羅 凱,許 濤,劉海明,劉 剛

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

淺談塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站性能試驗(yàn)

羅 凱,許 濤,劉海明,劉 剛

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

針對(duì)太陽(yáng)能光熱發(fā)電將光熱轉(zhuǎn)換成電能且具有電能輸出可控的優(yōu)點(diǎn)，從考核指標(biāo)、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)儀器等方面闡述了塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站性能試驗(yàn)的內(nèi)容與方法，對(duì)如何開展該類型電站的性能考核具有一定的指導(dǎo)意義。

太陽(yáng)能；光熱發(fā)電；性能試驗(yàn)

0 引言

我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，隨著國(guó)家“十三五”能源規(guī)劃的推進(jìn)，可再生、清潔環(huán)保的太陽(yáng)能發(fā)電得到大力發(fā)展。

光伏發(fā)電和光熱發(fā)電是主要的太陽(yáng)能發(fā)電方式。與將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化成電能的光伏發(fā)電不同，光熱發(fā)電是先將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成可以儲(chǔ)存的熱能，再將熱能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。與間歇性的光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電擁有經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)熱、電能穩(wěn)定輸出、調(diào)峰能力突出等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)棄風(fēng)、棄光嚴(yán)峻形勢(shì)下令人矚目的焦點(diǎn)。

2013年，國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的塔式太陽(yáng)能電站中控德令哈10 MW電站并網(wǎng)發(fā)電。2016年，國(guó)家能源局正式發(fā)布《關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》，大力推進(jìn)太陽(yáng)能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，首批示范項(xiàng)目共20個(gè)、總計(jì)裝機(jī)1 350 MW。其中塔式電站項(xiàng)目9個(gè)，單機(jī)容量在50～135 MW之間，總裝機(jī)達(dá)到685 MW，集中在青海、甘肅、新疆、河北等地。

隨著太陽(yáng)能光熱發(fā)電站示范項(xiàng)目的商業(yè)投產(chǎn)，電站的性能驗(yàn)收工作陸續(xù)開展，而目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一套完善的考核標(biāo)準(zhǔn)。本文借鑒多年相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)性闡述了太陽(yáng)能光熱發(fā)電站性能試驗(yàn)的內(nèi)容與方法，拋磚引玉。

1 簡(jiǎn)介

塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站是目前國(guó)內(nèi)主要建成投產(chǎn)的光熱發(fā)電站類型，由塔式聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組組成。聚光集熱系統(tǒng)主要由定日鏡場(chǎng)和放置在吸熱塔上的表面式吸熱器構(gòu)成。吸熱器將太陽(yáng)輻射熱能傳遞到吸熱、儲(chǔ)熱的介質(zhì)熔鹽，熔鹽將熱能儲(chǔ)存在冷、熱雙罐中與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)構(gòu)成熱儲(chǔ)存交換。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)采用過(guò)熱蒸汽發(fā)生器，參數(shù)與再熱式空冷純凝汽輪發(fā)電機(jī)組匹配。圖1是以熔鹽循環(huán)為視角的發(fā)電站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

發(fā)電站有三種運(yùn)行模式：充熱模式、純發(fā)電模式、充熱且發(fā)電模式。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

試驗(yàn)依據(jù)供應(yīng)商提供的設(shè)備及系統(tǒng)的性能保證模型、曲線、熱平衡圖、熱力計(jì)算說(shuō)明、氣象環(huán)境等資料，考核光熱發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)后聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組的各主要指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求和達(dá)到供應(yīng)商提供的性能保證值。

圖1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of solar thermal power station

“發(fā)電能力計(jì)算軟件”或“性能模型軟件”是進(jìn)行性能考核的重要依據(jù)，必須由供應(yīng)商詳細(xì)完整地提供。

按照《火電機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收性能試驗(yàn)導(dǎo)則》，采用ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行性能試驗(yàn)。

3 考核指標(biāo)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電站主要考核指標(biāo)見表1。

表1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電站主要考核指標(biāo)Tab.1 Main assessment indexes of solar thermal power station

4 試驗(yàn)方法

4.1 光電轉(zhuǎn)換效率試驗(yàn)

