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塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)（提高篇） |
| Tower Solar Power System（improvement） |
根據(jù)GB/T 51307—2018 《塔式太陽能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，塔式光熱發(fā)電站的規(guī)模按照總裝機(jī)容量分為大型、中型、小型。總裝機(jī)容量大于等于400 MW 宜為大型電站，小于400 MW 且大于等于50 MW 宜為中型電站，小于50 MW 宜為小型電站。注意：這里指電站的總裝機(jī)容量，也就是說，一個(gè)電站內(nèi)可能由多個(gè)塔式太陽能光熱發(fā)電狀態(tài)系統(tǒng)組成。本課件介紹單個(gè)塔式太陽能光熱發(fā)電狀態(tài)系統(tǒng)。在塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)課件中介紹了有關(guān)基礎(chǔ)知識，本課件是提高篇。對主要組成部分做進(jìn)一步介紹，并介紹主要工藝流程。 |
| 1 集熱系統(tǒng) |
在聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中集熱系統(tǒng)由集熱場和吸熱器組成。本系統(tǒng)采用塔式吸熱器，集熱場（吸熱場）采用定日鏡場。 |
| 1.1 吸熱器 |
| 1.1.1 吸熱器 |
目前大中型塔式太陽能聚光熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器多采用標(biāo)準(zhǔn)管式吸熱器，在“塔式太陽能吸熱器”課件中已作介紹，這里不再重復(fù)介紹。 |
| 1.1.2 吸熱塔 |
吸熱塔高度通常在200m以上，吸熱器與許多相關(guān)設(shè)備安裝在吸熱塔的塔頂，要求塔有高強(qiáng)度。為防止風(fēng)引起的吸熱器位移，要求塔有高剛度。首先吸熱塔要有堅(jiān)固的基礎(chǔ)，能抗較強(qiáng)的地震。 吸熱塔可以是混凝土結(jié)構(gòu)，塔的剛度大，不易發(fā)生位移，但在內(nèi)部安裝設(shè)備與管線較麻煩。吸熱塔也可以是鋼結(jié)構(gòu)，方便安裝設(shè)備與管線，但可能由于大風(fēng)引起位移。近年來常用混合結(jié)構(gòu)型式，即下部采用混凝土結(jié)構(gòu)，上部靠吸熱器采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)段方便安裝各種設(shè)備與管線。 吸熱塔內(nèi)應(yīng)設(shè)置樓梯與電梯，滿足維護(hù)檢修的要求。吸熱塔（吸熱器）外壁宜設(shè)置校靶區(qū)，用于定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度的測量。吸熱塔頂應(yīng)設(shè)置航空標(biāo)識。 |
| 1.2?定日鏡場 |
定日鏡場由多臺定日鏡組成，聚集太陽輻射到一個(gè)焦點(diǎn)的聚光系統(tǒng)。 |
| 1.2.1定日鏡 |
定日鏡 通過雙軸跟蹤控制的單個(gè)或一系列反射單元（子鏡），將直射太陽輻射反射到預(yù)定目標(biāo)的設(shè)備。 在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)課件中對定日鏡做過簡單介紹，在此做補(bǔ)充說明。 定日鏡鏡面尺寸應(yīng)根據(jù)機(jī)組容量、站址地形、環(huán)境氣象條件、吸熱塔布置及吸熱器受熱面尺寸，并結(jié)合定日鏡驅(qū)動裝置配置，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。 定日鏡支架強(qiáng)度應(yīng)滿足定日鏡遭遇極端工況時(shí)的結(jié)構(gòu)安全要求，滿足當(dāng)?shù)?0年一遇最大風(fēng)速時(shí)不發(fā)生破壞的要求，滿足當(dāng)?shù)?0年一遇的基本雪荷載，能抗冰雹沖擊，在大風(fēng)中不發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。 