塔式太陽能熱發(fā)電站吸熱塔的電氣系統(tǒng)設(shè)計要點分析

劉世友，張 文

(西北電力設(shè)計院有限公司，西安 710075)

0 引言

隨著中國太陽能熱發(fā)電項目的不斷建設(shè)，其電氣系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟性和合理性越來越受到關(guān)注，而對于電氣系統(tǒng)設(shè)計而言，負荷中心的設(shè)置和電纜敷設(shè)是關(guān)鍵影響因素。

在塔式太陽能熱發(fā)電站中，吸熱塔的大部分負荷位于其頂部的吸熱器附近，電氣系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合考慮吸熱塔負荷電源設(shè)計的合理性和可靠性。基于此，本文在對塔式太陽能熱發(fā)電站吸熱塔的負荷特性和電氣設(shè)備布置進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)吸熱塔的結(jié)構(gòu)特點及檢修需求，結(jié)合電纜鎧裝的型式和特點，對吸熱塔電氣系統(tǒng)的接線方案及盤柜布置要點進行總結(jié)。

1 吸熱塔的負荷特性分析

1.1 吸熱塔的工作原理

塔式太陽能熱發(fā)電站的工作原理是在較大面積的場地上裝有多臺大型太陽能反射鏡(即定日鏡)，每臺定日鏡都各自配有跟蹤機構(gòu)，可準確地將太陽光反射并集中到1 個吸熱塔頂部的吸熱器上；然后通過接收器把吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，經(jīng)過儲熱環(huán)節(jié)，再輸入蒸汽發(fā)生器，驅(qū)動汽輪機做功，帶動發(fā)電機，最終以電能的形式輸出。

對于塔式太陽能熱發(fā)電站而言，吸熱器一般安裝在吸熱塔頂部。在儲熱過程中需要通過冷鹽泵將熔鹽輸送至上塔熔鹽管道，然后進入吸熱器被加熱，加熱后的熔鹽再通過下塔熔鹽管道輸送返回至熱鹽罐。

1.2 吸熱塔的負荷分析

吸熱塔的負荷包括爐箱(含聯(lián)箱)電加熱器、電伴熱系統(tǒng)、事故空壓機、熱控儀表及控制電源、暖通系統(tǒng)(包括塔頂風機、配電室的空調(diào)設(shè)備等)、照明檢修、吸熱塔塔內(nèi)電梯、塔頂檢修吊車等。

電伴熱系統(tǒng)主要分為輔助電伴熱系統(tǒng)(例如閥門電伴熱系統(tǒng))、熔鹽管道電伴熱系統(tǒng)和吸熱器電伴熱系統(tǒng)。其中，輔助電伴熱系統(tǒng)是在發(fā)電機組停機或啟動時，根據(jù)環(huán)境溫度和設(shè)備情況決定其是否運行。

以某100 MW 塔式太陽能熱發(fā)電站為例，其吸熱塔主要負荷如表1 所示。

表1 某100 MW 塔式太陽能熱發(fā)電站的吸熱塔主要負荷Table 1 Main load of heat absorption tower of a 100 MW tower CSP station

根據(jù)表1 的負荷值分析得出：

1)吸熱塔負荷中，占比較大的主要為爐箱(含聯(lián)箱)電加熱器、吸熱器電伴熱系統(tǒng)及熔鹽管道電伴熱系統(tǒng)，此部分負荷一般在發(fā)電機組啟動時配合冷鹽泵運行，因此在熔鹽管道及吸熱器注鹽前需要對其進行提前預(yù)熱。在發(fā)電機組熱備用或者熔鹽集熱系統(tǒng)短暫停止運行時，需要根據(jù)環(huán)境溫度及停運時間的長短，選擇性投入部分電加熱負荷或電伴熱負荷，以保證熔鹽集熱系統(tǒng)在具備條件時能夠快速投入運行。當熔鹽注入熔鹽管道及吸熱器后，電加熱負荷及電伴熱負荷可退出運行。由于電加熱負荷及電伴熱負荷為吸熱塔內(nèi)主要負荷，負荷容量較大且運行工況復(fù)雜，因此其也是影響吸熱塔變壓器容量選型的主要因素。考慮到塔底部分的熔鹽管道電伴熱負荷距離儲換熱動力中心更近，因此，吸熱塔下部區(qū)域的電伴熱負荷可考慮由儲換熱動力中心供電，計算吸熱塔變壓器容量時可以不考慮吸熱塔下部區(qū)域的電伴熱負荷。

