50 MW等級(jí)塔式熔鹽光熱電站汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)研究

張皓宇，蔡小燕，楊紅霞

(1. 海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031； 2. 上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

光熱發(fā)電技術(shù)通過“聚集”太陽能的高溫?zé)崮芗訜峁べ|(zhì)，再通過傳統(tǒng)的熱力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。光熱發(fā)電技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始邁入商業(yè)化，至今已經(jīng)有近40年的歷史，在全球電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的比例也在逐漸增加。截至2017年底，全球光熱發(fā)電建成裝機(jī)容量達(dá)5 133 MW[1]，比2016年增加2.3%。

我國光熱發(fā)電行業(yè)起步較晚，處于商業(yè)化規(guī)模前期。截至2017年底，我國光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量僅29.3 MW[1]。2016年9月，國家為了推動(dòng)我國光熱發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，組織專家評(píng)審后確定了第一批太陽能光熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，并確定了光熱標(biāo)桿電價(jià)。國家公布的第一批光熱示范項(xiàng)目主要有塔式、槽式、線性菲涅爾三種技術(shù)路線，包括9個(gè)塔式電站、7個(gè)槽式電站及4個(gè)線性菲涅爾電站[2]，功率等級(jí)主要有50 MW及100 MW。

在整個(gè)光熱發(fā)電系統(tǒng)中，汽輪機(jī)是光熱電站發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。因光照具有晝夜交替、頻繁變化的特點(diǎn)，所以光熱電站中的汽輪機(jī)對(duì)可靠性、經(jīng)濟(jì)性要求很高。國內(nèi)外的供貨商主要有上海汽輪機(jī)廠、杭州汽輪機(jī)股份有限公司(杭汽)、東方汽輪機(jī)有限公司(東汽)、哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司(哈汽)、Siemens、GE、MANTURBO等。據(jù)CSP中國光熱發(fā)電權(quán)威媒體商務(wù)平臺(tái)報(bào)道，整個(gè)光熱電站當(dāng)中，汽輪機(jī)的投資占總投資的5%左右[3]，汽輪機(jī)效率每提高10%，成本電價(jià)就將下降9%，所以提高汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率可以非常有效地提高投資收益。

目前國內(nèi)對(duì)塔式熔鹽光熱電站的汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)及其優(yōu)化，還少有文獻(xiàn)進(jìn)行闡述。本文基于玉門鑫能光熱項(xiàng)目，介紹塔式熔鹽光熱電站的工作原理，并采用上海汽輪機(jī)廠自主研發(fā)的熱力計(jì)算軟件進(jìn)行熱力系統(tǒng)優(yōu)化，進(jìn)一步降低汽輪機(jī)側(cè)的熱耗，旨在推動(dòng)我國塔式熔鹽光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

1 工作原理

截至2016年底，我國10 MW等級(jí)的塔式熔鹽光熱機(jī)組僅有中控青海德令哈和首航節(jié)能敦煌兩個(gè)項(xiàng)目投入商業(yè)運(yùn)行[4]。2016年國家公布的光熱電站示范項(xiàng)目中50 MW等級(jí)塔式熔鹽光熱項(xiàng)目有5個(gè)，見表1，其中中控青海德令哈的50 MW等級(jí)的塔式熔鹽光熱機(jī)組在2018年底并網(wǎng)發(fā)電。

表1 第一批50 MW塔式熔鹽光熱示范項(xiàng)目

塔式熔鹽光熱發(fā)電系統(tǒng)，主要由定日鏡系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)4部分組成。高溫熔鹽具有“使用溫度高、熱穩(wěn)定性高、比熱容高、對(duì)流傳熱系數(shù)高、黏度低、飽和蒸汽壓低、價(jià)格低”的優(yōu)勢(shì)，因此吸熱系統(tǒng)中采用高溫熔鹽作為儲(chǔ)熱及換熱介質(zhì)[5]。

該系統(tǒng)工作流程為：定日鏡系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽，將太陽光聚集到一個(gè)裝在塔頂?shù)奈鼰崞魃希鼰崞魇占椛淠?，并將其轉(zhuǎn)化為熔融鹽的高溫?zé)崮?，高溫熔融鹽通過管道傳遞至蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)進(jìn)行膨脹做功，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[4]。其工作原理圖見圖1。

圖1 塔式熔鹽光熱電站示意圖

玉門鑫能項(xiàng)目的定日鏡系統(tǒng)采用的是二次反射太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，建設(shè)15個(gè)發(fā)電集熱模塊，并配置9 h的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2 汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

