100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站中汽輪機主蒸汽參數選擇的對比分析

牛亞兵，任亞軍，陳 磊，周 治，彭懷午，張俊峰，段楊龍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

太陽能熱發電也稱為聚光太陽能發電(CSP)，其基本原理是利用大量的反射鏡聚集太陽輻射能，用于加熱工質，再通過傳統的熱力循環將熱能轉換為機械能來驅動發電機發電[1]。根據收集太陽輻射能的方式不同，太陽能熱發電技術主要包括塔式、槽式、碟式(斯特林)和線性菲涅爾式這4種類型。其中，采用熔鹽工質的塔式太陽能熱發電技術具有裝機容量大、發電效率高、適合大規模應用等特點，被認為是未來最具潛力的太陽能熱發電形式之一，也是在我國首批太陽能熱發電站中采用最多的技術路線。

汽輪機作為太陽能熱發電站中的關鍵設備，用于實現熱能和機械能的轉換[1]。然而，由于太陽能熱發電站受太陽光照等因素的影響，能量來源具有不穩定性，電站存在負荷變化及啟停頻繁的特點。因此，若要使汽輪發電機組在耗汽量少的情況下完成啟動，選擇合理的主蒸汽參數有助于提高汽輪機的熱效率及整個電站項目的經濟性[2]。

對于我國國內第1批已運行的熔鹽塔式太陽能熱發電站，由于在電站的設計及運行等方面缺乏相關經驗，而且對于蒸汽發生器、汽輪機等主要設備的設計經驗少、制造能力弱，導致這些電站中汽輪機主蒸汽參數的選擇相對保守。

目前，國內外主要的熔鹽塔式太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽參數(主蒸汽壓力和主蒸汽溫度)的選擇如表1所示。

表1 不同熔鹽塔式太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽參數的選擇Table 1 Choice of main steam parameters of steam turbines in different molten salt tower CSP stations

本文以國內某汽輪機主機廠提供的相關數據為依據，結合中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司(下文簡稱“中國電建西北院”)在太陽能熱發電站設計方面的經驗，對甘肅省某100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站中汽輪機主蒸汽參數(主蒸汽壓力和主蒸汽溫度)的選擇進行了簡要的對比分析。

1 工程概況

本文以甘肅省某100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站為例進行分析。該太陽能熱發電站的儲熱介質采用二元熔鹽，儲熱系統選用“1臺低溫儲罐+1臺高溫儲罐”的單套熔鹽儲罐方案，吸熱器進口/出口熔鹽設計溫度為290/565 ℃，蒸汽發生系統采用自然循環方式。

結合該太陽能熱發電站所在地的太陽能資源條件，利用太陽能熱發電站仿真模擬軟件SAM對全年中高溫儲罐的運行溫度進行模擬計算。模擬計算時，高溫儲罐的最高運行溫度和最低運行溫度分別取564.9 ℃和500.0 ℃。全年中高溫儲罐運行溫度的模擬計算結果如表2所示。

表2 全年中高溫儲罐運行溫度的模擬計算結果Table 2 Simulation calculation results of operating temperature of high temperature storage tank in whole year

從表2中的統計數據可知，全年中高溫儲罐運行溫度t>555 ℃的時間約占53.6%。

2 主蒸汽參數的選擇

汽輪機主蒸汽參數的選擇應以提高汽輪機熱效率為原則來確定，而汽輪機的可靠性和價格也是重要的選擇指標。該太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽參數，即主蒸汽壓力和主蒸汽溫度的選擇，是在綜合考慮儲熱介質參數、蒸發換熱系統形式，并以汽輪機主機廠提供的熱平衡數據為依據的基礎上進行比較分析后得到的。

2.1 主蒸汽壓力的對比分析

該太陽能熱發電站中，吸熱器出口的熔鹽設計溫度為565 ℃，根據GB/T 754-2007《發電用汽輪機參數系列》的有關規定可知，超臨界及超超臨界汽輪機的主蒸汽溫度/再熱溫度均高于565℃，因此對本太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽壓力進行選擇時，不用考慮超臨界及超超臨界情況下的主蒸汽壓力，而是以超高壓及亞臨界情況下的主蒸汽壓力對比為主。當汽輪機的主蒸汽初始溫度不變僅提高初始壓力時，在一定范圍內可提高汽輪機的熱效率；但若初始壓力提高過大，汽輪機的熱效率反而會降低。由此可知，在初始溫度一定的情況下，存在一個最佳初始壓力，超過最佳初始壓力后，汽輪機的熱耗率將趨于上升[3]。

不同主蒸汽壓力下汽輪機的性能對比以國內某汽輪機主機廠提供的超高壓及亞臨界汽輪機的熱平衡數據為依據，具體如表3所示。

表3 不同主蒸汽壓力下汽輪機的性能對比Table 3 Performance comparison of steam turbines under different main steam pressures

由表3可知，在主蒸汽溫度為550 ℃的條件下，100%額定負荷工況下主蒸汽壓力采用亞臨界壓力時汽輪機的熱效率比采用超高壓時的高0.21%；其他額定負荷工況下采用亞臨界壓力時汽輪機的熱效率比采用超高壓壓力時的均高0.44%及以上。

