淺談塔式太陽能光熱發(fā)電站性能試驗

羅 凱,許 濤,劉海明,劉 剛

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

淺談塔式太陽能光熱發(fā)電站性能試驗

羅 凱,許 濤,劉海明,劉 剛

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

針對太陽能光熱發(fā)電將光熱轉(zhuǎn)換成電能且具有電能輸出可控的優(yōu)點，從考核指標、試驗方法、試驗儀器等方面闡述了塔式太陽能光熱發(fā)電站性能試驗的內(nèi)容與方法，對如何開展該類型電站的性能考核具有一定的指導(dǎo)意義。

太陽能；光熱發(fā)電；性能試驗

0 引言

我國具有豐富的太陽能資源，隨著國家“十三五”能源規(guī)劃的推進，可再生、清潔環(huán)保的太陽能發(fā)電得到大力發(fā)展。

光伏發(fā)電和光熱發(fā)電是主要的太陽能發(fā)電方式。與將太陽光直接轉(zhuǎn)化成電能的光伏發(fā)電不同，光熱發(fā)電是先將太陽光轉(zhuǎn)換成可以儲存的熱能，再將熱能轉(zhuǎn)換為電能的過程。與間歇性的光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電擁有經(jīng)濟高效的儲熱、電能穩(wěn)定輸出、調(diào)峰能力突出等優(yōu)勢，成為當前國內(nèi)棄風、棄光嚴峻形勢下令人矚目的焦點。

2013年，國內(nèi)首個商業(yè)化運營的塔式太陽能電站中控德令哈10 MW電站并網(wǎng)發(fā)電。2016年，國家能源局正式發(fā)布《關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》，大力推進太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，首批示范項目共20個、總計裝機1 350 MW。其中塔式電站項目9個，單機容量在50～135 MW之間，總裝機達到685 MW，集中在青海、甘肅、新疆、河北等地。

隨著太陽能光熱發(fā)電站示范項目的商業(yè)投產(chǎn)，電站的性能驗收工作陸續(xù)開展，而目前國內(nèi)還沒有一套完善的考核標準。本文借鑒多年相關(guān)工作經(jīng)驗，系統(tǒng)性闡述了太陽能光熱發(fā)電站性能試驗的內(nèi)容與方法，拋磚引玉。

1 簡介

塔式太陽能光熱發(fā)電站是目前國內(nèi)主要建成投產(chǎn)的光熱發(fā)電站類型，由塔式聚光集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組組成。聚光集熱系統(tǒng)主要由定日鏡場和放置在吸熱塔上的表面式吸熱器構(gòu)成。吸熱器將太陽輻射熱能傳遞到吸熱、儲熱的介質(zhì)熔鹽，熔鹽將熱能儲存在冷、熱雙罐中與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)構(gòu)成熱儲存交換。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)采用過熱蒸汽發(fā)生器，參數(shù)與再熱式空冷純凝汽輪發(fā)電機組匹配。圖1是以熔鹽循環(huán)為視角的發(fā)電站結(jié)構(gòu)簡圖。

發(fā)電站有三種運行模式：充熱模式、純發(fā)電模式、充熱且發(fā)電模式。

2 試驗?zāi)康?/h2>

試驗依據(jù)供應(yīng)商提供的設(shè)備及系統(tǒng)的性能保證模型、曲線、熱平衡圖、熱力計算說明、氣象環(huán)境等資料，考核光熱發(fā)電機組投產(chǎn)后聚光集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組的各主要指標是否滿足設(shè)計要求和達到供應(yīng)商提供的性能保證值。

圖1 太陽能光熱發(fā)電站結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of solar thermal power station

“發(fā)電能力計算軟件”或“性能模型軟件”是進行性能考核的重要依據(jù)，必須由供應(yīng)商詳細完整地提供。

按照《火電機組啟動驗收性能試驗導(dǎo)則》，采用ASME相關(guān)標準執(zhí)行性能試驗。

3 考核指標

太陽能光熱發(fā)電站主要考核指標見表1。

表1 太陽能光熱發(fā)電站主要考核指標Tab.1 Main assessment indexes of solar thermal power station

4 試驗方法

4.1 光電轉(zhuǎn)換效率試驗

光電轉(zhuǎn)換效率是指定日鏡場接收的總能量經(jīng)過反射、吸熱、儲熱、換熱、蒸汽發(fā)生及透平轉(zhuǎn)換到電能的效率，是發(fā)電量與定日鏡場接收的太陽法向直接輻射能之比。

光電轉(zhuǎn)換效率需要考核兩個指標，即設(shè)計工況光電轉(zhuǎn)換效率和年均光電轉(zhuǎn)換效率。

設(shè)計工況光電效率=光熱效率×儲熱效率×換熱效率×汽輪發(fā)電機組效率

年均光電效率=[年實際發(fā)電量 ∕（年DNI×鏡場面積）]×100%

4.1.1 光熱效率

光熱效率是吸熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)獲得的總能量與入射在集熱場采光口面積的太陽法向直接輻射能之比。光熱效率計算公式為

