許粲羚，朱子欽（浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

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塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站能源管理系統(tǒng)的探討

許粲羚，朱子欽（浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

摘要：本文介紹了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的發(fā)展現(xiàn)狀，論述了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主要控制系統(tǒng)組成，提出了能源管理系統(tǒng)的基本構(gòu)架和管理運(yùn)行模式，為有效地管理和控制塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站提供了可行方案。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱發(fā)電站；能源管理系統(tǒng)

1　引言

能源和環(huán)境是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)問(wèn)題，化石能源短缺，生態(tài)環(huán)境惡化，促使各國(guó)都加大了對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)。相對(duì)于風(fēng)能、潮汐能以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電等，太陽(yáng)能熱發(fā)電具有發(fā)電功率平穩(wěn)可控、運(yùn)行方式靈活、熱電冷可聯(lián)供等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了當(dāng)前世界范圍內(nèi)的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。隨著一批太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，如何對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電站進(jìn)行有效管理和控制，合理利用太陽(yáng)能資源，減少能源浪費(fèi)，提高太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行效率，是一個(gè)值得深入研究的新興課題。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)可分為塔式、槽式、碟式三種主要類(lèi)型，本文將以塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電為例，對(duì)能源管理系統(tǒng)的構(gòu)架和功能進(jìn)行探討，并提出設(shè)計(jì)方案。

2　塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展

2.1塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用多臺(tái)獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，將陽(yáng)光聚集到固定在支撐塔上的吸熱器中，把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成傳熱工質(zhì)的熱能，再通過(guò)熱力循環(huán)轉(zhuǎn)換成電能。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由定日鏡場(chǎng)、支撐塔、吸熱器、儲(chǔ)熱器、換熱器和發(fā)電機(jī)組等組成。按照傳熱工質(zhì)的種類(lèi)，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電主要有水-蒸汽、熔融鹽和空氣等形式。水-蒸汽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1　水-蒸汽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)[1]

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)具有聚光比高，傳熱工質(zhì)能夠達(dá)到較高的工作溫度，熱傳遞路程短，熱損失少，易于實(shí)現(xiàn)蓄熱，系統(tǒng)綜合效率高等特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)可與常規(guī)火電機(jī)組取得一致，使太陽(yáng)能熱電站達(dá)到較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，具有良好的大規(guī)模、大容量應(yīng)用前景。

2.2國(guó)外建設(shè)情況

從2007年至今，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站逐步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。其中，西班牙陸續(xù)投產(chǎn)了PS10、PS20和Gemasolar，其容量分別為11MW、20MW和20MW。美國(guó)陸續(xù)投產(chǎn)了Sierra SunTower、Crescent Dunes和Ivanpah項(xiàng)目，其容量分別為5MW、110MW和392MW。

其中，2014年2月投產(chǎn)的世界最大的商業(yè)化塔式光熱電站—美國(guó)Ivanpah塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電廠總?cè)萘窟_(dá)392MW，是全球塔式光熱電站的標(biāo)志性項(xiàng)目。

表1　國(guó)外部分已建和在建塔式光熱電站

2.3國(guó)內(nèi)建設(shè)情況

在國(guó)內(nèi)，塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電是最早進(jìn)行MW級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)及商業(yè)化運(yùn)行的太陽(yáng)能熱發(fā)電形式。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，由中科院電工所牽頭建設(shè)的八達(dá)嶺太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電項(xiàng)目是我國(guó)第一個(gè)MW級(jí)塔式熱發(fā)電試驗(yàn)項(xiàng)目，該電站于2012年8月成功并網(wǎng)發(fā)電。

由浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司投資建設(shè)的浙江中控德令哈50MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目一期10MW工程，于2013年7月并網(wǎng)發(fā)電，投入商業(yè)運(yùn)行。該電站于2014年9月初獲得國(guó)家發(fā)改委電價(jià)核準(zhǔn)（1.2元/kWh），是我國(guó)第一個(gè)核準(zhǔn)電價(jià)的商業(yè)化太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目。

