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        液壓系統(tǒng)在塔式光熱電站定日鏡中的應(yīng)用

        2021-12-23 12:01:51金常鑫
        機(jī)電信息 2021年30期
        關(guān)鍵詞:蓄能器變頻器液壓

        摘 要:塔式光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列定日鏡反射太陽光至吸熱塔,通過換熱裝置提供蒸汽,結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝,從而達(dá)到發(fā)電的目的。近年來,隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,大尺寸定日鏡被更多地應(yīng)用于塔式光熱電站,同時(shí)采用液壓技術(shù)也成為驅(qū)動定日鏡跟蹤系統(tǒng)的一種新選擇?,F(xiàn)參考近年來國內(nèi)外兩種不同設(shè)計(jì)風(fēng)格的光熱電站,總結(jié)了其中定日鏡液壓驅(qū)動部分各種優(yōu)點(diǎn)與不足,之后對新興的數(shù)字液壓方式進(jìn)行了介紹,最后探討了光熱發(fā)電的發(fā)展前景。

        關(guān)鍵詞:定日鏡;液壓;蓄能器;變頻器;數(shù)字液壓

        0 ? ?引言

        塔式光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列式定日鏡反射太陽光至吸熱塔,通過換熱裝置提供蒸汽,結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝,從而達(dá)到發(fā)電的目的。而且,通過加熱溶鹽的方式可以將太陽能儲存在巨大的容器中,在太陽落山后幾個(gè)小時(shí)仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站中用于跟蹤太陽并聚集反射太陽光進(jìn)入位于吸熱塔頂部吸熱器內(nèi)的重要設(shè)備,其跟蹤準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接影響太陽能熱發(fā)電的效率[1]。近年來,隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,大尺寸定日鏡被更多地應(yīng)用于塔式光熱電站,同時(shí)采用液壓技術(shù)替代小定日鏡所采用的傳統(tǒng)“雙回轉(zhuǎn)減速機(jī)”或“回轉(zhuǎn)減速機(jī)+電動推桿”電傳動技術(shù),成為驅(qū)動定日鏡跟蹤系統(tǒng)的一種新選擇。

        1 ? ?傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的不同類型

        由于光熱電站需要定日鏡一直追蹤太陽實(shí)時(shí)軌跡,因此,白天需要長時(shí)間不間斷地調(diào)整定日鏡方位,以便可以使反射太陽光一直聚焦于光塔吸熱器上。高頻率的短時(shí)動作是塔式光熱電站定日鏡的主要工作方式。摩洛哥NOOR3期光熱電站和青海海西光熱電站都采用了大面積定日鏡,也都采用了液壓驅(qū)動的方式,但由于出自不同的設(shè)計(jì)院,還是有著不同的風(fēng)格。

        1.1 ? ?蓄能器方式

        摩洛哥NOOR3期光熱電站位于努奧光熱發(fā)電園區(qū)內(nèi),工程裝機(jī)容量150 MW,是目前世界上已投入商業(yè)發(fā)電的最大規(guī)模塔式光熱電站,于2018年10月20日順利完成可靠性運(yùn)行試驗(yàn)。其使用178 m2大尺寸定日鏡,共7 500面,是單體面積全球最大的定日鏡[2]。鏡場部分由西班牙SENOR設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì),使用液壓+蓄能器的方式進(jìn)行定日鏡控制。全套液壓系統(tǒng)使用西班牙GLUAL公司的液壓缸和活塞式蓄能器,分別在水平方向布置3個(gè)水平缸,豎直方向布置1個(gè)俯仰缸,如圖1所示。通過8個(gè)單電控電磁閥進(jìn)行控制;在油缸過濾器部位設(shè)有一個(gè)壓力傳感器,對過濾器壓力進(jìn)行監(jiān)控,過濾器達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行清理;使用蓄能器儲能,在定日鏡動作最頻繁的時(shí)候,可以做到15 min進(jìn)行一次儲能。