光電轉(zhuǎn)換效率是指定日鏡場(chǎng)接收的總能量經(jīng)過(guò)反射、吸熱、儲(chǔ)熱、換熱、蒸汽發(fā)生及透平轉(zhuǎn)換到電能的效率，是發(fā)電量與定日鏡場(chǎng)接收的太陽(yáng)法向直接輻射能之比。

光電轉(zhuǎn)換效率需要考核兩個(gè)指標(biāo)，即設(shè)計(jì)工況光電轉(zhuǎn)換效率和年均光電轉(zhuǎn)換效率。

設(shè)計(jì)工況光電效率=光熱效率×儲(chǔ)熱效率×換熱效率×汽輪發(fā)電機(jī)組效率

年均光電效率=[年實(shí)際發(fā)電量 ∕（年DNI×鏡場(chǎng)面積）]×100%

4.1.1 光熱效率

光熱效率是吸熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)獲得的總能量與入射在集熱場(chǎng)采光口面積的太陽(yáng)法向直接輻射能之比。光熱效率計(jì)算公式為

式中：Mj1為吸熱器入口熔鹽流量（kg/s）；A1r為鏡場(chǎng)有效工作定日鏡的總采光面積（m2）；Tj3為吸熱器入口熔鹽溫度（K）；Tj4為吸熱器出口熔鹽溫度（K）；Cpj3為入口熔鹽溫度對(duì)應(yīng)的比熱（kJ/kg·K）；Cpj4為出口熔鹽溫度對(duì)應(yīng)比熱（kJ/kg·K）。

4.1.2 儲(chǔ)熱效率

儲(chǔ)熱效率指儲(chǔ)罐對(duì)外輸出的能量與輸出的能量和儲(chǔ)罐散熱損失之和的比值。儲(chǔ)熱效率計(jì)算公式為

式中：△h為冷鹽和熱鹽的焓差（kJ/kg）；Mh為熱鹽流量（kg/s）；Ploss,TSS為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的散熱損失（kW）。

4.1.3 換熱效率

換熱效率指換熱系統(tǒng)汽水側(cè)吸收熱量與熔鹽側(cè)釋放熱量的比值。換熱效率計(jì)算公式為

式中：Mj2為換熱器給水流量（kg/s）；hj1為給水焓值（kJ/kg）；hj2為過(guò)熱器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Mj3為再熱器蒸汽流量（kg/s）；hj3為再熱器入口蒸汽焓值（kJ/kg）；hj4為再熱器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Msh5為熱鹽罐出口熔鹽流量（kg/s）；Tsh6為熱鹽罐出口熔鹽溫度（K）；Tsh7為冷鹽罐入口熔鹽溫度（K）；Cpsh6為熱鹽罐出口熔鹽比熱（kJ/kg·K）；Cpsh7為冷鹽罐入口熔鹽比熱（kJ/kg·K）。

4.2 聚光集熱系統(tǒng)效率試驗(yàn)

通過(guò)聚光集熱系統(tǒng)的能量平衡來(lái)試驗(yàn)測(cè)試該系統(tǒng)的效率，常采用兩種不同的試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)備效率的驗(yàn)收。

4.2.1 額定充能試驗(yàn)

該試驗(yàn)用于比較太陽(yáng)能吸熱器的實(shí)際熱平衡與保證熱平衡的熱功率的關(guān)系。

性能保證值=吸熱器熱功率(測(cè)量)∕吸熱器熱功率(保證)

吸熱器熱功率(測(cè)量)=熔鹽的質(zhì)量流量×(熔鹽出口焓—熔鹽入口焓)

吸熱器熱功率(保證)=DNI×聚焦定日鏡×單個(gè)定日鏡面積×鏡場(chǎng)反射率×鏡場(chǎng)效率×吸熱器效率

其中：DNI為需要測(cè)量太陽(yáng)法向直接輻射能（W/m2）；聚焦定日鏡為在試驗(yàn)期間聚焦在吸熱器上的定日鏡的平均數(shù)量；鏡場(chǎng)反射率、鏡場(chǎng)效率、吸熱器效率均由供應(yīng)商提供，不用測(cè)量。

4.2.2 年際能量試驗(yàn)