式中：Mj1為吸熱器入口熔鹽流量（kg/s）；A1r為鏡場有效工作定日鏡的總采光面積（m2）；Tj3為吸熱器入口熔鹽溫度（K）；Tj4為吸熱器出口熔鹽溫度（K）；Cpj3為入口熔鹽溫度對應(yīng)的比熱（kJ/kg·K）；Cpj4為出口熔鹽溫度對應(yīng)比熱（kJ/kg·K）。

4.1.2 儲熱效率

儲熱效率指儲罐對外輸出的能量與輸出的能量和儲罐散熱損失之和的比值。儲熱效率計算公式為

式中：△h為冷鹽和熱鹽的焓差（kJ/kg）；Mh為熱鹽流量（kg/s）；Ploss,TSS為儲熱系統(tǒng)的散熱損失（kW）。

4.1.3 換熱效率

換熱效率指換熱系統(tǒng)汽水側(cè)吸收熱量與熔鹽側(cè)釋放熱量的比值。換熱效率計算公式為

式中：Mj2為換熱器給水流量（kg/s）；hj1為給水焓值（kJ/kg）；hj2為過熱器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Mj3為再熱器蒸汽流量（kg/s）；hj3為再熱器入口蒸汽焓值（kJ/kg）；hj4為再熱器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Msh5為熱鹽罐出口熔鹽流量（kg/s）；Tsh6為熱鹽罐出口熔鹽溫度（K）；Tsh7為冷鹽罐入口熔鹽溫度（K）；Cpsh6為熱鹽罐出口熔鹽比熱（kJ/kg·K）；Cpsh7為冷鹽罐入口熔鹽比熱（kJ/kg·K）。

4.2 聚光集熱系統(tǒng)效率試驗

通過聚光集熱系統(tǒng)的能量平衡來試驗測試該系統(tǒng)的效率，常采用兩種不同的試驗進行設(shè)備效率的驗收。

4.2.1 額定充能試驗

該試驗用于比較太陽能吸熱器的實際熱平衡與保證熱平衡的熱功率的關(guān)系。

性能保證值=吸熱器熱功率(測量)∕吸熱器熱功率(保證)

吸熱器熱功率(測量)=熔鹽的質(zhì)量流量×(熔鹽出口焓—熔鹽入口焓)

吸熱器熱功率(保證)=DNI×聚焦定日鏡×單個定日鏡面積×鏡場反射率×鏡場效率×吸熱器效率

其中：DNI為需要測量太陽法向直接輻射能（W/m2）；聚焦定日鏡為在試驗期間聚焦在吸熱器上的定日鏡的平均數(shù)量；鏡場反射率、鏡場效率、吸熱器效率均由供應(yīng)商提供，不用測量。

4.2.2 年際能量試驗

進行一年能量試驗是為了評估吸熱器在一年期間內(nèi)總的熱能吸收狀況。

保證值應(yīng)通過下式計算：

保證率考核年=吸熱器吸收能量(實際運行)∕吸熱器吸收能量(保證值)×100%

在滿足以下工況時試驗：

（1）吸熱器在性能考核期吸收的能量應(yīng)計算為在性能考核期運行期間每10 min吸熱器吸收能量的總和。吸收能量應(yīng)計算為熔鹽的焓差乘以每10 min的平均熔鹽質(zhì)量流量，再進行功率和能量的轉(zhuǎn)化。

突出基層建設(shè)投入，實現(xiàn)了監(jiān)管工作全覆蓋。將食品藥品安全工作重心下移，關(guān)口前移，在全區(qū)率先成立村級食品藥品安全工作站。全縣157個村（社區(qū)）均設(shè)有食品藥品安全工作站，每站聘請1名食品安全協(xié)管員，1412個自然屯各聘請1名食品安全信息員，協(xié)助鄉(xiāng)鎮(zhèn)食品藥品監(jiān)管所開展工作，實現(xiàn)食品藥品安全監(jiān)管全覆蓋。

（2）吸熱器吸收的能量（保證值）應(yīng)當由供應(yīng)商提供的鏡場和吸熱器系統(tǒng)的性能保證模型給出。該性能模型給出包含系統(tǒng)每10 min能量輸出，包括諸如聚焦定日鏡的數(shù)量、吸收功率、熔鹽流量和溫度等值。該性能模型的輸入是在每10 min保證期內(nèi)測量的氣象條件。

4.3 吸熱器熱功率試驗

試驗在電站充熱且發(fā)電模式下進行。吸熱器最大熱功率試驗需要在定日鏡場調(diào)整到吸熱器采光口獲得最大的太陽法向直接輻射能的情況下進行。

4.4 儲熱能力試驗

儲熱能力可以用有效儲熱時間定量。

試驗在電站純發(fā)電模式下進行。熱熔鹽罐液位達到能量儲滿時的設(shè)計液位，聚光集熱系統(tǒng)停運，汽輪機在額定工況下連續(xù)運行到儲罐液位下降到最低設(shè)計液位，等效發(fā)電小時數(shù)不低于保證時間。

