太陽能光熱發(fā)電站生產(chǎn)自動化系統(tǒng)功能設計

張瑞祥，張 潔，包耀龍

(1.西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西華電新能源發(fā)電有限公司，陜西 西安 710075)

1 概述

光熱發(fā)電(太陽能熱發(fā)電)是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱－功轉(zhuǎn)換過程發(fā)電的系統(tǒng)。除了和常規(guī)火力發(fā)電類似的熱－功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)外，太陽能熱發(fā)電還有個光熱轉(zhuǎn)化過程，是光－熱－功三者耦合的系統(tǒng)。按照太陽能采集方式，當前太陽能熱發(fā)電可劃分為拋物槽式發(fā)電、塔式發(fā)電、線性菲涅爾式發(fā)電、碟式發(fā)電，在國外有商業(yè)化應用的主要是槽式和塔式發(fā)電。

太陽能光熱發(fā)電的優(yōu)勢在于通過熱儲存和其它能源的互補，能夠提供穩(wěn)定的電力供應，對電網(wǎng)沖擊小，具備調(diào)頻、調(diào)峰能力，規(guī)模效益顯著，因此全球范圍內(nèi)已建和在建的光熱發(fā)電站越來越多。對于常規(guī)火力發(fā)電廠，全廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)已很成熟，但是對于光熱發(fā)電站，由于工藝系統(tǒng)的變化以及光場布置面積大、受控設備分散布置，全廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)跟常規(guī)火電有區(qū)別，且國內(nèi)目前還沒有關于光熱發(fā)電站控制系統(tǒng)方面相關的規(guī)范和標準可參考，50 MW及以上機組容量光熱發(fā)電站的控制系統(tǒng)在國內(nèi)也沒有應用業(yè)績，因此對光熱發(fā)電站全廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的功能設計與應用研究對于工程實踐很有意義。

光熱發(fā)電站光場占地面積很大，圖1和圖2分別是目前全球投入商業(yè)化運行的單臺裝機容量最大的槽式和塔式光熱發(fā)電項目的衛(wèi)星視圖，從圖中可以看出光場設備分散、控制設備分散。

圖1 美國Solana槽式光熱發(fā)電站(280 MW)

圖2 美國新月沙丘塔式光熱發(fā)電站(110 MW)

光熱發(fā)電站在一天的運行中，由于吸收的太陽能量受光照和外部氣候條件的影響，因此系統(tǒng)在不同工況條件下會出現(xiàn)不同的耦合運行方式，其基本的運行模式包括四種，模式一：太陽能集熱場吸收的熱能全部用于生產(chǎn)過熱蒸汽并直接輸往汽輪機；模式二：太陽能集熱場吸收的熱能全部輸往儲能系統(tǒng)；模式三：利用儲能系統(tǒng)生產(chǎn)過熱蒸汽輸往汽輪機；模式四：利用太陽能集熱場吸收的熱能和儲能系統(tǒng)的熱能共同生產(chǎn)蒸汽驅(qū)動汽輪機。由于光熱發(fā)電站有較多的運行模式，因此需要優(yōu)化全廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡及控制方式，以更好地適應光熱發(fā)電站各個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。

2 光熱電站生產(chǎn)自動化總體設計

2.1 控制方式及自動化水平

光熱發(fā)電站占地面積大、受控設備較分散，所以全廠的生產(chǎn)自動化水平應滿足在較少人員的干預下，整個系統(tǒng)自動運行，所有系統(tǒng)(聚光集熱系統(tǒng)、傳熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、汽輪機發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)等)應可以在就地人員的巡回檢查和少量操作的配合下，在集中控制室內(nèi)的操作員站實現(xiàn)整套機組啟停、運行工況監(jiān)視和調(diào)整、事故處理等。

目前光熱發(fā)電站全廠的控制系統(tǒng)主要由太陽能場(光場)控制系統(tǒng)SCS和發(fā)電區(qū)分散控制系統(tǒng)DCS組成，光場采用可編程控制器PLC組成的控制系統(tǒng)。光場控制系統(tǒng)操作員站也布置在集中控制室內(nèi)。全廠一套DCS控制系統(tǒng)，光場部分的就地控制系統(tǒng)采用通訊方式納入DCS進行監(jiān)控。

2.2 光場控制系統(tǒng)SCS

光場控制系統(tǒng)完成對整個光場中槽式線聚焦型集熱器、塔式點聚焦型定日鏡的控制，實現(xiàn)在集中控制室對整個光場的監(jiān)視與控制。光場控制系統(tǒng)主要由就地控制單元LOC、通訊網(wǎng)絡和集中監(jiān)控單元組成。圖3和圖4分別是槽式和塔式光熱控制系統(tǒng)單回路示意圖，其中通訊網(wǎng)絡可以采用星形和環(huán)形相結(jié)合的方式實現(xiàn)成千上萬個受控設備的控制。

圖3 槽式光場控制系統(tǒng)SCS單回路示意圖

圖4 塔式光場控制系統(tǒng)SCS單回路

2.2.1 就地控制單元LOC

就地控制單元LOC控制每個光場執(zhí)行機構的動作。LOC的運行模式主要有：跟蹤模式、停止模式、清洗模式等。每個LOC的主要功能是接收集中監(jiān)控單元SCS的操作指令，以及運行太陽定位算法、并輸出計算結(jié)果。

LOC的跟蹤控制系統(tǒng)可劃分為3類：開環(huán)控制、閉環(huán)控制和混合控制。若存在反饋，稱為閉環(huán)控制；若不存在反饋，稱為開環(huán)控制；混合控制是開環(huán)和閉環(huán)控制的結(jié)合。

