不同區域形成遮擋，各個區的輻照強度會有所不同。目前的運行操作方式為：根據輻照強度的變化，手動將導熱油控制閥維持在適當開度，通過調整導熱油循環泵頻率改變各SCA導熱油流量，從而控制SCA出口導熱油溫度。

該模式下的導熱油自動控制基礎模型：將每個區的SCA回路出口導熱油溫度的平均值作被控量，且各SCA回路出口油溫作條件判斷，溫度值在正常范圍之外的溫度點不參與平均值計算，通過對應區域的導熱油流量控制閥調節其溫度在設定范圍內。導熱油循環泵頻率用于控制太陽島入口集管壓力并使其維持在一個期望值。太陽島出口集管壓力的控制方式則是先判斷TES是否在儲熱模式，當太陽島單獨發電時該壓力通過SGS 導熱油流量控制閥進行調整，儲熱模式時通過TES導熱油流量控制閥調節，SGS導熱油流量控制閥只參與機組負荷調整。太陽島出入口壓力設定值為設計給出的導熱油流量與該位置壓力的折線函數，另為確保系統的穩定運行和安全，應對流量和壓力的設定值作最大、最小限制。

為消除天氣變化對自動控制的影響，最好的辦法就是建立太陽島傳熱系統的動態模型：根據天氣預報和地面氣象雷達實時數據，預測未來1~2 h 內光照強度、導熱油流量和溫度的變化趨勢，基于預測結果計算出最優的導熱油流量和壓力控制輸入序列，實現預測值與導熱油調整的自動銜接。

2)TES儲熱模式

為減少熔鹽熱傳導時的散熱損失及熔鹽換熱設備運維成本，通常熔鹽的儲能和釋能共用一套油鹽換熱器，換熱器內的介質在儲熱和放熱時反向流動。儲熱模式投入的必要條件就是太陽島SCA 回路已投入運行。該模式下系統的導熱油流量會跟隨SCA負荷變化而變化，其關鍵控制參數為熱鹽罐的入口熔鹽溫度（即油鹽換熱器出口熔鹽溫度），其次是熔鹽壓力和油鹽換熱器的流量。

儲熱模式自動控制模型：油鹽換熱器出口熔鹽溫度作為被控量，通過冷熔鹽泵的頻率調整改變經過油鹽換熱器的熔鹽流量，使之與通過油鹽換熱器的導熱油量相匹配，從而得到預期的熱熔鹽溫度。控制熱熔鹽罐入口調節閥的開度，使熔鹽集管壓力在合理范圍內。

3)TES放熱發電模式

該模式下熔鹽放熱速率是根據機組負荷進行調整的，另防止熔鹽凝結必須保持油鹽換熱器出口熔鹽溫度高于熔鹽凝凍點，故該模式下系統的關鍵控制參數為：流通TES 和SGS 導熱油流量、TES 出口導熱油溫度、TES 入口導熱油溫度、熔鹽壓力、熔鹽流量。

TES 放熱發電模式自動控制模型：由于該模式下兩臺導熱油泵分區運行，為減少閥門節流損失，因此保持TES導熱油流量調節閥全開，使用#2導熱油泵的頻率控制TES 和SGS 導熱油量。調節熱熔鹽泵的頻率，使經過油鹽換熱器的熔鹽流量與TES導熱油量相匹配，從而達到TES出口導熱油溫度控制目的。通過冷熔鹽罐入口調節閥的開度，使熔鹽集管壓力控制在合理范圍內。無論是導熱油流量還是熔鹽流量調節，為確保系統的安全穩定運行，均應對泵的頻率和系統壓力的設定值作最大、最小限制。

由于天氣等原因熔鹽儲熱量較低，為了減少啟停機，必須維持機組在較低負荷下運行。然而低負荷工況又會造成進入SGS預熱器的給水溫度過低，使SGS出口導熱油溫度低于設計冷熔鹽罐溫度，甚至低于熔鹽的凝凍點，故為了提高TES入口導熱油溫度，需采用TES出口的熱導熱油對其進行混油中和來提升溫度。為此在TES 放熱發電模式自動控制模型中，將冷熱油集管的混油隔離閥2 改成調節閥，使TES入口導熱油溫度保持在熔鹽的凝凍點溫度以上。為保證調節靈敏性和準確度，將TES入口導熱油溫度的采樣點前移，采用#2導熱油泵入口集管溫度。

由于混油后的SGS 導熱油量低于TES 導熱油量，為防止導熱油泵頻率自動控制超調量過大，其控制采樣點使用TES導熱油量測量值，其設定值采用公式(1)修正。

式中：qSGS——通過SGS的導熱油量；

qTES——通過TES的導熱油量；

CSGS——SGS出口導熱油平均比熱；

C補——TES出口導熱油平均比熱；

?t升——TES入口溫度-SGS出口溫度；

?t降——TES出口溫度-SGS出口溫度。

3 結語

傳儲熱系統是導熱油槽式光熱發電機組中非常重要的組成部分，在傳儲熱過程中，能量的傳輸、儲存和釋放需要進行高精度、自動化的控制，以提高系統能量利用率和運行穩定性。本文研究了傳儲熱系統的運行控制和優化方法，提出的自動控制功能可以應用于一般的導熱油槽式光熱發電機組，實現對傳儲熱系統的高效控制，提高系統的效率和穩定性，減少運行人員的工作量，為建立系統能量傳、儲、釋的智能控制算法和先進的控制器提供了有益的啟示和綱領性幫助，也為后期的設計提供了有益思路和實踐經驗，以幫助更好地設計傳儲熱系統。

總之，本文的研究成果為導熱油槽式光熱發電機組傳儲熱系統的運行控制提供了有效的方法和思路，可為相關研究和實踐提供幫助，促進這一領域的不斷進步和發展。