導熱油槽式光熱發電系統多操作模式設計

孫仁龍，劉亞琪

（中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司，天津 300450）

太陽能光熱發電集發電與儲能為一體，是可代替化石能源電站擔當基礎負荷和調峰負荷的綠色電源，目前光熱發電技術主要分塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四大類，四種模式各有千秋，各有所長。

塔式設計為點式聚焦系統，其利用大規模的定日鏡組成陣列，將太陽輻射反射并積聚到吸熱塔頂部的吸熱器對內部工質進行加熱。塔式電站最大的優勢在于熱傳遞路程短，損耗小，聚光比和溫度都比較高，且規模大。但塔式的特性也決定了它不能小型化，無法建立分布式系統，因此對土地占用多，前期投資大，技術門檻也比較高，建設難度大。

槽式路線屬于線性聚焦系統，是通過槽式拋物面聚光鏡面，將太陽光匯聚在焦線上，并在焦線上安裝管狀集熱器，從而吸收聚焦后的太陽輻射能。槽式系統的優點在于技術最為成熟，且各個環節的設備本身比較簡單，大批量生產安裝的難度不大，維護成本也更低。這使得該技術路線成為了目前裝機量最大的光熱電站類型，但由于其集熱效率偏低，無法將導熱介質加熱到太高溫度。

菲涅爾式同樣屬于線性聚焦系統，整體設計與槽式差別不太大，但結構更加簡單。它采用靠近地面放置的多個幾乎是平面的鏡面結（帶單軸太陽跟蹤的線性菲涅爾反射鏡），先將陽光反射到上方的二次聚光器上，再進一步匯聚到管狀集熱器上，然后加熱導熱介質進行發電。涅菲爾式的聚光能力在所有路線中最差，對工質的加熱能力也比較弱，導致了整體發電效率比較低。

碟式系統是利用旋轉拋物面反射鏡，將入射太陽光聚焦到焦點上，通過焦點處放置的斯特林發電裝置進行發電。碟式是最為特殊的一條光熱技術路線，其在設計上與另外三條路線差異巨大。槽式、塔式、菲涅爾式系統均是在大范圍內聚熱后，將熱能集中進行利用，但碟式則是由獨立的模塊就地進行熱電轉換。

1 槽式系統技術

槽式系統技術成熟，在國際上有30a以上商業運行經驗。集熱裝置采用真空玻璃管結構，即內管采用鍍有高吸收率選擇性吸收涂層的金屬管，管內走加熱介質，在外面為玻璃管，玻璃管與金屬管間抽真空以抑制對流和傳導熱損失。導熱油槽式集熱器見圖1。

圖1 導熱油槽式集熱器

導熱油槽式光熱發電系統一般由太陽島、熱力島及常規島三大部分組成，其中熱力島連接太陽島與常規島，是能量轉換的核心，熱力島主要由以下四部分組成：

1）導熱油系統，主要包括主泵系統、循環泵系統、膨脹系統、加熱爐系統、回收再生系統組成。

2）蒸汽發生系統。

3）熔鹽儲熱系統。

4）空壓制氮、LNG等輔助系統。

其設計基本流程為：在太陽島中，低溫導熱油經多個槽型拋物面聚光集熱器加熱升溫，吸收能量，加熱導熱油；在熱力島中，高溫導熱油與油水換熱器進行熱交換產生過熱蒸汽，或與油鹽換熱器進行熱交換加熱熔鹽，進行儲能；在常規島中，高溫蒸汽推動汽輪機做功發電。導熱油槽式發電系統見圖2。

圖2 導熱油槽式發電系統簡圖

2 熱力島多操作模式設計

不同地域、不同季節、不同時段，太陽照射強度不同，以及能量的波動性，勢必造成系統的不穩定，為保證系統的長期安全高效運行，特提出以下12種操作模式：

模式1：導熱油經鏡場加熱后僅與油水換熱器換熱，主要適用于太陽能僅滿足蒸汽發生系統所需能量要求或當熔鹽系統儲能已滿。

模式2：導熱油經鏡場加熱后同時與油水換熱器、油鹽換熱器換熱，主要適用于太陽能同時滿足蒸汽發生系統和熔鹽系統所需能量要求，且熔鹽系統儲能未滿。

模式3：導熱油與油鹽換熱器換熱后升溫，再通過油水換熱器將能量傳遞給蒸汽發生系統，主要適用于沒有太陽能可用情況。

模式4：導熱油經鏡場加熱后僅與油鹽換熱器換熱，進行儲能，主要適用于蒸汽發生系統故障，或太陽能能量密度低情況下。

模式5：導熱油經鏡場加熱后升溫，再與油鹽換熱器換熱后繼續升溫，最后通過油水換熱器將能量傳遞給蒸汽發生系統，適用于太陽能不足以滿足汽輪機滿負荷運行，需要借助熔鹽系統提供額外能量。

模式6；防凝模式，通過循環泵的運行，防止導熱油凝固，必要上可通過加熱爐補充熱量。

模式7：熔鹽通過額外的光伏或風能加熱，進行儲能，此模式待后續開發。

模式8：導熱油經過加熱爐加熱升溫后與油水換熱器換熱，滿足蒸汽發生系統低負荷運行。

模式9：導熱油先與油鹽換熱器換熱升溫，再進入加熱爐加熱，后與油水換熱器換熱。

模式10：導熱油一路與油鹽換熱器換熱、一路進入加熱爐加熱，二路導熱油混合后與油水換熱器換熱。

模式11：導熱油經加熱爐加熱升溫后與油鹽換熱器換熱，熔鹽系統進行儲能。

模式12：緊急停機。熱力島工藝流程簡見圖3。

圖3 熱力島工藝流程簡圖

各操作模式下熱力島系統狀態情況見表1，各操作模式下導熱油系統物料平衡見表2。

表1 各操作模式下熱力島系統狀態情況表

表2 各操作模式下導熱油系統物料平衡表

續表

全廠采用一套分散控制系統（DCS），將輔助車間和輔助系統納入DCS控制系統，實行全廠集中控制一體化。機組的順序控制按照機組、功能組、子功能組及驅動級設計，保護聯鎖邏輯能使主輔機在各種運行工況和狀態下自動完成各種事故處理。DCS操作臺上配置機組硬接線緊急停止按鈕及重要輔機的硬接線操作按鈕，以保證機組在緊急情況下安全停機。除啟停階段的部分準備工作需由輔助運行人員協助檢查外，機組正常運行工況的監視、調節、控制、報警、連鎖保護控制、異常工況的啟/停、報警和緊急事故處理均可在集中控制室完成。儲熱系統和導熱油系統部分采用遠程I/O站通過光纖分別接入到主機DCS控制系統。

3 結論

根據太陽能光照強度的變化，提出了槽式光熱電站12種操作模式的設計方案，提高了光熱發電的適用性及靈活性，保證了電力系統的穩定、安全、高效運行，對于助力實現“2030年碳達峰”和“2060年碳中和”目標具有重要作用。