2)塔頂檢修吊車及塔頂卷揚機只在建設(shè)階段或者檢修狀態(tài)下才需要運行，因此在計算變壓器容量時可以不考慮這兩項負荷。

3)暖通設(shè)備(例如塔頂風機)在發(fā)電機組正常運行及停機時均需要運行，因此在計算變壓器容量時需要考慮暖通系統(tǒng)負荷。

為保證吸熱器的安全穩(wěn)定運行，吸熱器進、出口均設(shè)有緩沖罐，以確保若冷鹽泵因故失效時，可以通過緩沖罐壓縮空氣來維持熔鹽的短時持續(xù)流動，以配合定日鏡進行散焦，防止吸熱器被燒壞。因此，吸熱塔設(shè)置了事故空壓機，事故空壓機一般布置在吸熱塔0 m 層(即塔底)或動力島(即汽輪發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng))，可根據(jù)工藝需要由保安段供電。

1.3 吸熱塔的配電系統(tǒng)設(shè)計方案

1.3.1 吸熱塔動力中心(PC)的設(shè)置

考慮到吸熱塔負荷多數(shù)靠近塔頂位置，因此在吸熱塔塔頂設(shè)置了電氣配電室并配有PC，可大量節(jié)約動力電纜的用量。

當吸熱塔負荷容量較大時，需要設(shè)4 臺吸熱塔變壓器，兩兩備用，廠用電系統(tǒng)可采用變壓器暗備用接線方案，具體如圖1 所示。考慮到吸熱塔主要負荷運行的特殊性及受吸熱塔布置空間的限制，也可采用變壓器明備用接線方案，如圖2 所示。

圖1 變壓器暗備用接線方案Fig. 1 Hidden backup wiring scheme of transformer

圖2 變壓器明備用接線方案Fig. 2 Clear backup wiring scheme of transformer

當吸熱塔負荷容量較小時，建議采用2 臺變壓器暗備用接線方案，可減少設(shè)備投資，較變壓器明備用方案更經(jīng)濟。當吸熱塔負荷容量較大時(對應(yīng)汽輪發(fā)電機組容量較大)，建議采用變壓器明備用接線方案，可以減少電氣配電室占用的面積，還可以減少中壓開關(guān)柜、中壓電纜及變壓器數(shù)量，是一種較為經(jīng)濟的設(shè)計方案。

1.3.2 電動機控制中心(MCC)的設(shè)置

吸熱塔的負荷除爐箱(含聯(lián)箱)電加熱器、電伴熱系統(tǒng)等重要負荷之外，還有部分保安負荷，例如事故空壓機、航空障礙燈等，因此推薦在吸熱塔電氣配電室設(shè)置吸熱塔保安MCC 段，電源由塔式太陽能熱發(fā)電站動力島保安PC 段引接，作為吸熱塔內(nèi)保安負荷的引接電源。

1.3.3 不間斷電源(UPS)的設(shè)置

針對吸熱器控制部分，考慮到節(jié)省電纜用量、優(yōu)化接線，在吸熱塔內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的分散控制系統(tǒng)(DCS)盤柜，對應(yīng)的需考慮設(shè)置UPS。若UPS設(shè)置在吸熱塔內(nèi)，將增加運維的難度和工作量，且吸熱塔UPS 負荷不大，因此可考慮與塔下的儲換熱系統(tǒng)共用UPS，即將UPS 布置在儲換熱電控樓內(nèi)，基于電纜壓降考慮，共用UPS 時，其電壓可采用380/220V。

2 電氣設(shè)備布置

2.1 吸熱塔的電氣設(shè)備布置

吸熱塔負荷主要集中于吸熱塔頂部，例如：爐箱(含聯(lián)箱)電加熱器布置在環(huán)形的吸熱器內(nèi)部，其負荷占供電負荷的主要部分；電伴熱負荷主要考慮吸熱塔塔頂至中部的熔鹽管道，吸熱塔下部的熔鹽管道電伴熱控制柜考慮沿吸熱塔從下往上，由儲換熱動力中心供電。綜合考慮電纜量最少、敷設(shè)方便及靠近負荷中心的原則，吸熱塔電氣配電室的設(shè)置應(yīng)盡量靠近吸熱器，即布置在吸熱塔頂部，采用高位布置。

