塔式光熱電站設計國家標準與IEC 標準的對比研究

高 嵩，許繼剛

( 中國能源建設集團有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

塔式太陽能發電技術是在廣闊面積的場地上布置大量配有跟蹤機構的太陽能定日鏡，每臺定日鏡均準確地將太陽光反射集中到場內一座高塔頂部的吸熱器上。吸熱器把吸收的太陽光能轉化成熱能，再將熱能傳給工質，通過工質將熱能輸入熱動力機，膨脹做功帶動發電機，最后以電能的形式輸出。在工質傳遞的過程中，可通過儲能系統實現能量的儲存，該系統主要由聚光集熱子系統、傳熱儲熱子系統、換熱子系統、發電子系統等部分組成[1]。塔式光熱電站發電出力特性與火力發電較為相近，具備熱電解耦運行能力，在新型電力系統中可起到調峰電源的重要作用。近年來，我國的塔式光熱發電技術實現了大規模快速發展，首批光熱示范發電項目中已建成投運5 座光熱電站[2-3]，裝機容量達到300 MW。隨著我國新型電力系統的大規模建設，光伏、光熱大基地項目在新疆、青海、甘肅、吉林等地得到了大規模開發，已開始規劃建設總容量3 GW以上的塔式光熱電站。

為促進和規范太陽能光熱發電技術的發展，住房和城鄉建設部在《關于印發2015 年工程建設標準規范制定、修訂計劃的通知》(建標[2014]189 號)中明確提出制定國家標準《塔式太陽能光熱發電設計標準》(以下簡稱“國家標準”)[4]。于2018 年發布實施。中國主導編制的國際標準《塔式太陽能光熱發電設計總體要求》(以下簡稱“IEC 國際標準”)于2022 年9 月發布實施[5]。本文對這兩項標準主要差異進行對比分析，以供設計人員在今后工作中進行參考。

1 國家標準

國家標準是指導我國塔式光熱發電站設計建設的統領性標準，除總則、術語、基本規定以外，還包括了電力系統、太陽能資源評估、站址選擇、總體規劃、集熱場布置、發電區布置、集熱系統及設備、傳熱儲熱與換熱系統及設備、汽輪機設備及系統、水處理設備及系統、信息系統、儀表與控制、電氣設備及系統、水工設施及系統、輔助系統及附屬設施、建筑與結構、供暖通風與空氣調節、環境保護與水土保持、職業安全和職業衛生、消防等20 個章節[4]。

國家標準的編制框架是先從電廠外部條件再到內部工藝，即先從外部電網接入條件、太陽能資源以及水文氣象開始，再到聚光、集熱、發電等具有光熱特點的工藝系統。在電廠內部的工藝系統中，先對總圖、集熱場、發電區的布置進行有關規定，再對各相關技術專業按照聚光、集熱、儲熱、傳熱、發電的工藝流程開展系統選型設計方面的規定。

2 IEC國際標準

IEC 國際標準是指導全球塔式光熱發電站設計建設的統領性標準，除規定了適用范圍、引用標準、定義、基本規定以外，還編制了電力系統接入、太陽能資源評估、站址選擇、總體規劃、集熱場布置、發電區布置、集熱系統、傳熱、儲熱及換熱系統、汽輪機系統、水處理系統、信息系統、儀表與控制、電氣設備及系統、職業安全與衛生的技術要求等14 個章節。

該標準基于國家標準的工作基礎編制而成。保留了光熱特色鮮明的主要工藝流程，省略了水工設施及系統、輔助系統及附屬設施、建筑與結構、供暖通風與空氣調節、環境保護與水土保持等6 個與火力發電廠相近的常規章節，并且在接入系統、太陽能資源評估、汽輪發電系統及水處理系統的章節里進行簡化，引用已發布的IEC 標準。

3 兩項標準主要內容差異對比

國家標準和IEC 國際標準在適用范圍、名詞定義、系統劃分等共性方面保持一致。在標準內容方面均包括總體規劃、集熱場布置、發電區布置、集熱系統、傳熱儲熱及換熱系統等重要的、具有光熱特色的工藝系統方面內容。在接入系統、太陽能資源評估、汽輪發電系統及水處理系統、信息系統、電氣系統等章節的具體內容上，存在差異。兩部標準主要章節對比見表1 所列。

