導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站集儲換熱島性能試驗分析

于英利，王研凱，張智羽，韓 義，韓 元

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

太陽能光熱發(fā)電作為一種完全清潔的發(fā)電方式，具有發(fā)電穩(wěn)定連續(xù)等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了大力推廣。與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電方式相比，太陽能光熱發(fā)電避免了燃燒化石能源帶來的污染；與光伏發(fā)電方式相比，節(jié)省了光伏發(fā)電技術(shù)中昂貴的硅晶材料，降低了發(fā)電成本。通過光熱轉(zhuǎn)換獲得價格低廉、形式簡單的熱能進(jìn)而發(fā)電，與儲能裝置相結(jié)合，較好地解決了太陽能光熱發(fā)電的穩(wěn)定性、持續(xù)性問題，促進(jìn)了太陽能光熱規(guī)模化利用[1]。

槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、中溫蓄熱、利于聯(lián)合運行等特點，成為首先進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)的太陽能熱發(fā)電技術(shù)。目前我國槽式太陽能光熱電站主要分布在青海省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、河北省等太陽能資源較為豐富的地區(qū)，發(fā)電裝機(jī)容量以50 MW為主，少量裝機(jī)容量達(dá)100 MW及以上。隨著槽式太陽能光熱電站的大量建設(shè)與商業(yè)投產(chǎn)，電站性能驗收工作逐步增多。目前，針對槽式太陽能光熱電站的性能試驗標(biāo)準(zhǔn)還不完善，尤其對于集熱/儲熱/換熱系統(tǒng)（以下簡稱集儲換熱島）的性能考核驗收尚屬空白。本文借鑒電力行業(yè)發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)性能考核驗收思路，對槽式太陽能光熱電站集儲換熱島性能試驗的工作內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)簡介

典型的槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)主要分為聚光集熱系統(tǒng)（太陽鏡場）、儲熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)和輔助能源系統(tǒng)等。

聚光集熱系統(tǒng)是槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心，它由多個聚光集熱單元組成，太陽輻射能聚焦到聚光集熱器，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能傳導(dǎo)入熱傳輸介質(zhì)，如導(dǎo)熱油、水或熔鹽中。儲熱系統(tǒng)是在太陽輻射較強(qiáng)且發(fā)電負(fù)荷較低情況下，將多余的熱量儲存起來，以便在太陽輻射不足或夜晚時釋放熱量供換熱系統(tǒng)利用。換熱系統(tǒng)由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器等組成[1]，換熱系統(tǒng)也叫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)火力發(fā)電設(shè)備類似，包含汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)等。為了便于工作劃分，通常把聚光集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)統(tǒng)稱為集儲換熱島，其他設(shè)備系統(tǒng)統(tǒng)稱為常規(guī)發(fā)電島。典型的導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱發(fā)電過程如圖1所示。

2 試驗?zāi)康呐c考核指標(biāo)

傳統(tǒng)電力行業(yè)設(shè)備系統(tǒng)性能試驗的最初目的是驗收設(shè)備系統(tǒng)的性能是否達(dá)到廠家的設(shè)計值或合同的規(guī)定值，隨著國家節(jié)能減排的政策引領(lǐng)，尤其對于熱能轉(zhuǎn)化設(shè)備，發(fā)電設(shè)備的性能試驗要求更多體現(xiàn)在節(jié)能方面，諸如設(shè)備熱能轉(zhuǎn)化效率、工質(zhì)參數(shù)、輔機(jī)耗電率等[2]。

對于導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站，尤其對于集儲換熱島的性能試驗，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)備廠家與設(shè)計院提供的設(shè)備系統(tǒng)的性能保證值、熱力計算說明、熱平衡圖、氣象環(huán)境等資料，通過性能試驗手段，檢測出相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，考核集儲換熱島的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求和供應(yīng)商提供的性能保證值要求。推薦的導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站集儲換熱島系統(tǒng)的性能考核指標(biāo)如表1所示。

表1 典型導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站集儲換熱島系統(tǒng)性能考核指標(biāo)

3 性能試驗

3.1 集熱系統(tǒng)效率試驗

集熱系統(tǒng)總效率是指單位時間內(nèi)導(dǎo)熱油吸收的總熱量與單位時間有效面積太陽鏡能夠獲得的太陽能直接直射輻射能量的比值。集熱系統(tǒng)總效率表征試驗集熱太陽鏡單元，在單位時間內(nèi)太陽能直接直射輻射能量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過太陽鏡的反射聚焦加熱，導(dǎo)熱油能夠吸收最大熱量的能力。集熱系統(tǒng)總效率受太陽鏡本體特性、太陽鏡表面清潔度、反射損失、折射損失、集熱管集熱特性與換熱特性等諸多因素影響[3-4]。