表2　國(guó)內(nèi)部分已建成塔式光熱電站

表3　國(guó)內(nèi)部分在建及擬建塔式光熱電站

3　主要控制系統(tǒng)的分析

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站主要分太陽(yáng)島和常規(guī)島兩個(gè)部分，太陽(yáng)島的控制系統(tǒng)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。目前太陽(yáng)島的控制系統(tǒng)主要包括鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)、吸熱控制系統(tǒng)和儲(chǔ)熱控制系統(tǒng)等，鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)由于控制對(duì)象多而且復(fù)雜，是當(dāng)前研究的難點(diǎn)和關(guān)鍵。鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)一般將定日鏡分成多個(gè)組進(jìn)行控制，每個(gè)組再包括多個(gè)定日鏡，如圖2所示。

圖2　鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)

常規(guī)島也稱為發(fā)電島，其控制系統(tǒng)與常規(guī)火電廠基本一致，主要包括汽機(jī)電液控制系統(tǒng)（DEH）、汽機(jī)危急遮斷系統(tǒng)（ETS）以及輔助控制系統(tǒng)等。

在太陽(yáng)島控制系統(tǒng)和常規(guī)島控制系統(tǒng)之間，需要設(shè)計(jì)一套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS），用于統(tǒng)籌兩者之間的關(guān)系，使得太陽(yáng)島的熱能輸出與常規(guī)島的發(fā)電量相對(duì)平衡。該系統(tǒng)是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站主控制系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。

目前鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)基本隨鏡場(chǎng)成套設(shè)計(jì)，DEH、ETS基本隨汽輪機(jī)成套設(shè)計(jì)，其他控制系統(tǒng)則由主控制系統(tǒng)完成，主控制系統(tǒng)一般采用分散控制系統(tǒng)（DCS），如圖3所示。

圖3　主控制系統(tǒng)圖

4　能源管理系統(tǒng)的研究

4.1設(shè)置能源管理系統(tǒng)的意義

太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主控制系統(tǒng)雖然可以滿足電站的正常啟停和運(yùn)行，但目前還存在著一系列問(wèn)題。比如，由于太陽(yáng)光照的不確定性，電站的運(yùn)行穩(wěn)定性很難得到保證；主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證電站的運(yùn)行，如何合理利用太陽(yáng)能資源有待考慮；太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)熱與電網(wǎng)需求之間的合理平衡有待優(yōu)化處理等。

能源管理系統(tǒng)，是工業(yè)企業(yè)合理計(jì)劃和利用能源，以降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低排放量為目的的信息化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)其它領(lǐng)域取得了明顯效果。如何讓太陽(yáng)能熱發(fā)電站合理利用資源和能源，提高太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行效率？研究并設(shè)計(jì)一套適合太陽(yáng)能熱發(fā)電站的能源管理系統(tǒng)將具有非常重要的意義。

4.2能源管理系統(tǒng)的構(gòu)架

主控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱發(fā)電站的基本控制，但要合理利用資源和能源，提高太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行效率，則需要在現(xiàn)有主控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加一套天氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)，在綜合分析判斷主控制系統(tǒng)信息和天氣預(yù)測(cè)信息的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套能源管理系統(tǒng)，統(tǒng)籌太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行模式和切換。

與主控制系統(tǒng)構(gòu)架不同的是，在能源管理系統(tǒng)的管控結(jié)構(gòu)中，太陽(yáng)島的概念將只包括鏡場(chǎng)系統(tǒng)和吸熱器系統(tǒng)，不包括儲(chǔ)熱系統(tǒng)。儲(chǔ)熱系統(tǒng)將單獨(dú)作為能源管理的獨(dú)立單元考慮。