進(jìn)行一年能量試驗(yàn)是為了評(píng)估吸熱器在一年期間內(nèi)總的熱能吸收狀況。

保證值應(yīng)通過(guò)下式計(jì)算：

保證率考核年=吸熱器吸收能量(實(shí)際運(yùn)行)∕吸熱器吸收能量(保證值)×100%

在滿足以下工況時(shí)試驗(yàn)：

（1）吸熱器在性能考核期吸收的能量應(yīng)計(jì)算為在性能考核期運(yùn)行期間每10 min吸熱器吸收能量的總和。吸收能量應(yīng)計(jì)算為熔鹽的焓差乘以每10 min的平均熔鹽質(zhì)量流量，再進(jìn)行功率和能量的轉(zhuǎn)化。

突出基層建設(shè)投入，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)管工作全覆蓋。將食品藥品安全工作重心下移，關(guān)口前移，在全區(qū)率先成立村級(jí)食品藥品安全工作站。全縣157個(gè)村（社區(qū)）均設(shè)有食品藥品安全工作站，每站聘請(qǐng)1名食品安全協(xié)管員，1412個(gè)自然屯各聘請(qǐng)1名食品安全信息員，協(xié)助鄉(xiāng)鎮(zhèn)食品藥品監(jiān)管所開展工作，實(shí)現(xiàn)食品藥品安全監(jiān)管全覆蓋。

（2）吸熱器吸收的能量（保證值）應(yīng)當(dāng)由供應(yīng)商提供的鏡場(chǎng)和吸熱器系統(tǒng)的性能保證模型給出。該性能模型給出包含系統(tǒng)每10 min能量輸出，包括諸如聚焦定日鏡的數(shù)量、吸收功率、熔鹽流量和溫度等值。該性能模型的輸入是在每10 min保證期內(nèi)測(cè)量的氣象條件。

4.3 吸熱器熱功率試驗(yàn)

試驗(yàn)在電站充熱且發(fā)電模式下進(jìn)行。吸熱器最大熱功率試驗(yàn)需要在定日鏡場(chǎng)調(diào)整到吸熱器采光口獲得最大的太陽(yáng)法向直接輻射能的情況下進(jìn)行。

4.4 儲(chǔ)熱能力試驗(yàn)

儲(chǔ)熱能力可以用有效儲(chǔ)熱時(shí)間定量。

試驗(yàn)在電站純發(fā)電模式下進(jìn)行。熱熔鹽罐液位達(dá)到能量?jī)?chǔ)滿時(shí)的設(shè)計(jì)液位，聚光集熱系統(tǒng)停運(yùn)，汽輪機(jī)在額定工況下連續(xù)運(yùn)行到儲(chǔ)罐液位下降到最低設(shè)計(jì)液位，等效發(fā)電小時(shí)數(shù)不低于保證時(shí)間。

4.5 蒸汽發(fā)生器換熱效率試驗(yàn)

按照ASME PTC4—2013中對(duì)蒸汽發(fā)生器性能考核的相關(guān)規(guī)定，采用能量輸入-輸出法進(jìn)行效率計(jì)算，可參考公式（3）。

4.6 典型日能力發(fā)電量試驗(yàn)

能力發(fā)電量是指供應(yīng)商提供的“發(fā)電能力計(jì)算軟件”或“性能模型軟件”，根據(jù)光資源、氣象數(shù)據(jù)以及熱力參數(shù)等，計(jì)算得到單位時(shí)間（秒、分、時(shí)、日、年）的發(fā)電量和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)。

典型日定為春分、夏至、秋分、冬至四個(gè)階段前后。試驗(yàn)分別在春分、夏至、秋分、冬至前1天0點(diǎn)到后1天24點(diǎn)，進(jìn)行72 h的連續(xù)發(fā)電能力考核?？己饲?、后記錄冷、熱熔鹽罐液位以修正儲(chǔ)熱差值對(duì)應(yīng)的發(fā)電量。以典型日發(fā)電量偏差作為考核指標(biāo)。

典型日實(shí)際發(fā)電量=連續(xù)3 d實(shí)際發(fā)電量+考核前后液位偏差等效電量

4.7 年外供電量試驗(yàn)