圖1 典型導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱發(fā)電過程示意圖

太陽能直接直射輻射能量，可通過太陽能輻射儀器進(jìn)行測量；導(dǎo)熱油的物性參數(shù)，如溫度、流量等可以通過常規(guī)測量儀器測出；導(dǎo)熱油吸熱量可通過導(dǎo)熱油入口及出口物性參數(shù)以及流量測量計算得知。集熱系統(tǒng)總效率的測量計算數(shù)值可根據(jù)公式（1）計算。

式中：η集為集熱系統(tǒng)總效率，%；Qoil.t為導(dǎo)熱油t時刻流量測量值，kg/s；為導(dǎo)熱油t時刻出口和入口焓值，kJ/kg；為太陽鏡位置測量的t時刻記錄太陽能直接直射輻射能流密度，W/m2；A為導(dǎo)熱油測量回路對應(yīng)的太陽鏡有效鏡面面積，m2。

測量過程選擇本地太陽能光照穩(wěn)定并連續(xù)晴朗天氣條件，地面風(fēng)速小于2 m/s；典型日照時間在11：00—16：00時間段選取連續(xù)4 h。

如果試驗條件允許，可以使用簡化公式（2）測量計算，測量時間間隔可選擇15～30 min。

式中：n為測量時間間隔次數(shù)。

3.2 集熱系統(tǒng)最大連續(xù)出力試驗

集熱系統(tǒng)最大連續(xù)出力是考核全部太陽鏡場集熱并連續(xù)輸出額定參數(shù)導(dǎo)熱油的最大工作能力，表征太陽鏡場全面太陽鏡在全年日照輻射最強(qiáng)的時間段以最優(yōu)最高轉(zhuǎn)換效率工作條件下，能夠輸出額定參數(shù)導(dǎo)熱油的最大連續(xù)工作能力。集熱系統(tǒng)最大連續(xù)出力可通過最大導(dǎo)熱油流量或最大熱功率的指標(biāo)來表征。

以最大導(dǎo)熱油流量特征指標(biāo)為例，宜選擇全年日照輻射最強(qiáng)的時間段進(jìn)行測量，連續(xù)測量4 h；試驗前應(yīng)調(diào)整每支導(dǎo)熱油回路的導(dǎo)熱油流量和進(jìn)出口壓力，維持各導(dǎo)熱油回路的出口油溫一致。

式中：Q集為最大導(dǎo)熱油流量，kg/s；為第i回路導(dǎo)熱油t時刻流量測量值，kg/s；m為導(dǎo)熱油回路的總數(shù)量。

集熱系統(tǒng)最大連續(xù)輸出熱能力，可通過最大連續(xù)輸出熱量或最大連續(xù)輸出熱功率指標(biāo)來衡量。依據(jù)能量平衡原理，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量和計算，對公式（3）增添導(dǎo)熱油焓值差、測量時間參數(shù)等，獲得指標(biāo)數(shù)值。

3.3 集熱系統(tǒng)導(dǎo)熱油回路流量偏差特性試驗

對于大型槽式導(dǎo)熱油太陽能光熱電站，常常設(shè)計有數(shù)百條導(dǎo)熱油回路，每條回路貫穿多個太陽鏡集熱組。對于不同的導(dǎo)熱油回路，面臨的太陽能集熱組運行條件不同、導(dǎo)熱油回路管路阻力、鏡面潔凈度與反射損失等各不相同，導(dǎo)熱油回路出口的導(dǎo)熱油物性參數(shù)也有所不同。為了提高導(dǎo)熱油回路的集熱效率，使得數(shù)百條導(dǎo)熱油回路出口油溫一致，滿足額定參數(shù)，需要對集熱系統(tǒng)導(dǎo)熱油回路流量進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并計算各回路之間流量偏差率。

3.4 儲熱系統(tǒng)儲熱性能試驗

儲熱系統(tǒng)儲熱性能直接決定著太陽能光熱電站是否能連續(xù)發(fā)電。對應(yīng)導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站儲熱系統(tǒng)，系統(tǒng)具有獨特性。衡量儲熱系統(tǒng)儲熱性能特性，要考慮儲熱系統(tǒng)熔鹽滿負(fù)荷蓄熱能力、導(dǎo)熱油換熱與蒸汽發(fā)電能力?？梢杂脙蓚€指標(biāo)來表征：一是儲熱系統(tǒng)最大有效儲熱熱能量，表征儲熱系統(tǒng)所具備的最大有效儲能能力[5]；二是有效儲熱時間，表征儲熱系統(tǒng)在最大有效儲熱熱量的前提下，通過導(dǎo)熱油換熱給工質(zhì)發(fā)電，可滿足汽輪機(jī)額定運行負(fù)荷工況下的連續(xù)運行時間。

