朱成葉 劉 強(qiáng) 任天翔 段明浩

1.蘇州熱工研究院有限公司

2.中廣核太陽(yáng)能德令哈有限公司

0 引言

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的研究及應(yīng)用始于上世紀(jì)70、80年代歐美國(guó)家，現(xiàn)在在許多國(guó)家得到大力發(fā)展和推廣，已成為重要的可再生能源，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)在文獻(xiàn)［1］中有詳細(xì)的介紹。熱油槽式光熱發(fā)電核心部件包括太陽(yáng)島集熱器和傳熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前在我國(guó)已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，但研究主要集中在定日鏡、反射鏡場(chǎng)及集熱器方面，傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)的控制研究較少，可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多，傳儲(chǔ)熱的控制大部分操作處于手動(dòng)控制。

1 傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)運(yùn)行控制方式

導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電作為新型的電力技術(shù)，其傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)的控制可視為火電機(jī)組鍋爐風(fēng)煤配比、燃燒調(diào)整，控制核心就是用傳儲(chǔ)熱介質(zhì)串聯(lián)太陽(yáng)島集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)完成換熱速率調(diào)節(jié)及協(xié)調(diào)控制。

對(duì)于導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電技術(shù)的運(yùn)行模式，文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］均有描述。按照傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)傳儲(chǔ)熱介質(zhì)的循環(huán)路徑和運(yùn)行方式，將其控制方式分為常用運(yùn)行模式和特殊運(yùn)行模式，特殊運(yùn)行模式發(fā)生幾率較低或?qū)嵱靡饬x不大。以下介紹了幾種控制模式，并對(duì)控制模式切換操作的便利性提出了優(yōu)化。

1)常用運(yùn)行模式

（1）太陽(yáng)島發(fā)電＋儲(chǔ)熱模式

該模式通常是在太陽(yáng)輻照較強(qiáng)，太陽(yáng)島集熱器（Solar Concentrator Array，SCA）產(chǎn)生的熱能既能維持機(jī)組發(fā)電又有多余熱能儲(chǔ)存時(shí)的一種模式。該模式的導(dǎo)熱油循環(huán)泵無(wú)須分區(qū)運(yùn)行，兩臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵泵出的導(dǎo)熱油經(jīng)太陽(yáng)島集熱器吸熱升溫（最高溫度至393 ℃），再通過(guò)熱油集管分別進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)（Steam Generation System，SGS）放熱發(fā)電和熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)（Thermal Energy Storage System，TES）完成熱能儲(chǔ)存，最后在冷油集管混合后通過(guò)膨脹罐進(jìn)入導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口集管，此時(shí)TES 系統(tǒng)的冷熔鹽泵運(yùn)行。流程示意圖見(jiàn)圖1，棕色粗線條為導(dǎo)熱油的循環(huán)路徑，紅色標(biāo)注設(shè)備為運(yùn)行設(shè)備或開(kāi)啟的閥門(mén)。

圖1 太陽(yáng)島發(fā)電＋儲(chǔ)熱模式下的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)流程示意圖

（2）太陽(yáng)島單獨(dú)發(fā)電模式

該模式一般發(fā)生在每天的清晨、傍晚，或天氣變化引起日照強(qiáng)度改變、儲(chǔ)熱放熱模式相互切換期間、單獨(dú)防凝模式退出后汽輪機(jī)組剛啟動(dòng)的一段時(shí)間。此模式是一種過(guò)渡控制模式，是一種短暫的運(yùn)行方式。此模式的導(dǎo)熱油路徑為：任一或兩臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵泵出的導(dǎo)熱油經(jīng)SCA吸熱升溫后（最高溫度至393 ℃），再通過(guò)熱油集管進(jìn)入SGS放熱發(fā)電，最后通過(guò)冷油集管和膨脹罐進(jìn)入導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口集管，此模式的導(dǎo)熱油泵無(wú)須分區(qū)運(yùn)行。