玉門鑫能項(xiàng)目的50 MW汽輪機(jī)為一次中間再熱、單軸、雙缸單排汽、空冷、凝汽式汽輪機(jī)，進(jìn)汽參數(shù)為14 MPa、540 ℃、540 ℃，排汽壓力為8 kPa，給水溫度為260 ℃，回?zé)嵯到y(tǒng)配置3臺(tái)高加、1臺(tái)除氧器、3臺(tái)低加、外置式蒸汽冷卻器、0號(hào)高加。

2.1 原則性熱力系統(tǒng)圖

為了追求極致性能，玉門鑫能項(xiàng)目的汽輪機(jī)總體為高壓缸和中低壓缸的雙缸、單排汽方案。高壓缸通流部分采用高轉(zhuǎn)速反動(dòng)式設(shè)計(jì)，高轉(zhuǎn)速6 000 r/min可以降低轉(zhuǎn)子直徑、提高葉片高度，降低葉片端部損失，提高高壓缸效率。關(guān)于50 MW等級(jí)的光熱機(jī)組，國外廠家如Siemens、MANTURBO、Alstom也有采用高壓缸高轉(zhuǎn)速方案。

高壓缸通過齒輪箱和發(fā)電機(jī)連接，總體布置方式及三維模型見圖2和圖3。

圖2 總體布置圖

圖3 玉門鑫能項(xiàng)目三維模型圖

由蒸汽發(fā)生器出來的主蒸汽進(jìn)入高壓缸做功，排汽進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的再熱器與熔鹽進(jìn)行換熱后，再進(jìn)入中低壓缸進(jìn)行做功，中低壓缸的排汽進(jìn)入空冷島凝結(jié)成水后，經(jīng)過凝結(jié)水泵升壓后進(jìn)入各級(jí)回?zé)峒訜崞?，加熱后再進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。其中，回?zé)嵯到y(tǒng)中配置0號(hào)高加，保證低負(fù)荷工況下的給水溫度滿足一定要求。0號(hào)高加的蒸汽可以來自蒸汽發(fā)生器的飽和汽或主蒸汽，也可以來自汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)抽汽。原則性熱力系統(tǒng)圖見圖4。

圖4 原則性熱力系統(tǒng)圖

2.2 性能指標(biāo)計(jì)算

目前國內(nèi)大型發(fā)電機(jī)組均基于熱力學(xué)第一定律來評(píng)估汽輪機(jī)側(cè)性能，主要的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有汽耗、熱耗、煤耗等。本文采用如下公式計(jì)算汽輪機(jī)側(cè)的熱耗來進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

汽輪機(jī)側(cè)的熱耗q0計(jì)算公式如下：

q0=[(D0×h0+D0g×h0g-Dgs×hgs)+

(Drz×hrz-Dlz×hlz)]/Pe

(1)

式中：q0為汽輪機(jī)側(cè)熱耗，kJ/(kW·h)；Pe為發(fā)電機(jī)側(cè)軸端功率；D0為進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，t/h；D0g為進(jìn)入0號(hào)高加的蒸汽流量，t/h，若0號(hào)高加未投入或汽源為級(jí)內(nèi)抽汽，則流量為0；Dgs為給水流量，t/h；Drz為熱再蒸汽流量，t/h；Dlz為冷再蒸汽流量，t/h；h0為進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽焓值，kJ/kg；h0g為進(jìn)入0號(hào)高加的蒸汽焓值，kJ/kg；hgs為給水焓值，kJ/kg；hrz為熱再蒸汽焓值，kJ/kg；hlz為冷再蒸汽焓值，kJ/kg。

3 熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)熱力學(xué)原理，提高進(jìn)汽參數(shù)、降低排汽參數(shù)、增加回?zé)峒?jí)數(shù)均有利于提高汽輪機(jī)側(cè)的熱經(jīng)濟(jì)性。下文基于玉門鑫能項(xiàng)目，采用2.2節(jié)的熱耗公式計(jì)算不同進(jìn)汽壓力、進(jìn)汽溫度、排氣壓力、回?zé)崤渲玫钠啓C(jī)側(cè)熱耗，然后與玉門鑫能項(xiàng)目的汽輪機(jī)側(cè)熱耗進(jìn)行對(duì)比，從而得出優(yōu)化方向。

