塔式光熱技術應用探討

全明福

（魯能集團（都城偉業集團）有限公司青海廣恒新能源有限公司，西寧810000）

1 某項目塔式光熱發電技術概述

塔式光熱發電系統主要由以下3 部分組成：由4400 個定日鏡（單個定日鏡達138.6m2）和位于塔頂的吸熱器構成的太陽能聚光集熱系統；冷/熱鹽罐、冷/熱鹽泵和蒸汽發生器組成的儲換熱系統；汽輪發電機組及其輔助設備組成的發電系統。

定日鏡場實現對太陽的實時跟蹤，將太陽光反射到吸熱器表面。冷鹽罐中的傳熱流體通過冷鹽泵輸送至位于高塔上的吸熱器，吸收由定日鏡反射來的熱量，升溫至約565℃。高溫熔鹽通過管道輸送至熱鹽罐，再通過熱鹽泵輸送至蒸汽發生器加熱給水，產生約540℃的超高壓過熱蒸汽，推動汽輪發電機組發電。蒸汽發生系統配置再熱器，匹配汽輪機以提高機組循環效率，同時配置空冷式凝結器和機力式輔機冷卻塔，節約大量水資源。

2 塔式光熱發電的關鍵設備

2.1 集熱系統構成

集熱系統中主要包含吸熱器、入口罐、緩沖罐、壓縮空氣系統和支撐結構組成。吸熱器位于塔頂端，用于吸收定日鏡反射的太陽能，并將其內部的熔鹽加熱到565℃。

2.1.1 吸熱器

吸熱器的結構如圖1 所示，為圓柱形結構（實際為正多邊形），直徑為14m，表面的有效受熱高度為12.76m，吸熱器的吸熱管由12 組管屏構成，每組管屏中有吸熱管、集熱箱以及吸收裝置等，吸熱器的功率為280MWt。

圖1 吸熱器和管屏結構圖

吸熱管屏由鎳合金（SB626 N06230）制成，其外表面涂有吸光性和耐高溫性較好的涂料（Pyromark 2500 黑色涂料），吸熱器中的鹽流分為2 個并聯回路，鹽以蛇形方式流過每個回路：在一些管屏中，流動方向是自下而上，而相鄰的流動方向是相反的。

為方便管理，在吸熱器中加裝了部分輔助裝置，包括用于檢測管屏溫度的熱像儀、電加熱箱以及輻射計等，這些裝置與控制塔式發電系統的計算機連接，通過計算機對整個裝置進行管理，其所顯示的是管屏內側的溫度。

2.1.2 進口緩沖罐

進口緩沖罐與管屏中的上升管連接，可容納裝置在緊急事故下運行60s 需要的熔鹽的容量。緩沖罐與壓縮空氣裝置連接以維持罐內的壓力，在塔式裝置的管屏出現斷流現象時，緩沖罐會為管屏提供額外的熔鹽，防止吸熱器因干燒而損壞。

進口緩沖罐的材料為碳鋼，熔鹽首先存儲在冷鹽罐中，冷鹽罐與進口緩沖罐連接，熔鹽先流經進口罐，裝滿進口罐后進入管屏中。當塔式裝置發生故障使熔鹽無法流動時，例如，冷卻泵故障時，定日鏡需要一定的時間散焦，而在此時間內，壓縮空氣裝置將驅動進口罐將其中的熔鹽送入管屏中維持裝置的工作，防止裝置因過熱損壞。

2.1.3 壓縮空氣系統

用以驅動進口緩沖罐在冷卻泵故障時將其中的熔鹽注入到管屏中，塔式裝置配備2 臺壓縮機，1 臺主用1 臺備用。該裝置由緊急壓縮機、干燥機、增壓機、儲氣罐和檢測儀表等組成。空氣壓縮機位于進口緩沖罐下部，采用閉式水冷裝置，冷卻溫度為39℃。

2.2 儲熱系統構成

塔式裝置的儲熱系統是為了應對太陽能資源的不穩定、不連續以及受環境影響大的缺陷而設計的，儲熱裝置由冷鹽儲存系統和熱鹽儲存系統組成，配備儲熱裝置的塔式裝置發電更加穩定，可應對電網的日常供電。

