淺析太陽能光熱發電汽輪機及主要技術特點

王冠 盧紅遠

摘 ?要：所謂太陽能光熱發電主要是將太陽能轉化為熱能，之后利用熱功率轉化為發電的技術，組成部分包括熱功率轉換和光熱轉換。隨著汽輪機研發技術的不斷成熟，當前已經出現了太陽能光熱發電式汽輪機。此次研究主要是探討分析太陽能光熱發電汽輪機及其的主要技術特點，并且展望了光熱發電汽輪機的未來發展態勢，希望能夠對相關人員起到參考性作用。

關鍵詞：太陽能 ?光熱發電 ?汽輪機 ?技術特點

中圖分類號：TK24 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0048-02

1 ?太陽能光熱發電技術

此種發電技術主要是通過反射鏡將太陽光集聚到集熱裝置中，對介質進行加熱，以此實現光熱轉換。在換熱器中能夠使集熱介質散熱，以此產生的熱量能夠促進發電機發電，實現熱功轉換。根據太陽能光熱發電的不同集熱方式，可以將其分為蝶式—斯特林發動機和線性菲涅爾式發動機。根據不同熱力循環方式，可以將其分為汽輪機、斯特林發動機和燃氣輪機。

2 ?太陽能光熱發電汽輪機技術特點

2.1 光熱發電對汽輪機的要求

由于太陽能受氣候以及晝夜變化影響，所以對于汽輪機的要求主要表現在以下方面。第一，快速啟動;第二，快速變負荷和多次啟停;第三，能夠連續運行在低負荷狀態;第四，便于運行控制;第五，安全性與運行效率高。為了有效滿足汽輪機的運行需求，太陽能光熱發電必須具備技術特點。

2.2 技術特點分析

第一，中置變速箱一次再熱機組。應用集熱量和出口溫度會對汽輪機造成影響，因此初始參數比較低，并且容量也比較小，此時會相應減小主蒸汽過熱度。此時就會減小主蒸汽容積流量，還會限制主蒸汽壓力。當排氣濕度過大時，會對流通效率造成影響，汽輪機葉片也會受到水蝕影響。例如：50MW蒸汽輪機，常規初始參數為535℃，8.83MPa;槽式太陽能光熱發電汽輪機初始參數為383℃，10MPa。當主蒸汽過熱時，壓力會降低到2MPa，溫度只有70℃，并且進入到濕蒸汽區。

為了防止葉片過早進入濕蒸汽區，提升循環率，則需要應用高低壓分缸一次再熱技術。此外，當容積流量比較小時，則需要應用多級高轉速和小焓降方式，以此確保不同級別速度均能夠處于最佳速比。高壓轉子轉速會超過3000r/min，因此將變速箱設置在高中壓轉子中，此時形成中置變速箱布設方式。

然而需要注意的是，中置變速箱并非可以設置到汽輪機中，當蒸汽溫度比較高時，則需要應用單軸一次中間再熱方式，此時高壓轉子轉速3000r/min。當存在較高過熱度時，應用一次再熱提升循環率時，高低壓轉子會對發電機進行同軸驅動，不需要再次設置變速箱。從上述分析能夠看出，在應用多級高轉速和小焓降設計方案之后，能夠顯著提升通流效率，盡管此時變速箱存在損失問題，但是會提升動力循環率。

第二，軸向排汽。為了減少排氣損失情況，需要應用軸向排汽方式，以此提升機組效率。通過軸向排汽方式，可以利用滑動方式連接基礎與凝汽器模塊，將低壓軸承箱落地，在不同工況下，太陽能光熱發電汽輪機能夠確保動靜中心位置不變，也可以有效降低摩擦振動問題，進一步降低靜子與轉子摩擦力振動危險。

第三，加強負荷變化適應能力。由于氣候與時間變化會改變光照條件，此時就會使汽輪機負荷波動比較大，要求其對負荷波動具備較強的適應能力。充分提升太陽能利用率，在運行期間能夠升降負荷。由于夜晚缺乏光照條件，因此儲熱能比較少的電站會停止運行，所以要求機組擁有啟停能力。通常情況下，隨著負荷波動的持續增大，再加上多次啟停，會導致閥門以及轉子等部件產生較高熱應力，使汽輪機處于疲勞運行狀態，影響使用壽命。

基于以上問題，太陽能光熱發電汽輪機高壓缸材料必須具備良好的高溫性能，減小閥門與氣缸的壁厚，降低熱應力。低壓轉子主要應用焊接方式，通過對通流部分徑向間隙以及軸向間隙進行優化處理，能夠有效提升運行效率。通過應用壽命評估技術和應力管理技術能夠確保在壽命周期內汽輪機滿足發電運行要求。

不容忽視的是，為了加強太陽能光熱發電汽輪機對負荷波動的適應能力，則需要應用薄壁結構設計方式，這樣能夠對提升初壓力導致效率升高的行為進行約束限制。由于提升初壓力會增加氣缸壁厚，此時所產生的熱變形、膨脹以及應力問題都會對機組快速啟動及負荷變化的適應能力造成影響。

第四，模塊化結構。為了促進運輸與安裝工作的順利性，需要應用模塊結構方式設計太陽能光熱發電汽輪機，合理應用排氣缸模塊、中低壓模塊以及高壓模塊。由于模塊結構設計范式所應用的各子模塊都是在施工現場進行安裝，因此能夠保證施工進度與質量。

第五，滿足背壓變化要求。由于太陽能資源布置存在局限性，因此太陽能光熱發電機所處于環境惡劣地區，此時就需要應用空冷凝汽輪機，在設計機組時需要應用專業末級葉片，以此滿足背壓變化要求，還能夠符合排汽容積流量變化問題。

3 ?太陽能光熱發電汽輪機發展趨勢分析

3.1 提升初始參數

通過提升太陽能光熱發電汽輪機初始參數能夠對熱功轉換效率進行優化。由于集熱場出口溫度會影響主蒸汽溫度，此時提升初始參數可以相應提升主蒸汽壓力。在提升主蒸汽壓力時需要全面考慮葉片水蝕、流通效率以及負荷變化的適應能力等。