定日鏡要把太陽光準(zhǔn)確地反射到遠(yuǎn)距離的吸熱器上，要有很高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度與穩(wěn)定性。定日鏡采用高度角-方位角雙軸跟蹤（方位-俯仰雙軸跟蹤）控制，驅(qū)動裝置可采用回轉(zhuǎn)減速機(jī)、電動推桿、液壓缸或螺旋升降機(jī)等方式，其精確度應(yīng)滿足集熱場的整體性能要求。定日鏡鏡跟蹤準(zhǔn)確度的測量按照《國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)T/GRLM 02-2014太陽定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測量方法》進(jìn)行。 定日鏡宜采用水清洗方式，在缺水和冬季嚴(yán)寒地區(qū)，定日鏡可采用無水清洗方式。 |
| 1.2.2定日鏡場 |
定日鏡場是由多臺定日鏡組成用于聚集太陽輻射到一個(gè)焦點(diǎn)的聚光系統(tǒng)。定日鏡排列方式可采用輻射交錯(cuò)式、陣列式等多種形式。 圖1是輻射交錯(cuò)式排列的定日鏡場示意圖，僅顯示半周的排列。 輻射交錯(cuò)式排列其優(yōu)點(diǎn)是有效減少了定日鏡的反射光線被正前方相鄰定日鏡遮擋而造成的能量損失。在輻射交錯(cuò)式排列布置中，定日鏡被安裝在距離吸熱塔不同距離的圓環(huán)上，稱為鏡環(huán)。距離吸熱塔最近的第一個(gè)鏡環(huán)為基本環(huán)，其半徑與吸熱塔的高度有關(guān)，其他環(huán)的半徑則根據(jù)與相鄰鏡環(huán)之間的徑向間距的大小來確定，而同一環(huán)上相鄰定日鏡之間的距離由周向間距的大小來確定。環(huán)之間的最小徑向間距需要保證相鄰鏡環(huán)上的相鄰定日鏡之間不發(fā)生碰撞；鏡環(huán)之間的最大徑向間距需要考慮減小定日鏡對其后方定日鏡反射光線的遮擋損失，但間距的增加會增加鏡場占地面積。 |
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| 圖1 ?輻射交錯(cuò)式排列的定日鏡場 |
圖2是陣列式排列的定日鏡場示意圖，僅顯示半周的排列。 定日鏡采用陣列式排列相對比較簡單，其特點(diǎn)是定日鏡按照直線進(jìn)行排布，每行上的定日鏡位于同一條直線上，相鄰行之間的定日鏡交錯(cuò)布局，不同行之間的行間距相等或者不完全相等，同一行上的定日鏡鏡間距相等。陣列式排列的優(yōu)點(diǎn)是可以最大化地運(yùn)用土地面積，但是其陰影遮擋損失也會相對比較大，特別是距離吸熱塔較遠(yuǎn)的東西兩個(gè)角落區(qū)域。 |
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| 圖2??陣列式排列的定日鏡場 |
定日鏡場的布置應(yīng)結(jié)合場年效率、地理位置、自然條件、場地范圍、土地利用率等因素，對吸熱塔高度、定日鏡與吸熱塔的距離和定日鏡間的距離進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。定日鏡的排列要降低陰影損失和遮擋損失。 定日鏡場的布置應(yīng)留有檢修場地并滿足安裝運(yùn)輸車輛、檢修車輛、清洗車輛的通行要求。定日鏡場宜設(shè)置驅(qū)鳥裝置，防止鳥類飛入鏡場被燒死。 圖3是我國敦煌的光熱發(fā)電站，其定日鏡場屬于輻射交錯(cuò)式排列布置。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） |
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| 圖3 ?輻射交錯(cuò)式排列布置的定日鏡場布置 |
| 2?儲熱系統(tǒng) |
儲熱是將能量傳遞或供應(yīng)給儲熱系統(tǒng)的過程。放熱是將能量從儲熱系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移或釋放的過程。 系統(tǒng)采用雙罐儲熱系統(tǒng)，設(shè)有冷熔鹽儲罐與熱熔鹽儲罐，有關(guān)熔鹽儲熱罐的基本結(jié)構(gòu)在《聚光太陽能熱發(fā)電的熔融鹽儲熱系統(tǒng)》中介紹，這里不再重復(fù)介紹。有關(guān)儲熱原理與流程在下面熱力系統(tǒng)介紹。 熔鹽冷儲罐與熔鹽熱儲罐宜露天布置。熔融鹽儲熱罐區(qū)四周應(yīng)設(shè)置不可燃性實(shí)體防護(hù)堤，防護(hù)堤高度不應(yīng)小于1m，防護(hù)堤內(nèi)有效容積不應(yīng)小于堤內(nèi)最大單罐容量。熔融鹽循環(huán)泵宜選用立式泵布置在儲罐頂部。 |