（3）TES放熱發(fā)電+太陽(yáng)島防凝模式

該模式一般發(fā)生在夜間或陰雨天SCA 無(wú)法產(chǎn)生熱能情況下，將熔鹽熱能釋放進(jìn)行發(fā)電和防凝循環(huán)的一種模式。此模式下兩臺(tái)導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)熱油循環(huán)路徑分兩部分：①用#1導(dǎo)熱油循環(huán)泵進(jìn)行防凝循環(huán)，其泵出的導(dǎo)熱油在SCA、熱油集管鏡場(chǎng)側(cè)和#1導(dǎo)熱油泵間保持低流量循環(huán)，當(dāng)加熱爐或SCA的導(dǎo)熱油溫度低于50 ℃時(shí)可通過(guò)加熱爐管道對(duì)其補(bǔ)油升溫。②#2導(dǎo)熱油循環(huán)泵作為放熱發(fā)電的油循環(huán)動(dòng)力，其泵出的導(dǎo)熱油在TES吸熱后，一部分經(jīng)熱油集管儲(chǔ)熱側(cè)進(jìn)入SGS放熱降溫，另一部分通過(guò)冷油集管的熱油在SGS 出口與降溫后的冷油混合，最后進(jìn)入#2導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口形成閉環(huán)油回路，該運(yùn)行模式TES系統(tǒng)的熱熔鹽泵運(yùn)行。流程示意圖見(jiàn)圖2，棕色粗線條為T(mén)ES放熱發(fā)電導(dǎo)熱油回路，藍(lán)色粗線條為太陽(yáng)島防凝導(dǎo)熱油回路。

圖2 TES放熱發(fā)電+太陽(yáng)島防凝模式下的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)流程示意圖

（4）單獨(dú)防凝模式

在連續(xù)多云或陰雨天氣，SCA長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法產(chǎn)生熱能且熔鹽儲(chǔ)熱不足、汽輪發(fā)電機(jī)組停止的情況下，將導(dǎo)熱油溫度控制在非凝溫度以上，使導(dǎo)熱油在導(dǎo)熱油泵間、導(dǎo)熱油加熱爐、SCA、SGS及各導(dǎo)熱油連接管道間進(jìn)行低流量油循環(huán)的一種模式。此模式的導(dǎo)熱油泵也無(wú)須分區(qū)運(yùn)行，當(dāng)SCA入口導(dǎo)熱油溫度低于70 ℃，或其它任一設(shè)備或管道的導(dǎo)熱油溫度低于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)導(dǎo)熱油加熱爐進(jìn)行升溫。

2)特殊運(yùn)行模式

（1）單獨(dú)儲(chǔ)熱模式

此模式一般發(fā)生在連續(xù)幾天多云或陰天天氣，且汽輪發(fā)電機(jī)組已經(jīng)停止，短暫的日照強(qiáng)度無(wú)法維持機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行。該模式的導(dǎo)熱油路徑為：任一或兩臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵泵出的導(dǎo)熱油經(jīng)SCA吸熱，再通過(guò)熱油集管進(jìn)入TES完成熱能儲(chǔ)存，最后通過(guò)冷油集管和膨脹罐進(jìn)入導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口集管。此模式的導(dǎo)熱油泵無(wú)須分區(qū)運(yùn)行。

（2）導(dǎo)熱油加熱爐發(fā)電模式

通常是在間歇性陰雨天，熔鹽熱能儲(chǔ)量無(wú)法維持繼續(xù)放熱發(fā)電，為了汽輪發(fā)電機(jī)組不停機(jī)而在等待日出這段時(shí)間內(nèi)的一種短時(shí)間的控制模式。此模式只要維持汽輪發(fā)電機(jī)組的最低負(fù)荷即可，導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，2 區(qū)導(dǎo)熱油在加熱爐升溫后經(jīng)SGS放熱發(fā)電，1區(qū)導(dǎo)熱油泵維持SCA防凝循環(huán)。

（3）TES放熱防凝模式

該模式是在系統(tǒng)防凝模式下不用導(dǎo)熱油加熱爐的前提下提高導(dǎo)熱油溫，從而節(jié)省加熱爐燃料。該模式需導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，1 區(qū)導(dǎo)熱油維持SCA防凝循環(huán)，2 區(qū)導(dǎo)熱油在TES 升溫并維持2 區(qū)泵出口導(dǎo)熱油溫度在270 ℃以上，通過(guò)加熱爐導(dǎo)熱油閥門(mén)和冷油集管調(diào)節(jié)閥完成兩個(gè)區(qū)的導(dǎo)熱油混油，使1 區(qū)各測(cè)點(diǎn)導(dǎo)熱油溫度維持在70 ℃以上。相對(duì)于單獨(dú)防凝模式，此模式導(dǎo)熱油維持溫度較高、啟動(dòng)設(shè)備數(shù)量較多，熱損和廠用電量相對(duì)較高，故該模式的實(shí)際意義不大。