因吸熱塔中的PC、MCC、爐箱(含聯(lián)箱)電加熱器及電伴熱控制柜等數(shù)量較多，再加上吸熱塔平面一般為圓形，塔內(nèi)還設(shè)有樓梯、電梯、電梯前室及熔鹽管道上、下塔預(yù)留孔等，因此與常規(guī)電氣配電室所布置位置不同，吸熱塔內(nèi)電氣配電室的空間緊張，需要同時考慮土建、機務(wù)、控制系統(tǒng)(含DCS)及暖通系統(tǒng)在吸熱塔內(nèi)的整體布置方案，必要時電氣配電室可采用兩層或多層布置。若空間條件滿足時，吸熱塔的控制室可與電氣配電室同層布置。

某塔式太陽能熱發(fā)電工程的吸熱塔總高度為220 m，其下部混凝土塔筒的高度為180 m。吸熱塔電氣配電室采用兩層布置，分別布置在吸熱塔148 m 層和154 m 層。其中，148 m 層布置吸熱塔工作MCC 段、吸熱塔保安MCC 段及熔鹽管道電伴熱控制柜；154 m 層布置吸熱器廠家設(shè)備，比如，爐箱(含聯(lián)箱)電加熱器及熔鹽管道電伴熱控制柜等。這兩層的盤柜布置平面圖分別如圖3、圖4 所示。此盤柜布置方式可減少電纜迂回，減少電纜長度及電纜敷設(shè)工程量。

圖3 吸熱塔148 m 層的盤柜布置平面圖Fig. 3 Cabinet layout plan of 148 m floor of heat absorption tower

圖4 吸熱塔154 m 層的盤柜布置平面圖Fig. 4 Cabinet layout plan of 154 m floor of heat absorption tower

2.2 電氣設(shè)備布置的關(guān)鍵因素

因電氣配電室為高位布置，為便于變壓器和盤柜的安裝、檢修，電氣配電室所在層的樓板設(shè)置吊物孔，利用吸熱塔頂部的檢修吊車完成相關(guān)電氣設(shè)備的起吊。同時，由于吸熱塔內(nèi)部空間有限，可將電氣設(shè)備分層布置。電氣設(shè)備布置的關(guān)鍵因素如表2 所示。

表2 電氣設(shè)備布置的關(guān)鍵因素Table 2 Key factors in electrical equipment layout

3 電纜敷設(shè)

3.1 電纜敷設(shè)路徑

電纜從吸熱塔底部進入，需要考慮吸熱塔內(nèi)塔底到塔頂電氣配電室的電纜敷設(shè)路徑。熔鹽管道從吸熱塔塔底到塔頂均需要進行電伴熱，負荷也較為分散，需要考慮分支電纜敷設(shè)路徑。另外，由于吸熱塔內(nèi)空間有限，且塔內(nèi)筒壁向內(nèi)傾斜，不利于電纜橋架及電纜豎井的安裝。

根據(jù)吸熱塔內(nèi)部布置結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)大部分空間用于安裝冷鹽和熱鹽的熔鹽管道、檢修平臺等，同時還需要預(yù)留必要的檢修空間。從多個已執(zhí)行的塔式太陽能熱發(fā)電項目來看，選擇塔內(nèi)樓梯或電梯側(cè)壁作為豎向電纜通道位置是最為合理的。由于豎向電纜通道從塔底到塔頂?shù)碾姎馀潆娛遥缬蚓嚯x大，檢修平臺之間的高度差通常在20～30 m，給電纜敷設(shè)及檢修維護帶來一定困難；同時，為減少與熔鹽管道設(shè)施的交叉，豎向電纜通道采用單層梯式橋架多排敷設(shè)的方式。吸熱塔內(nèi)電纜橋架的布置平面圖如圖5 所示。

圖5 吸熱塔內(nèi)電纜橋架的布置平面圖Fig. 5 Layout plan of cable tray inside heat absorption tower

考慮到電纜敷設(shè)及檢修的便利性，電纜敷設(shè)和檢修可利用吸熱塔內(nèi)閥門管道層的檢修平臺，必要時可在電纜橋架旁設(shè)置檢修步道。

吸熱塔電氣配電室采用多層布置時，最上層的電氣配電室中，盤柜采用“上進上出線”的方式，可減少與吸熱塔頂部吸熱器負荷之間的電纜長度；最下層的電氣配電室中，盤柜采用“上進上出線”的方式，可以減少配電室下方檢修平臺的設(shè)置，在電氣配電室內(nèi)即可完成電纜敷設(shè)及檢修工作。