年外供電量也稱作機(jī)組年凈發(fā)電量，計(jì)算公式如下：

年外供電量=年實(shí)際發(fā)電量-年實(shí)際廠用電量

年實(shí)際發(fā)電量指發(fā)電機(jī)組全年實(shí)際發(fā)出的電量總和，用發(fā)電機(jī)出口電能表或功率表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年實(shí)際廠用電量用各個(gè)廠用電系統(tǒng)的電能表或功率表統(tǒng)計(jì)。

年外供電量修正包括兩部分，一是DNI偏差引起的發(fā)電量偏差，一是調(diào)度限制出力負(fù)荷引起的發(fā)電量偏差。

（1）DNI偏差引起的發(fā)電量偏差

年外供電量偏差DNI（kW·h）=年能力發(fā)電量-年實(shí)際發(fā)電量

年能力發(fā)電量由“發(fā)電能力計(jì)算軟件”計(jì)算日能力發(fā)電量，以某一約定日開始，累計(jì)日歷年的電量構(gòu)成；年實(shí)際發(fā)電量為年發(fā)電量累計(jì)，以發(fā)電機(jī)出口功率表數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

（2）調(diào)度限制負(fù)荷發(fā)電量偏差

按日統(tǒng)計(jì)調(diào)度限制負(fù)荷的發(fā)電量偏差，累計(jì)構(gòu)成年調(diào)度限制負(fù)荷發(fā)電量修正值。

日發(fā)電量考核修正值=日能力發(fā)電量-日實(shí)際發(fā)電量-熱熔鹽罐等效發(fā)電量

其中，熱熔鹽罐等效發(fā)電量為當(dāng)日00：00到24：00點(diǎn)實(shí)際熱熔鹽罐中的儲(chǔ)熱能量的差值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)熱熔鹽罐液位差和冷熱鹽罐的焓差，算出儲(chǔ)熱量對(duì)應(yīng)的等效發(fā)電量。

4.8 汽輪機(jī)熱耗及出力試驗(yàn)

汽輪機(jī)熱耗試驗(yàn)、出力試驗(yàn)參考燃煤電站進(jìn)行，在此不另外說(shuō)明。

5 試驗(yàn)儀器

除了使用常規(guī)燃煤電站的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)試驗(yàn)儀器，如溫度計(jì)、流量計(jì)、電能表、功率表等以外，試驗(yàn)還有兩個(gè)重要測(cè)量?jī)x器。一個(gè)是安裝在太陽(yáng)能吸熱器熔鹽管路入口處和熱熔鹽罐出口處的高溫超聲波流量計(jì)（含溫度測(cè)量模塊），其作用是用來(lái)測(cè)量熔鹽的溫度和質(zhì)量流量；另一個(gè)是日射強(qiáng)度計(jì)，用來(lái)測(cè)量DNI值。

另外，試驗(yàn)可以采用現(xiàn)場(chǎng)已安裝的儀表作為測(cè)量?jī)x器，比如安裝在冷、熱熔鹽罐上的液位計(jì)，以及現(xiàn)場(chǎng)的氣象站儀表，但這些儀表必須在試驗(yàn)前校準(zhǔn)合格并指示準(zhǔn)確。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電以其電能可控的優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)新能源發(fā)電領(lǐng)域?qū)?huì)占有越來(lái)越大的比重，尤其在我國(guó)西北地區(qū)市場(chǎng)前景廣闊。本文簡(jiǎn)要地介紹了塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的主要性能考核指標(biāo)及性能試驗(yàn)的內(nèi)容與方法，可為今后開展太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的性能考核提供參考。

The Performance Test of Tower-Type Solar Thermal Power Plant

LUO Kai，XU Tao，LIU Haiming，LIU Gang
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

Solar thermal power generation converts light heat into electricity that is controllable as advantage.The contents and methods of performance test of tower-type solar thermal power plants are introduced from aspects of appraisal index,test method and instruments,which has cer?tain guiding significance on how to carry out the performance tests for power plants of this type.

solar;solar thermal power;performance test

TM615

A

1006-3986(2016)11-0040-03

10.19308/j.hep.2016.11.009

2016-10-18

羅 凱（1983），男，湖北武漢人，碩士，高級(jí)工程師。