3)運(yùn)行模式切換方式的優(yōu)化

文獻(xiàn)［2］對(duì)運(yùn)行模式切換條件及影響因素作了詳細(xì)的闡述。由于前期國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制方面無(wú)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目投產(chǎn)后基本上是在摸索中成長(zhǎng)，目前運(yùn)行模式切換操作基本上還處于手動(dòng)控制，且設(shè)計(jì)上未考慮低負(fù)荷運(yùn)行工況對(duì)TES 入口導(dǎo)熱油溫度的影響、運(yùn)行模式切換時(shí)混油操作的便利性。

傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)運(yùn)行模式切換本質(zhì)就是改變傳儲(chǔ)熱介質(zhì)的循環(huán)路徑。為實(shí)現(xiàn)各模式的自動(dòng)切換或一鍵順控啟停，完善了邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備及閥門(mén)狀態(tài)、流量參數(shù)等作為運(yùn)行模式的判據(jù)條件，通過(guò)SCA 及TES 導(dǎo)熱油壓力、流量、熔鹽罐液位、熔鹽溫度等作為模式切換預(yù)警或觸發(fā)條件，根據(jù)常規(guī)操作流程制定設(shè)備及閥門(mén)的啟停或開(kāi)關(guān)順序。

以“太陽(yáng)島發(fā)電+儲(chǔ)熱模式”向“TES 放熱發(fā)電+太陽(yáng)島防凝模式”轉(zhuǎn)換控制舉例（見(jiàn)圖1 和圖2）：首先，DCS 邏輯根據(jù)閥門(mén)狀態(tài)和流量等參數(shù)判斷傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)處于“太陽(yáng)島發(fā)電模式”和“儲(chǔ)熱模式”，如“太陽(yáng)島發(fā)電模式”的基本判據(jù)為SCA 總導(dǎo)熱油流量≮額定流量的50%、SCA出口平均溫度≮360 ℃、SGS導(dǎo)熱油形成通路且導(dǎo)熱油流量≮額定流量的30%；“儲(chǔ)熱模式”的基本判據(jù)為T(mén)ES導(dǎo)熱油形成正向通路且導(dǎo)熱油流量為正值等。其次，跟蹤其觸發(fā)切換或預(yù)警條件，如：SCA 總導(dǎo)熱油流量＜額定流量的55%且SGS 導(dǎo)熱油流量≮額定流量的30%，或SCA 出口平均溫度＜370 ℃，或TES 導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度長(zhǎng)時(shí)間低于5%等，滿足上述任一條件將執(zhí)行TES儲(chǔ)熱模式退出程序，并通過(guò)冷熱油集管混油閥1調(diào)節(jié)預(yù)暖TES冷端進(jìn)油管道直至溫度≥270 ℃，然后依據(jù)TES 冷端導(dǎo)熱油溫度、熔鹽罐液位、溫度等條件或人工二次確認(rèn)的方式執(zhí)行TES 放熱發(fā)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(diào)節(jié)功能，確認(rèn)TES放熱發(fā)電模式的判據(jù)條件，#1導(dǎo)熱油泵自動(dòng)減頻進(jìn)行防凝循環(huán)。上述條件中的定值可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。

為實(shí)現(xiàn)幾種常用模式的自動(dòng)切換，將原設(shè)計(jì)中的兩個(gè)混油關(guān)斷閥改為調(diào)節(jié)閥，對(duì)直徑較大的導(dǎo)熱油電動(dòng)閥建議在管道設(shè)計(jì)中加裝混油預(yù)暖旁路或采用帶有預(yù)啟功能的隔離閥。