3.1 蒸汽溫度

據(jù)文獻(xiàn)[5-6]介紹，目前較為成熟的熔融鹽為Solar salt，其組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%NaNO3和40%的KNO3，其分解溫度為600 ℃，凝固溫度為220 ℃，推薦的最高工作溫度為565 ℃。目前玉門鑫能項(xiàng)目夏季進(jìn)汽溫度可至545 ℃，上海電氣總包的迪拜項(xiàng)目中的塔式光熱機(jī)組的蒸汽溫度已經(jīng)提高至553 ℃。

由文獻(xiàn)[7]可知，蒸汽溫度提高不僅可以提高循環(huán)效率，還因過熱度增大，蒸汽比容增大，可以提高高壓通流效率；再熱溫度的提高，有利于排汽干度的提高，減少低壓缸的排汽濕汽損失，提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。圖5是針對(duì)50 MW塔式熔鹽光熱機(jī)組的主蒸汽溫度及再熱溫度與熱耗變化曲線，從圖5可以看出，主蒸汽溫度和再熱溫度均提高10 ℃，汽輪機(jī)側(cè)的熱耗將會(huì)降低約45 kJ/(kW·h)。

圖5 蒸汽溫度-熱耗變化曲線

若后續(xù)可以將主蒸汽溫度進(jìn)一步提高至565 ℃，甚至更高，就可以進(jìn)一步降低熱耗，但這對(duì)汽輪機(jī)的外缸、內(nèi)缸、轉(zhuǎn)子、閥門等部套的材料選型提出了更高要求，并且會(huì)影響定日鏡系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的成本。

3.2 主蒸汽壓力

當(dāng)主蒸汽溫度、排汽壓力一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)提高主蒸汽壓力將能夠提高機(jī)組循環(huán)熱效率。當(dāng)主蒸汽壓力提高至某一極限值，進(jìn)口容積流量減少以及排汽濕度的增加將導(dǎo)致通流效率明顯下降，該極限值隨著進(jìn)汽溫度的提高而增大，當(dāng)主蒸汽溫度為400 ℃時(shí)，其極限壓力為20 MPa[7]。國內(nèi)塔式熔鹽光熱機(jī)組的進(jìn)汽壓力均處于超高壓進(jìn)汽壓力范圍，上海電氣總包的迪拜項(xiàng)目中的塔式光熱機(jī)組的進(jìn)汽壓力已經(jīng)提高至亞臨界17 MPa。圖6是針對(duì)50 MW塔式熔鹽光熱機(jī)組在不同主蒸汽壓力下的熱耗變化曲線。

圖6 主蒸汽壓力-熱耗變化曲線

從圖6可知，主蒸汽壓力提高1 MPa，汽輪機(jī)側(cè)熱耗降低約40 kJ/(kW·h)，若主蒸汽壓力從14 MPa提高至17 MPa，汽輪機(jī)側(cè)熱耗將會(huì)降低約120 kJ/(kW·h)。但主蒸汽壓力的提高，會(huì)使得蒸發(fā)系統(tǒng)、熔鹽系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)的承壓設(shè)備、管道的厚度增加，增加鋼材耗資，廠用電也會(huì)因此增加。

3.3 排汽壓力

光熱項(xiàng)目不存在場地受限的情況，國內(nèi)外大多數(shù)光熱電站均考慮軸向排汽。經(jīng)過分析，汽輪機(jī)采用軸向排汽能夠明顯降低排汽損失，使機(jī)組效率提高0.25%～0.5%。目前國內(nèi)的5個(gè)50 MW塔式熔鹽光熱電站均采用軸向排汽。

我國太陽能資源較為豐富且易于利用的地區(qū)主要集中在西北地區(qū)，一般風(fēng)沙較大、干旱缺水，所以一般選擇空冷凝汽器，排汽壓力為8 kPa。排汽壓力與熱耗變化曲線見圖7。

圖7 排汽壓力-熱耗變化曲線

背壓進(jìn)一步降低，有利于汽輪機(jī)側(cè)熱耗的降低。如圖7所示，背壓排汽壓力降低1 kPa，熱耗能降低30～40 kJ/(kW·h)，但會(huì)導(dǎo)致空冷島造價(jià)及廠用電增加。所以汽輪機(jī)的排汽壓力需要從整個(gè)電站工程角度，采取技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，以投資、運(yùn)行費(fèi)用、電廠綜合收益最經(jīng)濟(jì)原則確定汽輪機(jī)機(jī)組的排汽壓力。

3.4 回?zé)峒?jí)數(shù)