        使用蓄能器可以起到儲存能量和穩(wěn)定壓力的作用,避免油泵的頻繁啟動,另外,如果需要對定日鏡進(jìn)行高速動作,蓄能器還能起到平穩(wěn)壓力的作用,可使定日鏡在高速動作的同時(shí)基本保持相同速度;3個(gè)水平缸的布置方式,在追日模式下可以對驅(qū)動油缸位置進(jìn)行精確控制,使進(jìn)油量控制在1~2 mL級別,對應(yīng)定日鏡跟蹤精度可達(dá)±0.3 mrad;同時(shí)使用密閉式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),軸承元件整體密封,避免了風(fēng)沙及異物對軸承的影響,可以使定日鏡在較長時(shí)間內(nèi)做到平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)然,使用3個(gè)水平缸,增加了穩(wěn)定性的同時(shí),也增加了硬件采購方面的成本;密閉式的軸承使所有的組裝作業(yè)都要在定日鏡組裝車間內(nèi)完成,現(xiàn)場如果出現(xiàn)問題,無法進(jìn)行故障排查,必須整體吊裝回到組裝車間重新安裝,不利于后期的檢修與維護(hù)。

        1.2 ? ?變頻器方式

        青海海西50 MW光熱電站位于青海省格爾木市,屬于魯能海西州多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程中的光熱發(fā)電站,是世界上首個(gè)集風(fēng)光熱儲調(diào)荷于一體的多能互補(bǔ)科技創(chuàng)新項(xiàng)目。該項(xiàng)目使用4 400面144 m2大尺寸定日鏡,是目前國內(nèi)單體定日鏡面積最大、儲熱時(shí)間最長的項(xiàng)目,于2020年8月27日順利完成120 h可靠性運(yùn)行。鏡場部分由西班牙ABENGO設(shè)計(jì)院與中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院共同設(shè)計(jì),使用變頻器+液壓泵的方式對定日鏡進(jìn)行控制。采用國產(chǎn)370 W電機(jī)+小功率變頻器對液壓泵進(jìn)行驅(qū)動,通過變頻電機(jī)驅(qū)動微型定量柱塞泵為系統(tǒng)提供壓力源,變頻電機(jī)分別在高頻和低頻狀態(tài)下工作,以應(yīng)對定日鏡的快速和慢速運(yùn)動。通過主回路的電磁換向閥控制泵源向驅(qū)動供油。

        海西電站定日鏡在水平方向布置2個(gè)水平缸,豎直方向布置1個(gè)俯仰缸,如圖2所示,通過3個(gè)雙電控電磁閥進(jìn)行控制。在追日模式下,通過變頻器給定低頻率對油缸進(jìn)行精確控制;在早午晚太陽角度變化規(guī)律不同的情況下,再對變頻器低頻進(jìn)行分段設(shè)置,而在遇到突然的大風(fēng)天氣或其他需要緊急收起定日鏡的情況下,可以使用變頻器給定高頻率進(jìn)行操作,這樣就提升了操作的靈活性與多樣性;同樣地,使用壓力傳感器監(jiān)控過濾器壓力,可以及時(shí)清理油缸。

        由于定日鏡水平方向上的驅(qū)動由2個(gè)油缸來完成,那么不可避免地,在運(yùn)動過程中,當(dāng)經(jīng)過±45°和±135°這4個(gè)切缸角時(shí),從2個(gè)水平缸配合動作變?yōu)?個(gè)水平缸單獨(dú)動作,在追日模式下速度較慢時(shí),對定日鏡的動作影響不明顯,但當(dāng)使用高速模式操作時(shí),在經(jīng)過切缸點(diǎn)時(shí)就能明顯感覺到速度的遲緩,而且長時(shí)間在固定點(diǎn)位降速也會對回轉(zhuǎn)軸承造成一定的磨損。