（1）儲熱系統(tǒng)最大有效儲熱熱量可通過熱熔鹽罐有效運行最高與最低鹽液液位、熱鹽輸送流量、熱鹽與冷鹽溫度以及其他物性參數(shù)依據(jù)公式（5）或公式（6）計算。

式中：M為儲熱系統(tǒng)最大有效儲熱熱量，kJ；Qsa.t為熱熔鹽t時刻流量測量值，kg/s；為熱熔鹽t時刻出口和入口焓值，kJ/kg；Vsa為熱熔鹽罐有效儲熱容積，m3；為熱熔鹽罐熱鹽t時刻密度，kg/m3。

（2）儲熱系統(tǒng)有效儲熱時間可通過儲熱系統(tǒng)有效儲熱熱量進(jìn)行折算，也可以通過現(xiàn)場測試獲得。試驗前，應(yīng)將儲熱系統(tǒng)熱熔鹽罐滿負(fù)荷蓄熱，熔鹽液位達(dá)到滿能量設(shè)計液位，調(diào)整熔鹽儲熱系統(tǒng)導(dǎo)熱油冷端進(jìn)口油溫為設(shè)計溫度，熱鹽輸送放熱回到冷鹽罐，維持冷鹽溫度在設(shè)計溫度范圍區(qū)間，導(dǎo)熱油傳輸換熱給工質(zhì)發(fā)電，直到熱熔鹽罐降至最低液位，這段時間為儲熱系統(tǒng)有效儲熱時間。

3.5 換熱系統(tǒng)性能試驗

典型導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站換熱系統(tǒng)有預(yù)熱器、過熱器、再熱器以及蒸汽發(fā)生器等典型設(shè)備，這些設(shè)備都屬于換熱器，表征換熱器的換熱性能，可通過換熱效率指標(biāo)來衡量換熱能力[6]。換熱效率根據(jù)換熱設(shè)備汽水側(cè)有效吸收熱量與導(dǎo)熱油側(cè)有效釋放熱量的比值計算，以過熱器為例，計算公式為：

式中：ηSH為換熱效率，%；QSH.t、分別為換熱器汽水、導(dǎo)熱油t時刻流量測量值，kg/s；分別為換熱器汽水工質(zhì)t時刻出口和入口焓值，kJ/kg；分別為換熱器導(dǎo)熱油t時刻出口和入口焓值，kJ/kg。

對于預(yù)熱器、過熱器、再熱器以及蒸汽發(fā)生器等典型設(shè)備的換熱效率，為便于工程實際測量與計算，可選擇設(shè)備出力90%以上的工況下進(jìn)行測量，測量時間宜選擇大于2 h的連續(xù)時間段，測量頻次宜選擇時間間隔為10～30 min。

換熱系統(tǒng)汽水阻力指標(biāo)通過換熱器汽水系統(tǒng)的壓力差值獲得，用于評價汽水管路的壓力能損失程度。

3.6 集儲換熱島其他性能試驗

導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站集儲換熱島，除了上述系統(tǒng)，還有膨脹溢流系統(tǒng)、防凝加熱系統(tǒng)、損耗再生系統(tǒng)等。從能源利用角度，通過出力性能、效率、單耗與耗電等指標(biāo)，表征這些系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計性能與運行性能。這些指標(biāo)都可以參考電力行業(yè)動力設(shè)備與系統(tǒng)的性能指標(biāo)測試方法與計算過程獲得。

對于集儲換熱島整體系統(tǒng)的性能試驗，需要設(shè)計院和設(shè)備廠商提供綜合設(shè)計運行模式說明，比對設(shè)計性能指標(biāo)進(jìn)行集儲換熱島整體集熱能力、做功能力、轉(zhuǎn)換能力的性能試驗。

4 結(jié)束語

槽式太陽能光熱技術(shù)，以其技術(shù)成熟、成本低廉、運行維護(hù)便捷等優(yōu)點，在可再生能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域得到越來越多的重視，發(fā)展前景廣闊。近年來，各大科研院所、電力科研機(jī)構(gòu)、行業(yè)團(tuán)體都在積極構(gòu)建光熱電站的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中電站性能驗收工作標(biāo)準(zhǔn)仍在研究探索中。本文借鑒電力行業(yè)火力發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)性能考核驗收的思路和方法，對導(dǎo)熱油槽式太陽能光熱電站的集儲換熱島的典型設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行了分析，探討了性能試驗的技術(shù)指標(biāo)、工作方法與內(nèi)容等，以期促進(jìn)今后導(dǎo)熱油槽式光熱電站的性能試驗發(fā)展，為相關(guān)技術(shù)人員開展試驗工作提供參考。