儲熱系統用于存儲熔鹽，主要設備包括：冷鹽罐、熱鹽罐、冷鹽泵、熱鹽泵、調溫泵等。其中冷鹽泵、調溫泵位于冷鹽罐中，將低溫熔鹽打入吸熱器，吸收太陽能溫度升高后，返回熱鹽罐。熱鹽泵位于熱罐中，將高溫熔鹽泵入蒸汽發生系統與水/蒸汽換熱產生過熱蒸汽。

2.2.1 冷鹽儲存系統

冷鹽儲存系統儲存溫度約298℃的冷鹽，其罐體的最大承受溫度為400℃，最高狀態運行的最高溫度為370℃，正常狀態的運行溫度為298℃，其材質為碳鋼材質，罐體容積為9700m3。

冷鹽罐在塔式裝置負載較低時，例如，多云或氣溫較低，日照較差的天氣時，此時裝置加熱熔鹽的效率將下降，被加熱的熔鹽進入冷鹽罐中儲存，外部的熔鹽進入冷鹽罐時將使罐內發達溫度上升，罐內的熔鹽越少溫度上升越快。

2.2.2 熱鹽儲存系統

熱鹽罐的罐體材料為A240 Gr347H 不銹鋼，設計溫度為595℃，正常工作溫度為565℃，盛裝溫度高于400℃的高溫熔鹽。熱鹽儲存系統用于當太陽能資源過剩，超出塔式裝置的既定工作負荷時，將額外的能量通過高溫熔鹽的形式儲存到熱鹽罐中，熱鹽罐中的循環泵會將罐中的高溫熔鹽輸送到蒸汽發生器中，產生蒸汽驅動汽輪機發電。

2.2.3 熔鹽泵

在塔式熔鹽電站中的熔鹽泵分為冷鹽泵、熱鹽泵和調溫泵，熔鹽泵一般為立式液下泵，布置在儲罐上部的泵支撐平臺上。其配置的基本原則為保證電站安全、經濟運行。

調溫泵選型時需考慮啟動階段逐漸提升進入蒸汽發生器的熔鹽溫度，且在汽輪機停運階段，輸送小流量的低溫熔鹽（約298℃）至蒸汽發生器，以防止系統中局部熔鹽溫度繼續降低，且產生廠用輔汽。若系統中其他泵或設備可實現此功能，也可不單獨設置調溫泵。

對于配置儲熱的塔式熔鹽電站，在午后高溫熔鹽罐內的熔鹽液面多處于高位，相應的低溫熔鹽罐內的液位處于低位。午后吸熱器產生的高溫熔鹽流量越來越小。

冷鹽泵將輸送很小流量的熔鹽去吸熱器吸收熱量，以保證吸熱器出口熔鹽溫度在設計值附近（約565℃）。若泵的變頻范圍不能滿足吸熱器低負荷運行需求的較小流量，則吸熱器出口溫度會降低。

熔鹽泵可配置多臺非全容量泵或2 臺全容量，在任何一臺泵故障時，其余泵出力可滿足蒸汽發生器額定負荷運行。目前，50MW 等級的塔式熔鹽電站，典型的配置為3 臺50%吸熱器冷鹽泵、2 臺100%容量熱鹽泵和2 臺100%容量調溫泵。

3 塔式光熱發電的技術優勢

塔式與槽式、菲尼爾式、蝶式發電技術相比，塔式光熱發電具有聚光比高、工作溫度高、光電效率高、工質流程短、熱損失小及維護方便的優勢。雖然塔式光熱發電優勢較大、商業化項目較多，但其屬于新型技術，目前相關的技術研究與配套設施等尚不成熟，成本較高，因此，對塔式光熱發電技術需進一步研究和優化并大規模應用。

4 結語

塔式光熱發電技術是一項新型太陽能利用技術，具有轉換效率高、配套設施方便等優勢，非常適合應用于我國西部日照資源豐富的地區，因此，本文對塔式光熱發電的關鍵技術進行了研究。塔式發電具有聚光比高、工作溫度高、接收器面積小等優勢，適合在我國西部日照資源豐富且面積較大的地區推廣應用，為此，需要進一步研究和優化塔式發電技術，降低成本，使其早日成為電網的支撐。