能源管理系統(tǒng)是綜合協(xié)調(diào)太陽(yáng)能熱發(fā)電、儲(chǔ)熱與電網(wǎng)需求的管理系統(tǒng)，對(duì)于需要長(zhǎng)期穩(wěn)定接入電網(wǎng)的項(xiàng)目，電站還需要配套輔助燃料系統(tǒng)，供長(zhǎng)期陰雨天氣發(fā)電用。能源管理系統(tǒng)的基本構(gòu)架，如圖4所示。

圖4　能源管理系統(tǒng)圖

4.3能源管理系統(tǒng)的管理模式

能源管理系統(tǒng)以天氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)為基本判據(jù)，與電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行實(shí)時(shí)交換信息，根據(jù)太陽(yáng)輻射情況，可以設(shè)計(jì)四種運(yùn)行管理模式。

模式一：直接發(fā)電并儲(chǔ)熱。該模式適用于陽(yáng)光充足的晴天。在天氣晴好時(shí)，太陽(yáng)島和常規(guī)島正常運(yùn)行，吸熱器發(fā)出的熱量一部分用于發(fā)電，一部分進(jìn)行儲(chǔ)熱。

模式二：直接發(fā)電。該模式適用于陽(yáng)光較弱的天氣，比如晴天的清晨和傍晚、多云天氣、霧霾天氣等。此時(shí)太陽(yáng)光熱全部用來(lái)發(fā)電，儲(chǔ)熱系統(tǒng)停止接受熱能。

模式三：儲(chǔ)能發(fā)電。該模式適用于無(wú)陽(yáng)光的天氣，比如晚上和陰雨天氣等。該模式通過(guò)儲(chǔ)熱系統(tǒng)放出的熱能進(jìn)行發(fā)電，此時(shí)鏡場(chǎng)和吸熱系統(tǒng)停止運(yùn)行，常規(guī)島運(yùn)轉(zhuǎn)。

模式四：停止運(yùn)行或輔助燃料發(fā)電。該模式適用于連續(xù)陰雨天氣時(shí)間超過(guò)最長(zhǎng)儲(chǔ)熱時(shí)間，無(wú)法發(fā)電的情況。此時(shí)全部設(shè)備都將處于停運(yùn)狀態(tài)。對(duì)于設(shè)置有輔助燃料的電站，如果需要發(fā)電，則啟動(dòng)輔助燃料維持發(fā)電運(yùn)行。

以上為太陽(yáng)能熱發(fā)電站能源管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的基本運(yùn)行管理模式，針對(duì)電網(wǎng)中不同定位的電站，比如調(diào)峰電站，則需要根據(jù)電網(wǎng)的指揮實(shí)時(shí)切換不同的運(yùn)行模式。

5　結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能熱發(fā)電站的研究和建設(shè)正處于蓬勃向上的發(fā)展時(shí)期，將能源管理系統(tǒng)應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。充分發(fā)揮好能源管理系統(tǒng)的作用，合理有效地管理和控制電站，使電站在運(yùn)行周期內(nèi)發(fā)揮最大的效能，是能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。能源管理系統(tǒng)是在主控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也是管理和協(xié)調(diào)主控制系統(tǒng)的上層系統(tǒng)，處理好能源管理系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)之間的接口以及相互融合是能源管理系統(tǒng)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)。

本文介紹了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的發(fā)展現(xiàn)狀，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主要控制系統(tǒng)組成，在此基礎(chǔ)上提出了能源管理系統(tǒng)的構(gòu)架和基本管理運(yùn)行模式，可為太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)政策研究報(bào)告[R]. 國(guó)家太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟.

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003-0492（2016）04-0082-03中圖分類(lèi)號(hào)：TK514

作者簡(jiǎn)介

許粲羚（1995-），女，北京人，本科，現(xiàn)就職于浙江大學(xué)能源工程學(xué)院熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與能源工程管理。

Discussion on Energy Management System of Tower-type Solar Thermal Power Station

Abstract:This paper introduces the development status of tower-type solar thermal power stations, discusses its main control systems, and proposes the basic framework and management operation modes with providing the feasible scheme to manage and control tower-type solar thermal power stations effectively.

Key words:Solar thermal power station; Energy management system