2 常用模式自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

1)太陽(yáng)島發(fā)電模式

太陽(yáng)島集熱器（SCA）作為槽式光熱發(fā)電廠的熱能來(lái)源，為SGS 提供足夠溫度和流量的傳熱介質(zhì)，因此系統(tǒng)在太陽(yáng)島發(fā)電模式下，控制各SCA 回路出口導(dǎo)熱油溫度是關(guān)鍵，同時(shí)在系統(tǒng)不超壓的情況下，維持各SCA回路的進(jìn)出口差壓基本一致。該模式下系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)有：各SCA回路出口導(dǎo)熱油溫度、太陽(yáng)島入口導(dǎo)熱油壓力、太陽(yáng)島出口導(dǎo)熱油壓力、太陽(yáng)島各區(qū)域的導(dǎo)熱油流量、流經(jīng)SGS與TES 的導(dǎo)熱油流量分配值。為了方便維護(hù)和控制，整個(gè)太陽(yáng)島分多區(qū)平行布置，每個(gè)區(qū)各集熱器回路也采用平行分布式設(shè)計(jì)，每區(qū)的導(dǎo)熱油管道設(shè)置一個(gè)控制閥。

理想情況（全天日照，無(wú)云層遮擋）下，太陽(yáng)島各集熱器的輻照強(qiáng)度只跟太陽(yáng)直射角度有關(guān)，各集熱器的輻照強(qiáng)度變化緩慢。現(xiàn)實(shí)情況會(huì)出現(xiàn)多云天氣，由于云層在不同區(qū)域形成遮擋，各個(gè)區(qū)的輻照強(qiáng)度會(huì)有所不同。目前的運(yùn)行操作方式為：根據(jù)輻照強(qiáng)度的變化，手動(dòng)將導(dǎo)熱油控制閥維持在適當(dāng)開(kāi)度，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)熱油循環(huán)泵頻率改變各SCA導(dǎo)熱油流量，從而控制SCA出口導(dǎo)熱油溫度。

該模式下的導(dǎo)熱油自動(dòng)控制基礎(chǔ)模型：將每個(gè)區(qū)的SCA回路出口導(dǎo)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(diǎn)不參與平均值計(jì)算，通過(guò)對(duì)應(yīng)區(qū)域的導(dǎo)熱油流量控制閥調(diào)節(jié)其溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。導(dǎo)熱油循環(huán)泵頻率用于控制太陽(yáng)島入口集管壓力并使其維持在一個(gè)期望值。太陽(yáng)島出口集管壓力的控制方式則是先判斷TES是否在儲(chǔ)熱模式，當(dāng)太陽(yáng)島單獨(dú)發(fā)電時(shí)該壓力通過(guò)SGS 導(dǎo)熱油流量控制閥進(jìn)行調(diào)整，儲(chǔ)熱模式時(shí)通過(guò)TES導(dǎo)熱油流量控制閥調(diào)節(jié)，SGS導(dǎo)熱油流量控制閥只參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)整。太陽(yáng)島出入口壓力設(shè)定值為設(shè)計(jì)給出的導(dǎo)熱油流量與該位置壓力的折線函數(shù)，另為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全，應(yīng)對(duì)流量和壓力的設(shè)定值作最大、最小限制。

為消除天氣變化對(duì)自動(dòng)控制的影響，最好的辦法就是建立太陽(yáng)島傳熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型：根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和地面氣象雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)1~2 h 內(nèi)光照強(qiáng)度、導(dǎo)熱油流量和溫度的變化趨勢(shì)，基于預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算出最優(yōu)的導(dǎo)熱油流量和壓力控制輸入序列，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與導(dǎo)熱油調(diào)整的自動(dòng)銜接。

2)TES儲(chǔ)熱模式

為減少熔鹽熱傳導(dǎo)時(shí)的散熱損失及熔鹽換熱設(shè)備運(yùn)維成本，通常熔鹽的儲(chǔ)能和釋能共用一套油鹽換熱器，換熱器內(nèi)的介質(zhì)在儲(chǔ)熱和放熱時(shí)反向流動(dòng)。儲(chǔ)熱模式投入的必要條件就是太陽(yáng)島SCA 回路已投入運(yùn)行。該模式下系統(tǒng)的導(dǎo)熱油流量會(huì)跟隨SCA負(fù)荷變化而變化，其關(guān)鍵控制參數(shù)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(chǔ)熱模式自動(dòng)控制模型：油鹽換熱器出口熔鹽溫度作為被控量，通過(guò)冷熔鹽泵的頻率調(diào)整改變經(jīng)過(guò)油鹽換熱器的熔鹽流量，使之與通過(guò)油鹽換熱器的導(dǎo)熱油量相匹配，從而得到預(yù)期的熱熔鹽溫度?？刂茻崛埯}罐入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使熔鹽集管壓力在合理范圍內(nèi)。