(1)開環(huán)控制方式

開環(huán)控制要先確定一個初始位置，根據(jù)某時刻太陽相對位置的差值，計算出電機轉(zhuǎn)過該差值所需的脈沖數(shù)，該控制方式又分為時鐘跟蹤和程序跟蹤，見圖5。

圖5 開環(huán)控制

(2)閉環(huán)控制方式

閉環(huán)控制方式就是利用傳感器來測定入射光線和系統(tǒng)光軸間的偏差，當偏差超過一個閾值時，通過電機驅(qū)動機械部分轉(zhuǎn)動減小偏差，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤，見圖6。如果采用閉環(huán)控制，需要增加光敏傳感器，目前在工程啟用中，考慮到項目的成本，LOC跟蹤一般采用開環(huán)控制。

圖6 閉環(huán)控制

(3)混合控制方式

混合控制一般在沒用云的情況下采用閉環(huán)傳感器跟蹤，當云遮擋太陽輻射時，控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式。

混合控制是交替開環(huán)和閉環(huán)的混合控制方式，此控制方式克服了程控存在的累積誤差、光控受天氣變化影響大的缺點，因此混合控制方式具有較高的跟蹤精度。

2.2.2 通訊網(wǎng)絡

通訊網(wǎng)絡完成對就地控制單元LOC與監(jiān)控單元的通信連接，保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性。光熱發(fā)電站的光場受控設備數(shù)量龐大，某100 MW塔式機組有7萬多面定日鏡，如何保證通訊網(wǎng)絡連接設備的速率和系統(tǒng)的可靠性是光場控制系統(tǒng)的難點，目前工程中采用星型+環(huán)型的網(wǎng)絡結(jié)構，將全廠定日鏡回路分為若干個子環(huán)，每個子環(huán)最多可串聯(lián)若干個LOC，各子環(huán)通過冗余的環(huán)形網(wǎng)絡納入鏡場控制系統(tǒng)SCS，某槽式光熱發(fā)電項目光場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構見圖7。

圖7 槽式光場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

2.2.3 集中監(jiān)控單元

集中監(jiān)控單元的主要功能是運行人員在集控室監(jiān)控光場中每個受控設備如定日鏡、集熱器的實時狀態(tài)，并結(jié)合運行模式和氣象條件發(fā)送控制指令至就地LOC。光場中的每個LOC都可以通過網(wǎng)絡與SCS系統(tǒng)直接或間接的連接。同時，SCS系統(tǒng)以通訊的方式與全廠分散控制系統(tǒng)DCS連接，SCS實現(xiàn)的主要功能如下：

(1)光場實時信息監(jiān)測：工作站監(jiān)視器以圖形方式顯示 所有LOC的實時信息，提供從LOC收到的所有實時運行狀態(tài)和報警信息。同時也會顯示光場的其他現(xiàn)場儀表的測量數(shù)據(jù)。

(2)光場實時控制：光場控制系統(tǒng)用于控制光場內(nèi)的各個被控設備的運行狀態(tài)?？梢詫崿F(xiàn)單體設備控制或群組控制的切換，以及手動和自動模式的切換。

(3)光場安全運行保障:集中監(jiān)控單元實時監(jiān)控受控設備的運行信息并保證所有的運行狀態(tài)不超出極限值。系統(tǒng)根據(jù)接收到的光場報警信息及現(xiàn)場儀表的測量結(jié)果，發(fā)送正確的命令給現(xiàn)場的LOC執(zhí)行相關指令。

光場控制系統(tǒng)SCS常見的幾種運行模式：

(1)抗風模式：所有定日鏡或集熱器在抗風模式，整個光場停止工作。

(2)等待模式：當光資源不足時，SCS會讓整個光場進入此狀態(tài)。

(3)跟蹤模式：該模式是光場的最大生產(chǎn)模式，所有定日鏡或集熱器處于自動跟蹤模式。

2.3 發(fā)電區(qū)控制系統(tǒng)DCS

發(fā)電區(qū)的工藝系統(tǒng)主要包括儲換熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、常規(guī)汽輪發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)等，由于目前光熱發(fā)電站機組容量一般為50 MW和100 MW，比較常規(guī)火力發(fā)電機組沒有燃燒、運煤和除灰等系統(tǒng)，發(fā)電區(qū)的IO點數(shù)較少，因此光熱發(fā)電站全廠采用一套分散控制系統(tǒng)DCS，完成太陽島和發(fā)電區(qū)的集中監(jiān)視與控制，輔助車間系統(tǒng)不設置就地控制室。圖8所示是某工程發(fā)電區(qū)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構圖，控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場層、控制層和生產(chǎn)級監(jiān)控層。

圖8 發(fā)電區(qū)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

3 結(jié)論

太陽能光熱發(fā)電站的生產(chǎn)自動化系統(tǒng)在國外已有成熟的應用，國內(nèi)尚處于起步和示范階段。本文結(jié)合正在執(zhí)行的太陽能光熱發(fā)電工程，總結(jié)和分析光熱發(fā)電站控制系統(tǒng)的結(jié)構和功能設計。由于光熱發(fā)電站光場受控設備占地面積大、數(shù)量眾多等特點，因此太陽能光熱發(fā)電站全廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的優(yōu)化配置，尤其對于光場控制系統(tǒng)SCS的功能設計、控制策略等的優(yōu)化，將是未來光熱發(fā)電站自動化領域的一個發(fā)展方向。