| 3 熱力系統(tǒng) |
圖4是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)框圖，圖中紅色箭頭線表示熔鹽液走向，蘭色箭頭線表示水與蒸汽走向。系統(tǒng)儲熱采用雙罐熔鹽蓄熱，設(shè)有低溫儲熱罐與高溫儲熱罐。圖中的三通閥符號的開通狀態(tài)見拋物面槽式太陽能發(fā)電熱力系統(tǒng)。 從吸熱塔輸出的高溫熔鹽液直接輸入到高溫儲熱罐，高溫熔鹽泵將罐中的高溫熔鹽液輸送到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，把水加熱成高溫蒸汽，釋放熱量后的熔鹽液進(jìn)入低溫儲熱罐。低溫熔鹽泵將冷熔鹽液輸送到吸熱塔再次加熱。 |
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| 圖4 ?塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖 |
| 3.1?蒸汽發(fā)生系統(tǒng) |
蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由太陽能加熱產(chǎn)生可供汽輪機(jī)做功使用的主蒸汽系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器、再熱器組成，根據(jù)設(shè)計(jì)選用合適的管殼式換熱器組成，例如預(yù)熱器與蒸發(fā)器可用Ｕ形管式換熱器，過熱器與再熱器可用發(fā)卡式換熱器。 高溫熔鹽罐的高溫熔鹽液（565℃）被高溫熔鹽泵加壓輸入到過熱器與再熱器，然后依次經(jīng)過蒸汽發(fā)生器與預(yù)熱器，釋放熱量后的熔鹽液（約290℃）流入低溫熔鹽罐。高揚(yáng)程的低溫熔鹽泵把熔鹽液輸送到吸熱器，進(jìn)行下一次集熱循環(huán)。 除氧器的純凈水（約250℃）被給水泵加壓送到預(yù)熱器，然后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，水轉(zhuǎn)換成350℃的水蒸氣，水蒸氣進(jìn)入過熱器后生成550℃的高溫高壓的過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入高壓汽輪機(jī)做功，做功后的蒸汽溫度降低，要通過再熱器升溫到550℃成為高溫中壓蒸汽再進(jìn)入低壓汽輪機(jī)做功，推動低壓汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，高壓汽輪機(jī)與低壓汽輪機(jī)為同軸旋轉(zhuǎn)，一同帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)宜采用露天或半露天布置，對嚴(yán)寒或風(fēng)沙大等特殊氣候地區(qū)可采用室內(nèi)布置。在高溫熔鹽罐與低溫熔鹽罐中間建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)框架與平臺，用來安裝全部的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。 熔鹽從高溫區(qū)流向低溫區(qū)，水從低溫加熱成高溫蒸汽，水的流動方與熔鹽的流向相反。從低到高依次布置預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器，其中過熱器和再熱器同層布置。 圖5是青海中控德令哈50MW熔鹽塔式光熱電站的廠房區(qū)布置，（圖片來自網(wǎng)絡(luò)，圖中文字為本網(wǎng)站標(biāo)注）。 |
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| 圖5 熔鹽罐與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的布置 |