        相對于采用蓄能器方式的定日鏡,此方式減少了一套水平缸以及相應(yīng)的電磁閥,在成本上具有一定優(yōu)勢,變頻器可以通過編程的方式對頻率進(jìn)行按需切換,操作更加靈活;而將蓄能器替換為變頻器,變頻器安裝在就地LOC箱內(nèi)部,位于立柱上人手可及的高度,在檢修上也更為便捷;但是在定日鏡的運(yùn)動控制上存在些許不足之處,當(dāng)然這個(gè)也要具體情況具體分析,不同的項(xiàng)目需求是選擇方案的一個(gè)重要因素。

        2 ? ?數(shù)字液壓方式

        除上述兩種液壓驅(qū)動方式之外,還有一種數(shù)字液壓技術(shù)正在光熱發(fā)電中逐步開展應(yīng)用。數(shù)字液壓,即液壓執(zhí)行器件(油缸、油馬達(dá))的運(yùn)動特性與電脈沖一一對應(yīng),電脈沖的頻率對應(yīng)油缸的運(yùn)動速度(油馬達(dá)角速度),電脈沖的數(shù)量對應(yīng)油缸的運(yùn)動行程(油馬達(dá)角度),執(zhí)行器件的精度不受負(fù)載、油壓等影響而發(fā)生變化。

        數(shù)字液壓與傳統(tǒng)液壓最大的區(qū)別在于,傳統(tǒng)液壓控制方式需要通過外置的傳感器對定日鏡的水平及俯仰方向進(jìn)行角度測量,而數(shù)字液壓只對油缸進(jìn)行精確控制,通過伸出長度推算當(dāng)前角度,省去了額外儀表的開支。數(shù)字液壓集成了伺服閥精確的控制能力和精度,在構(gòu)成上更簡單,具有成本優(yōu)勢。但是由于控制方式的不同,數(shù)字液壓無法對鏡片的偏移、定日鏡長時(shí)間的地基沉降等其他干擾做出及時(shí)有效的響應(yīng),在定日鏡面積較小、鏡場場地規(guī)模不大的情況下,低成本的數(shù)字液壓具有一定的推廣價(jià)值。目前已經(jīng)由北京某公司在西班牙光熱發(fā)電測試場進(jìn)行了測試,作為光熱發(fā)電中的新興力量,在解決好干擾源的擾動問題之后,作為一個(gè)低成本的液壓驅(qū)動方式,數(shù)字液壓未來還有很大的發(fā)展空間。

        3 ? ?結(jié)語

        由于光熱項(xiàng)目的特殊性,定日鏡具有規(guī)?;奶攸c(diǎn),一個(gè)設(shè)備在定標(biāo)后,出貨量是以百甚至以千為單位進(jìn)行計(jì)算的,這對于國內(nèi)的生產(chǎn)制造企業(yè)是一個(gè)非常好的發(fā)展機(jī)會。在2018年國內(nèi)某光熱電站正式動工前,EPC方對國內(nèi)定日鏡的液壓驅(qū)動方式進(jìn)行過一次比對,國內(nèi)總共只有5個(gè)廠家參與,驅(qū)動方式無外乎以上3種。國際上,光熱發(fā)電目前正處在一個(gè)裝機(jī)容量不斷增加,配套廠商不斷增多,單位發(fā)電成本不斷下降的大環(huán)境中,與此同時(shí),我國不論是在政策還是資金上都在大力扶持新能源項(xiàng)目。在光熱發(fā)電領(lǐng)域,相比美國、西班牙這些光熱發(fā)展較早的國家,我國在理論和技術(shù)上還相對落后,相關(guān)配套廠家也不多,但未來,光熱發(fā)電在中國一定會有更大更好的發(fā)展,各廠家也有更多的機(jī)會參與到國內(nèi)外的競爭中去,為國家創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 唐濤,馬振興,郭慶.塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡傳動機(jī)構(gòu)的研制[J].機(jī)械制造,2019,57(6):13-14.

        [2] 樊濤.摩洛哥努奧三期150 MW塔式光熱電站工程[J].電力勘測設(shè)計(jì),2021(6):2.

        收稿日期:2021-08-30

        作者簡介:金常鑫(1981—),男,山東濱州人,碩士研究生,工程師,研究方向:自動化、機(jī)電一體化、化工過程機(jī)械。

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