3.2 電纜選型

發(fā)電廠常用的電纜護層包括鋼帶鎧裝和鋼絲鎧裝兩種，其中，鋼帶鎧裝主要考慮直埋或多層敷設(shè)時的抗壓性；鋼絲鎧裝的主要作用是抗拉，適合在垂直敷設(shè)的場合使用[1]。由于吸熱塔的電氣配電室采用高位布置，豎向電纜較長，需要著重考慮電纜自重造成的拉力。在GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標準》中有關(guān)于電纜選型的要求，在電纜位于高落差的受力條件時，多芯電纜宜具有鋼絲鎧裝[2]。目前塔式太陽能熱發(fā)電項目中，通常上、下塔電纜的跨度都在100 m以上，因此按照GB 50217—2018 的要求并結(jié)合電纜的特性，應(yīng)考慮采用鋼絲鎧裝電纜。

電纜鎧裝層的拉伸應(yīng)力應(yīng)符合下式要求：

式中：σ為金屬絲的拉伸應(yīng)力，Pa；P為金屬絲的張力，N；a為金屬絲的絞合角度，(° )，一般為25°～75°；d0為金屬絲的直徑，m；n為金屬絲根數(shù)或金屬帶層數(shù)。

大截面電纜垂直敷設(shè)時，金屬絲的張力按照電纜垂直段的重力考慮，鋼絲鎧裝層的抗拉強度需大于電纜自重，具體的電纜設(shè)計由廠家按此要求完成。在使用抗拉強度求許用應(yīng)力時，安全系數(shù)一般取3，可在電纜招標過程中提出相關(guān)要求[3]。常用電纜護層材料的抗拉強度和許用應(yīng)力[3]如表3 所示。

表3 常用電纜護層材料的抗拉強度和許用應(yīng)力[3]Table 3 Tensile strength and allowable stress of commonly used cable sheath materials[3]

針對小截面的電纜，若經(jīng)過計算電纜導(dǎo)體自身拉力已滿足使用要求，可不再要求使用鋼絲鎧裝電纜。

電纜除了采用鋼絲鎧裝外，還需按GB 50217—2018 的要求采用垂直敷設(shè)多點固定的方式，以增加安全性。電纜固定夾具安裝間距需滿足以下計算式[3-4]：

式中：L1為固定夾具或固定點的間距，m；F為固定夾具對電纜的緊握力，N；W為電纜單位長度的重力，N/m；Sf為安全系數(shù)，通常取大于等于4。

固定夾具對電纜的緊握力可根據(jù)固定夾具的數(shù)量，按固定夾具之間的電纜自重考慮。鋼絲鎧裝電纜分為細鋼絲鎧裝電纜和粗鋼絲鎧裝電纜兩種，這兩種電纜的抗拉強度不同，在具體工程設(shè)計時，需要根據(jù)垂直敷設(shè)電纜的高差和固定夾具或固定點的間距，經(jīng)過計算后確定，必要時應(yīng)要求電纜廠家配合選型。

4 結(jié)論

本文對塔式太陽能熱發(fā)電站吸熱塔的負荷特性和電氣設(shè)備布置進行了分析，提出了吸熱塔電氣系統(tǒng)的設(shè)計方案要點。分析結(jié)果表明：

1)結(jié)合吸熱塔內(nèi)其他負荷需求，推薦采用MCC 就地布置和UPS 綜合利用的設(shè)置原則；同時根據(jù)吸熱塔內(nèi)電氣設(shè)備的型式，給出了典型的電氣設(shè)備布置方案及影響其布置的關(guān)鍵因素。

2)根據(jù)吸熱塔的結(jié)構(gòu)特點及塔內(nèi)布置情況，提出了吸熱塔內(nèi)的電纜采用豎向電纜通道及單層梯式橋架多排敷設(shè)的方式，確定了電氣配電室內(nèi)的電氣盤柜采用“上進上出線”的設(shè)計原則。

3)由于吸熱塔內(nèi)電纜采用垂直敷設(shè)方案，提出大截面電纜應(yīng)考慮電纜自重的影響，推薦使用鋼絲鎧裝電纜，并給出了相應(yīng)的鎧裝層拉伸應(yīng)力的計算方法。

綜上所述，電氣系統(tǒng)的設(shè)計方案兼顧了合理性、可靠性和運行檢修維護便利性的原則，對塔式太陽能熱發(fā)電項目吸熱塔的電氣系統(tǒng)設(shè)計具有重要的參考意義。