| 3.1.1 自然循環(huán)蒸汽發(fā)生系統(tǒng) |
系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式時(shí)，水與汽的循環(huán)是依靠水汽的密度差來克服設(shè)備與管道的阻力推動水循環(huán)。蒸汽發(fā)生器使用汽包蒸汽發(fā)生器，汽包與蒸發(fā)器之間布置高差要能克服汽水循環(huán)回路的循環(huán)阻力，兩者間的上升管與下降管較長。圖6左圖是自然循環(huán)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)工藝流程簡圖，圖中表示了各換熱器的上下位置排列，紅色箭頭線代表熔鹽液流向，藍(lán)色箭頭線代表水與汽的流向。預(yù)熱器與蒸發(fā)器采用Ｕ形管式換熱器，過熱器與再熱器采用發(fā)卡式換熱器。 從預(yù)熱器出來的給水進(jìn)入汽包，從汽包下降管進(jìn)入蒸發(fā)器被加熱成汽水混合物，再從上升管進(jìn)入汽包，在汽包將水與蒸汽分離，從汽包輸出的飽和蒸汽再輸入到過熱器加熱成高壓過熱蒸汽（主蒸汽）。主蒸汽通過主蒸汽管路進(jìn)入高壓汽輪機(jī)做功。高壓汽輪機(jī)釋放熱量后排出的蒸汽需進(jìn)入再熱器升溫為高溫低壓蒸汽，輸入到低壓汽輪機(jī)做功。 |
| 3.1.2 強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生系統(tǒng) |
系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)方式時(shí)，汽包與蒸汽發(fā)生器之間的水循環(huán)靠強(qiáng)制循環(huán)泵的壓力流動，其循環(huán)推力比自然循環(huán)方式大得多，無須考慮汽包與蒸發(fā)器間的高差布置，圖6右圖是強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)工藝流程簡圖。 強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的壓力可控范圍大，有利于發(fā)電機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行。強(qiáng)制循環(huán)的循環(huán)水動力比自然循環(huán)方式的大，換熱器的管徑可減小，換熱器的體積大大縮小。強(qiáng)制循環(huán)可采用比較靈活的布置方式，不需要較高的空間布置。 水汽循環(huán)工藝流程與自然循環(huán)相同，不再介紹。 |
| 圖6 ?自然循環(huán)與強(qiáng)制循環(huán)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)工藝流程 |
| 3.2 回?zé)崤c給水系統(tǒng) |
在整個(gè)汽水循環(huán)中使用的是純凈水，純凈水不可以浪費(fèi)，在低壓汽輪機(jī)做功后的蒸汽必須冷卻成水，再次送去蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)。蒸汽冷卻成水是通過凝汽器完成的，凝汽器中裝有大量的銅管，管中通有循環(huán)冷卻水。汽輪機(jī)的排汽與凝汽器銅管接觸被冷卻，放出汽化潛熱變成凝結(jié)水，凝結(jié)水溫度一般為40℃左右。吸收熱量的冷卻成水到水冷卻器（冷卻塔）降溫。 凝結(jié)水由凝結(jié)水泵輸送到低壓加熱器，低壓加熱器的熱源是從低壓汽輪機(jī)抽出的蒸汽。該蒸汽在低壓加熱器釋放熱量后與凝結(jié)水一同再送到低壓加熱器。水升溫至200℃左右送到除氧器進(jìn)行除氧，因?yàn)樗泻醒鯕饩蜁g蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，除氧是必需的。系統(tǒng)采用熱力除氧，利用低壓汽輪機(jī)抽出的蒸汽進(jìn)行除氧，同時(shí)對被除氧的水進(jìn)行加溫。除氧器的水通過給水泵（高壓水泵）輸送到預(yù)熱器（高壓加熱器），進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，進(jìn)行水汽循環(huán)。 蒸汽在循環(huán)過程中總會有些泄漏，要對系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，熱電廠都有純凈水生產(chǎn)設(shè)備，供給系統(tǒng)用水，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只是少量補(bǔ)水。可以通過除氧器進(jìn)行補(bǔ)水，也可以通過凝汽器補(bǔ)水，或通過控制同時(shí)對兩者進(jìn)行補(bǔ)水。 |