由文獻(xiàn)[7]可知，現(xiàn)代熱力發(fā)電廠均采用給水回?zé)嵯到y(tǒng)來提高整廠循環(huán)熱效率，光熱發(fā)電機(jī)組也采用給水回?zé)嵯到y(tǒng)來提高機(jī)組的熱循環(huán)效率。而且回?zé)嵯到y(tǒng)級(jí)數(shù)的增加可以明顯增加機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

如上文所述，塔式熔鹽光熱發(fā)電機(jī)組的儲(chǔ)熱介質(zhì)及換熱介質(zhì)均為熔融鹽，溫度低于240 ℃時(shí)將會(huì)發(fā)生結(jié)晶，凝固溫度為220 ℃[4]，所以在電站運(yùn)行過程當(dāng)中，一定要防止熔鹽凝固導(dǎo)致停機(jī)檢修，避免造成經(jīng)濟(jì)損失。所以工程上需要保證與熔融鹽換熱的給水溫度為245～260 ℃。

針對(duì)塔式熔鹽光熱電站，國外制造商Siemens、GE、MANTURBO均配置2臺(tái)高加、1臺(tái)除氧器、3臺(tái)低加。上海汽輪機(jī)廠為進(jìn)一步追求極致性能，為玉門鑫能項(xiàng)目配置了3臺(tái)高加、1臺(tái)除氧器、3臺(tái)低加，及外置式蒸汽冷卻器。據(jù)分析，50 MW塔式熔鹽光熱機(jī)組，若多配置1級(jí)高加及外置式蒸汽冷卻器，能夠降低汽輪機(jī)側(cè)熱耗35 kJ/(kW·h)左右。

太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目，具有晝夜交替的特點(diǎn)，由于儲(chǔ)熱時(shí)間有限，夜晚需要長期低負(fù)荷運(yùn)行。按照常規(guī)火電回?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，此時(shí)給水溫度會(huì)有所降低。但是給水溫度過低會(huì)導(dǎo)致熔融鹽的凝固，帶來運(yùn)行上的麻煩。為了在低負(fù)荷時(shí)維持給水溫度，機(jī)組均配置0號(hào)高加。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合國內(nèi)外光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了我國第一批50 MW塔式熔鹽光熱示范電站項(xiàng)目的進(jìn)展動(dòng)態(tài)，介紹了塔式熔鹽光熱發(fā)電機(jī)組的工作原理。同時(shí)以玉門鑫能50 MW塔式熔鹽光熱機(jī)組為例，介紹了其汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)方案、總體布置方式，并對(duì)主要蒸汽參數(shù)、回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析，可以得出以下結(jié)論：

1)針對(duì)50 MW等級(jí)塔式熔鹽光熱機(jī)組，為了進(jìn)一步提高性能，采用雙缸方案，且因進(jìn)汽容積流量較小，可以采用高壓缸高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)方案，降低葉片端損，以進(jìn)一步提高汽輪機(jī)的缸效率。

2)塔式熔鹽光熱機(jī)組的蒸汽溫度、主蒸汽壓力均有進(jìn)一步提高的空間，蒸汽溫度可以提高至553 ℃，主蒸汽壓力可以提高至亞臨界17 MPa。若后續(xù)熔鹽側(cè)允許，則可以提高至更高參數(shù)。蒸汽溫度、主蒸汽壓力的提高可以明顯降低汽輪機(jī)側(cè)的熱耗，但也會(huì)帶來材料的升級(jí)、鋼材消耗的增加，以及鏡場、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)投資的增加。

3)國內(nèi)外50 MW等級(jí)塔式熔鹽光熱機(jī)組大多數(shù)采用空氣來冷卻排汽，機(jī)組為軸向排汽，排汽壓力的進(jìn)一步降低可以明顯降低汽輪機(jī)側(cè)的熱耗，但也會(huì)增加空冷島側(cè)的投資。

4)回?zé)嵯到y(tǒng)大多數(shù)為“2高1除3低”或“3高1除3低”，還可以配置外置式蒸汽冷卻器來進(jìn)一步提高機(jī)組性能。給水溫度為245～260 ℃。經(jīng)過對(duì)比分析，相比于“2高1除氧3低”，多配置1級(jí)高加及外置式蒸汽冷卻器，能夠降低汽輪機(jī)側(cè)熱耗35 kJ/(kW·h)左右。因熔鹽具有較低的凝固溫度，在汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需要配置0號(hào)高加來進(jìn)一步加熱高加的出口水溫。