從項目經濟性方面考慮，若選用亞臨界壓力，則汽輪機的熱效率相對較高，在太陽能熱發電站發電量相同的情況下，其所需要的集熱鏡場面積較小，因此項目的經濟性較好。但本太陽能熱發電站的蒸發換熱系統采用的是自然循環方式，是依靠密度差提供的推動力來克服蒸發循環的阻力，主蒸汽壓力越高，汽水循環的密度差就越小，需要的汽包與蒸發器的高度差就越大，且選用亞臨界壓力時，在部分超壓工況下，自然循環方式會存在一定的風險。綜合考慮蒸發換熱系統中設備的布置高度、機組的經濟性及汽水循環的安全可靠性，參考目前國內已運行的太陽能熱發電站及蒸發換熱系統設備廠家的最新技術方案，本太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽壓力推薦采用14.1 MPa(a)。

2.2 主蒸汽溫度的對比分析

根據工程熱力學的基本原理，提高蒸汽的溫度能提高朗肯循環的效率，因此提高主蒸汽溫度的數值，能提高汽輪機的熱效率。

不同主蒸汽溫度下汽輪機的性能對比以國內某汽輪機主機廠提供的超高溫和高溫情況下汽輪機的熱平衡數據為依據，具體如表4所示。

表4 不同主蒸汽溫度下汽輪機的性能對比Table 4 Performance comparison of steam turbines under different main steam temperatures

由表4可知，當主蒸汽壓力為14.1 MPa(a)時，在100%額定負荷工況下，主蒸汽溫度采用超高溫時汽輪機的熱效率比采用高溫時的高0.18%，若按發電小時數為3897 h計算，在鏡場面積一定的情況下，100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站全年可多發電約155萬kWh，年多發電量的收入約為170.5萬元(電價暫按1.1元/kWh計算)；在年發電量一定的情況下，主蒸汽溫度采用超高溫時100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站的鏡場面積可減少0.61萬m2，鏡場初投資可減少約427萬元。其他額定負荷工況下，主蒸汽溫度采用超高溫時汽輪機的熱效率，均比采用高溫時的高0.17%及以上。

本太陽能熱發電站中吸熱器出口的熔鹽設計溫度為565 ℃，根據蒸發換熱系統廠家提供的換熱端差數據進行計算，若主蒸汽溫度選擇540 ℃，在進行蒸發換熱系統設計時，為防止蒸汽溫度超溫，需配置主蒸汽、再熱蒸汽噴水減溫系統，這樣會增加設備的投資及系統運行時的安全風險。另外，再根據中國電建西北院針對太陽能熱發電項目的設計及運行經驗，若主蒸汽溫度選擇540℃，蒸發換熱系統運行時調溫熔鹽泵需長期投入運行，用于降低過熱器、再熱器入口熔鹽溫度，防止設備入口端差過大。如此一來，主蒸汽溫度選擇540 ℃時不僅使蒸發換熱系統的結構復雜，而且提高了對調溫熔鹽泵的可靠性要求，在增加耗電量的同時還增加了設備初投資。

根據鏡場全年集熱量及高溫儲罐的儲熱溫度模擬計算結果，全年中高溫儲罐溫度大于555 ℃的時間約占53.6%，這說明該太陽能熱發電站大部分的運行時間可滿足以主蒸汽溫度550 ℃運行。

綜上所述可知，汽輪機的主蒸汽溫度選用550℃較為合理。

2.3 電站主要設備及主要管道投資的對比

參考同為100 MW的熔鹽塔式太陽能熱發電站的設計經驗，在不同的汽輪機主蒸汽溫度下，電站主要設備投資的對比如表5所示。

表5 電站主要設備投資的對比Table 5 Comparison of main equipment investment of CSP station

從表5中的數據可知，汽輪機的主蒸汽溫度采用超高溫時，電站主要設備的初投資可減少約197萬元。

在不同的汽輪機主蒸汽溫度下，電站主要管道投資的對比如表6所示。

表6 電站主要管道投資的對比Table 6 Comparison of main pipelines investment of CSP station

由于汽輪機的主蒸汽溫度不同，因此主蒸汽及熱再熱蒸汽管道的材料選型也會不同，使計算得到的管道壁厚也會存在不同，導致2種主蒸汽溫度下的主蒸汽及熱再熱蒸汽管道的投資相差較大。從表6中的數據可知，當汽輪機的主蒸汽溫度采用超高溫時，電站主要管道的投資將增加約860萬元。

綜上所述可知，汽輪機的主蒸汽溫度采用超高溫時，太陽能熱發電站的初投資比汽輪機的主蒸汽溫度采用高溫時的增加約663萬元。但汽輪機的主蒸汽溫度采用超高溫時，電站每年可節約調溫熔鹽泵電費約70萬元，而且每年多發電量的收益約為170.5萬元，這相當于電站每年可增加約240.5萬元的收益，因此，若汽輪機的主蒸汽溫度采用超高溫，則電站只需3年即可收回增加的投資。

綜合考慮汽輪機熱效率、儲熱介質設計溫度、主要設備投資、主要管道投資、項目實際運行經驗、系統經濟性及設備廠家的制造能力后，本太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽溫度推薦選用550 ℃。

3 結論

本文以國內某汽輪機主機廠提供的相關數據為依據，并結合中國電建西北院對于太陽能熱發電項目的設計和運行經驗，對甘肅省某100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站中汽輪機主蒸汽參數的選擇進行了簡要對比分析。綜合考慮汽輪機熱效率、設備投資、管道投資、設備廠家目前的設計制造能力及系統經濟性后得出結論，推薦該太陽能熱發電站中汽輪機的主蒸汽壓力和主蒸汽溫度分別采用14.1 MPa(a)和550 ℃。