| 4 汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī) |
汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)安裝在汽機(jī)房，汽機(jī)房要緊靠蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。汽機(jī)包括高壓汽輪機(jī)與低壓汽輪機(jī)。550℃的高壓過熱蒸汽進(jìn)入高壓汽輪機(jī)做功，做功后的蒸汽壓力與溫度都降低了，需通過再熱器加熱到550℃，進(jìn)入低壓汽輪機(jī)再次做功。高壓汽輪機(jī)與低壓汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。 低壓汽輪機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)，具有抽汽功能。凝汽式汽輪機(jī)是有凝汽器的汽輪機(jī)，有關(guān)介紹見低壓汽輪機(jī)。汽輪機(jī)應(yīng)具備多段抽汽功能，前段抽汽去預(yù)熱器，后段抽汽去除氧器。 |
| 5 儲能投運(yùn) |
儲能投運(yùn)是在吸熱器輸出不足或沒有時(shí)，由儲能系統(tǒng)為發(fā)電系統(tǒng)提供能量的運(yùn)行模式。在多云天氣或夜晚進(jìn)入儲能投運(yùn)，就由熱熔鹽罐存儲的熱量提供發(fā)電所需能量。熱熔鹽罐中的熱熔鹽液通過熱罐熔鹽泵輸送到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，把水加熱成高溫高壓蒸汽，釋放熱量后的熔鹽液進(jìn)入冷熔鹽罐，進(jìn)行下一次集熱循環(huán)。 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與回?zé)崤c給水系統(tǒng)運(yùn)行流程與正常運(yùn)行相同，就不再介紹了。圖7 是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)儲能投運(yùn)工藝流程圖。 |
| 圖7?塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)儲能投運(yùn)工藝流程圖 |
| 6 燃?xì)夤?/strong> |
輔加熱器是通過消耗其他非太陽能燃料加熱傳熱流體的設(shè)備，一般使用燃?xì)忮仩t。 如果較長時(shí)間沒有陽光，熱熔鹽罐存儲的熔鹽液不足，需通過天燃?xì)忮仩t提供發(fā)電所需能量。冷熔鹽罐中的低溫熔鹽液通過冷罐熔鹽泵輸入到天燃?xì)忮仩t，熔鹽液在鍋爐中被加熱到565℃，進(jìn)入熱熔鹽罐。 其他運(yùn)行流程與正常運(yùn)行相同，就不再介紹了。圖8 是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)燃?xì)夤峁に嚵鞒虉D。 |
| 圖8 ?塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)燃?xì)夤峁に嚵鞒虉D |
| 7 ?結(jié)語 |
以上介紹僅為系統(tǒng)的主要的設(shè)備與流程，一些數(shù)據(jù)只作為參考，實(shí)際系統(tǒng)根據(jù)不同設(shè)計(jì)會不同。實(shí)際系統(tǒng)要復(fù)雜得多，一些熱交換部件兩流體溫差大時(shí)可能是2級串聯(lián)，例如低壓加熱器是由2個(gè)或多個(gè)換熱器串聯(lián)組成，從汽輪機(jī)多級抽出的蒸汽進(jìn)行加熱。預(yù)熱器也由2個(gè)或多個(gè)換熱器串聯(lián)組成。 實(shí)際系統(tǒng)中管道錯(cuò)綜復(fù)雜，有各種控制閥門，有多個(gè)泵，大量的儀表與傳感器。 |
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