3)TES放熱發(fā)電模式

該模式下熔鹽放熱速率是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整的，另防止熔鹽凝結(jié)必須保持油鹽換熱器出口熔鹽溫度高于熔鹽凝凍點(diǎn)，故該模式下系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)為：流通TES 和SGS 導(dǎo)熱油流量、TES 出口導(dǎo)熱油溫度、TES 入口導(dǎo)熱油溫度、熔鹽壓力、熔鹽流量。

TES 放熱發(fā)電模式自動(dòng)控制模型：由于該模式下兩臺(tái)導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，為減少閥門(mén)節(jié)流損失，因此保持TES導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，使用#2導(dǎo)熱油泵的頻率控制TES 和SGS 導(dǎo)熱油量。調(diào)節(jié)熱熔鹽泵的頻率，使經(jīng)過(guò)油鹽換熱器的熔鹽流量與TES導(dǎo)熱油量相匹配，從而達(dá)到TES出口導(dǎo)熱油溫度控制目的。通過(guò)冷熔鹽罐入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使熔鹽集管壓力控制在合理范圍內(nèi)。無(wú)論是導(dǎo)熱油流量還是熔鹽流量調(diào)節(jié)，為確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，均應(yīng)對(duì)泵的頻率和系統(tǒng)壓力的設(shè)定值作最大、最小限制。

由于天氣等原因熔鹽儲(chǔ)熱量較低，為了減少啟停機(jī)，必須維持機(jī)組在較低負(fù)荷下運(yùn)行。然而低負(fù)荷工況又會(huì)造成進(jìn)入SGS預(yù)熱器的給水溫度過(guò)低，使SGS出口導(dǎo)熱油溫度低于設(shè)計(jì)冷熔鹽罐溫度，甚至低于熔鹽的凝凍點(diǎn)，故為了提高TES入口導(dǎo)熱油溫度，需采用TES出口的熱導(dǎo)熱油對(duì)其進(jìn)行混油中和來(lái)提升溫度。為此在TES 放熱發(fā)電模式自動(dòng)控制模型中，將冷熱油集管的混油隔離閥2 改成調(diào)節(jié)閥，使TES入口導(dǎo)熱油溫度保持在熔鹽的凝凍點(diǎn)溫度以上。為保證調(diào)節(jié)靈敏性和準(zhǔn)確度，將TES入口導(dǎo)熱油溫度的采樣點(diǎn)前移，采用#2導(dǎo)熱油泵入口集管溫度。

由于混油后的SGS 導(dǎo)熱油量低于TES 導(dǎo)熱油量，為防止導(dǎo)熱油泵頻率自動(dòng)控制超調(diào)量過(guò)大，其控制采樣點(diǎn)使用TES導(dǎo)熱油量測(cè)量值，其設(shè)定值采用公式(1)修正。

式中：qSGS——通過(guò)SGS的導(dǎo)熱油量；

qTES——通過(guò)TES的導(dǎo)熱油量；

CSGS——SGS出口導(dǎo)熱油平均比熱；

C補(bǔ)——TES出口導(dǎo)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(jié)語(yǔ)

傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)是導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組中非常重要的組成部分，在傳儲(chǔ)熱過(guò)程中，能量的傳輸、儲(chǔ)存和釋放需要進(jìn)行高精度、自動(dòng)化的控制，以提高系統(tǒng)能量利用率和運(yùn)行穩(wěn)定性。本文研究了傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行控制和優(yōu)化方法，提出的自動(dòng)控制功能可以應(yīng)用于一般的導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)的高效控制，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，減少運(yùn)行人員的工作量，為建立系統(tǒng)能量傳、儲(chǔ)、釋的智能控制算法和先進(jìn)的控制器提供了有益的啟示和綱領(lǐng)性幫助，也為后期的設(shè)計(jì)提供了有益思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以幫助更好地設(shè)計(jì)傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

總之，本文的研究成果為導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供了有效的方法和思路，可為相關(guān)研究和實(shí)踐提供幫助，促進(jìn)這一領(lǐng)域的不斷進(jìn)步和發(fā)展。