表1 國家標準與IEC國際標準章節對比

3.1 接入系統

國家標準中，對大中型太陽能光熱發電站提出了應具有參與電網調峰和調頻的能力要求，在IEC 國際標準中，未在調峰調頻方面提出相應要求。

國家標準電能質量條款中，要求電站并網點的電能質量指標應符合GB/T 12325—2008《電能質量-供電電壓偏差》[6]、GB/T 12326—2008《電能質量—電壓波動和閃變》[7]和GB/T 15543—2008《電能質量—三相電壓不平衡》[8]的規定。IEC 國際標準中，要求該指標應符合IEC 62749 ED2.0《電能質量評估—公共電網供電特性》[9]。

國家標準中，對電站接入方案及主變壓器選型提出了進行技術經濟比較后再確定的要求，鑒于國外投資項目技術經濟性比較側重的因素也各有不同，所以未在IEC 國際標準中做統一要求。

3.2 太陽能資源評估

國家標準對參考氣象站、現場觀測站、太陽輻射數據驗證與分析做了較為詳盡的規定。IEC 國際標準中，有關設計要求須符合IEC 62862 1-2 ED1.0《太陽能熱電廠第1-2部分：太陽能熱電廠模擬的年輻射數據》[10]和IEC 62862 1-3 ED1.0《太陽能熱電廠第1—3 部分：氣象數據集格式》[11]。

3.3 汽輪機系統

國家標準中，汽輪機系統對汽輪機設備、主蒸汽、再熱蒸汽和旁路系統、給水系統及給水泵、除氧器及給水箱、凝結水系統及凝結水泵、疏放水系統、輔機冷卻水系統等做了詳細的選型設計規定。IEC 國際標準中，原則性地提出對主汽溫度的設計要考慮儲換熱系統的匹配，以及汽輪機額定功率設計要考慮與鏡場和儲熱容量匹配；對于汽輪機系統，汽輪機系統應滿足IEC 60045-1 ED1.0《汽輪機第1 部分：技術規范》[12]，其余并未做詳細規定。

3.4 水處理系統

國家標準中，水處理系統涵蓋了水質及水的預處理、水的預脫鹽、除鹽水處理系統、凝結水精處理、熱力系統的化學加藥和水汽取樣、冷卻水處理、定日鏡清洗水處理、廢水處理、藥品儲存等內容。在IEC 國際標準中，鑒于鏡場定日鏡清洗用水是一項獨有的特殊技術內容，會對水處理系統的能力提出不同于常規火電廠的要求，所以在IEC 國際標準中保留了包括水質及水的預處理、水的預脫鹽、除鹽水處理系統、定日鏡清洗水處理、廢水處理等具有光熱特點的規定內容。

3.5 信息系統

國家標準中，信息系統中包括電站信息系統總體規劃、管理信息系統、安全防范系統、生產視頻監視系統、視頻會議系統、信息系統布線、信息安全等內容。IEC 國際標準中，鑒于各國信息化發展的程度不盡相同，從光熱電站的鏡場占地較大，定日鏡數量眾多等特點考慮，僅對安全防范系統、生產視頻監視系統、信息系統布線、信息安全等一些必要內容做了相關規定。

3.6 電氣系統

國家標準中，電氣系統中包括發電機與主變壓器、電氣主接線、交流站用電系統、直流電源系統及不間斷交流電源、高壓配電裝置、電氣監測與控制、元件繼電保護、照明系統、接地系統、站內通信等內容。IEC 國際標準中，上述大部分內容在IEC 已發布實施的標準中已有對應，所以在電氣系統部分引用了較多的現有IEC 標準。同時考慮到不同國家及欠發達地區對站內通信需求不同，未對站內通信系統作相關技術規定。

4 對比分析

我國設計標準大多明確了需要通過技術經濟性比較來確定有關參數。在國際標準的編制習慣中，技術經濟性比較幾乎不作為設計規定的要求，而是提出要滿足建設方的要求或設備產品的技術要求。

國家標準編制內容全面，IEC 國際標準僅對IEC 標準體系中尚未明確規定的技術內容編制有關的技術要求，能夠參照已有火電標準的章節，不再進行詳細編制。

5 結語

國家標準涵蓋了設計塔式光熱電站涉及的所有專業，編制內容的布局特點及全面性與GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》[13]編制結構和內容相近。IEC 國際標準主要對塔式光熱發電的工藝系統做出相關設計規定，在常規的技術內容，更多的借鑒引用現有已發布的IEC 國際標準。兩本標準在聚光、集熱、傳熱、換熱等光熱主要工藝環節的技術規定內容一致性較強，均起到了指導工程建設的作用。