4.5 蒸汽發(fā)生器換熱效率試驗

按照ASME PTC4—2013中對蒸汽發(fā)生器性能考核的相關(guān)規(guī)定，采用能量輸入-輸出法進行效率計算，可參考公式（3）。

4.6 典型日能力發(fā)電量試驗

能力發(fā)電量是指供應(yīng)商提供的“發(fā)電能力計算軟件”或“性能模型軟件”，根據(jù)光資源、氣象數(shù)據(jù)以及熱力參數(shù)等，計算得到單位時間（秒、分、時、日、年）的發(fā)電量和系統(tǒng)運行時間等數(shù)據(jù)。

典型日定為春分、夏至、秋分、冬至四個階段前后。試驗分別在春分、夏至、秋分、冬至前1天0點到后1天24點，進行72 h的連續(xù)發(fā)電能力考核。考核前、后記錄冷、熱熔鹽罐液位以修正儲熱差值對應(yīng)的發(fā)電量。以典型日發(fā)電量偏差作為考核指標。

典型日實際發(fā)電量=連續(xù)3 d實際發(fā)電量+考核前后液位偏差等效電量

4.7 年外供電量試驗

年外供電量也稱作機組年凈發(fā)電量，計算公式如下：

年外供電量=年實際發(fā)電量-年實際廠用電量

年實際發(fā)電量指發(fā)電機組全年實際發(fā)出的電量總和，用發(fā)電機出口電能表或功率表數(shù)據(jù)統(tǒng)計，年實際廠用電量用各個廠用電系統(tǒng)的電能表或功率表統(tǒng)計。

年外供電量修正包括兩部分，一是DNI偏差引起的發(fā)電量偏差，一是調(diào)度限制出力負荷引起的發(fā)電量偏差。

（1）DNI偏差引起的發(fā)電量偏差

年外供電量偏差DNI（kW·h）=年能力發(fā)電量-年實際發(fā)電量

年能力發(fā)電量由“發(fā)電能力計算軟件”計算日能力發(fā)電量，以某一約定日開始，累計日歷年的電量構(gòu)成；年實際發(fā)電量為年發(fā)電量累計，以發(fā)電機出口功率表數(shù)據(jù)為準。

（2）調(diào)度限制負荷發(fā)電量偏差

按日統(tǒng)計調(diào)度限制負荷的發(fā)電量偏差，累計構(gòu)成年調(diào)度限制負荷發(fā)電量修正值。

日發(fā)電量考核修正值=日能力發(fā)電量-日實際發(fā)電量-熱熔鹽罐等效發(fā)電量

其中，熱熔鹽罐等效發(fā)電量為當日00：00到24：00點實際熱熔鹽罐中的儲熱能量的差值。通過統(tǒng)計熱熔鹽罐液位差和冷熱鹽罐的焓差，算出儲熱量對應(yīng)的等效發(fā)電量。

4.8 汽輪機熱耗及出力試驗

汽輪機熱耗試驗、出力試驗參考燃煤電站進行，在此不另外說明。

5 試驗儀器

除了使用常規(guī)燃煤電站的汽輪機和發(fā)電機試驗儀器，如溫度計、流量計、電能表、功率表等以外，試驗還有兩個重要測量儀器。一個是安裝在太陽能吸熱器熔鹽管路入口處和熱熔鹽罐出口處的高溫超聲波流量計（含溫度測量模塊），其作用是用來測量熔鹽的溫度和質(zhì)量流量；另一個是日射強度計，用來測量DNI值。

另外，試驗可以采用現(xiàn)場已安裝的儀表作為測量儀器，比如安裝在冷、熱熔鹽罐上的液位計，以及現(xiàn)場的氣象站儀表，但這些儀表必須在試驗前校準合格并指示準確。

6 結(jié)語

太陽能光熱發(fā)電以其電能可控的優(yōu)點在我國新能源發(fā)電領(lǐng)域?qū)加性絹碓酱蟮谋戎?，尤其在我國西北地區(qū)市場前景廣闊。本文簡要地介紹了塔式太陽能光熱發(fā)電站的主要性能考核指標及性能試驗的內(nèi)容與方法，可為今后開展太陽能光熱發(fā)電站的性能考核提供參考。

The Performance Test of Tower-Type Solar Thermal Power Plant

LUO Kai，XU Tao，LIU Haiming，LIU Gang
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

Solar thermal power generation converts light heat into electricity that is controllable as advantage.The contents and methods of performance test of tower-type solar thermal power plants are introduced from aspects of appraisal index,test method and instruments,which has cer?tain guiding significance on how to carry out the performance tests for power plants of this type.

solar;solar thermal power;performance test

TM615

A

1006-3986(2016)11-0040-03

10.19308/j.hep.2016.11.009

2016-10-18

羅 凱（1983），男，湖北武漢人，碩士，高級工程師。