塔式光熱技術(shù)應(yīng)用探討

全明福

（魯能集團(tuán)（都城偉業(yè)集團(tuán)）有限公司青海廣恒新能源有限公司，西寧810000）

1 某項(xiàng)目塔式光熱發(fā)電技術(shù)概述

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由以下3 部分組成：由4400 個(gè)定日鏡（單個(gè)定日鏡達(dá)138.6m2）和位于塔頂?shù)奈鼰崞鳂?gòu)成的太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)；冷/熱鹽罐、冷/熱鹽泵和蒸汽發(fā)生器組成的儲(chǔ)換熱系統(tǒng)；汽輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備組成的發(fā)電系統(tǒng)。

定日鏡場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤，將太陽(yáng)光反射到吸熱器表面。冷鹽罐中的傳熱流體通過冷鹽泵輸送至位于高塔上的吸熱器，吸收由定日鏡反射來的熱量，升溫至約565℃。高溫熔鹽通過管道輸送至熱鹽罐，再通過熱鹽泵輸送至蒸汽發(fā)生器加熱給水，產(chǎn)生約540℃的超高壓過熱蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)配置再熱器，匹配汽輪機(jī)以提高機(jī)組循環(huán)效率，同時(shí)配置空冷式凝結(jié)器和機(jī)力式輔機(jī)冷卻塔，節(jié)約大量水資源。

2 塔式光熱發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備

2.1 集熱系統(tǒng)構(gòu)成

集熱系統(tǒng)中主要包含吸熱器、入口罐、緩沖罐、壓縮空氣系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成。吸熱器位于塔頂端，用于吸收定日鏡反射的太陽(yáng)能，并將其內(nèi)部的熔鹽加熱到565℃。

2.1.1 吸熱器

吸熱器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為圓柱形結(jié)構(gòu)（實(shí)際為正多邊形），直徑為14m，表面的有效受熱高度為12.76m，吸熱器的吸熱管由12 組管屏構(gòu)成，每組管屏中有吸熱管、集熱箱以及吸收裝置等，吸熱器的功率為280MWt。

圖1 吸熱器和管屏結(jié)構(gòu)圖

吸熱管屏由鎳合金（SB626 N06230）制成，其外表面涂有吸光性和耐高溫性較好的涂料（Pyromark 2500 黑色涂料），吸熱器中的鹽流分為2 個(gè)并聯(lián)回路，鹽以蛇形方式流過每個(gè)回路：在一些管屏中，流動(dòng)方向是自下而上，而相鄰的流動(dòng)方向是相反的。

為方便管理，在吸熱器中加裝了部分輔助裝置，包括用于檢測(cè)管屏溫度的熱像儀、電加熱箱以及輻射計(jì)等，這些裝置與控制塔式發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連接，通過計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行管理，其所顯示的是管屏內(nèi)側(cè)的溫度。

2.1.2 進(jìn)口緩沖罐

進(jìn)口緩沖罐與管屏中的上升管連接，可容納裝置在緊急事故下運(yùn)行60s 需要的熔鹽的容量。緩沖罐與壓縮空氣裝置連接以維持罐內(nèi)的壓力，在塔式裝置的管屏出現(xiàn)斷流現(xiàn)象時(shí)，緩沖罐會(huì)為管屏提供額外的熔鹽，防止吸熱器因干燒而損壞。

進(jìn)口緩沖罐的材料為碳鋼，熔鹽首先存儲(chǔ)在冷鹽罐中，冷鹽罐與進(jìn)口緩沖罐連接，熔鹽先流經(jīng)進(jìn)口罐，裝滿進(jìn)口罐后進(jìn)入管屏中。當(dāng)塔式裝置發(fā)生故障使熔鹽無法流動(dòng)時(shí)，例如，冷卻泵故障時(shí)，定日鏡需要一定的時(shí)間散焦，而在此時(shí)間內(nèi)，壓縮空氣裝置將驅(qū)動(dòng)進(jìn)口罐將其中的熔鹽送入管屏中維持裝置的工作，防止裝置因過熱損壞。

2.1.3 壓縮空氣系統(tǒng)

用以驅(qū)動(dòng)進(jìn)口緩沖罐在冷卻泵故障時(shí)將其中的熔鹽注入到管屏中，塔式裝置配備2 臺(tái)壓縮機(jī)，1 臺(tái)主用1 臺(tái)備用。該裝置由緊急壓縮機(jī)、干燥機(jī)、增壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐和檢測(cè)儀表等組成。空氣壓縮機(jī)位于進(jìn)口緩沖罐下部，采用閉式水冷裝置，冷卻溫度為39℃。

2.2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)構(gòu)成

塔式裝置的儲(chǔ)熱系統(tǒng)是為了應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能資源的不穩(wěn)定、不連續(xù)以及受環(huán)境影響大的缺陷而設(shè)計(jì)的，儲(chǔ)熱裝置由冷鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)和熱鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)組成，配備儲(chǔ)熱裝置的塔式裝置發(fā)電更加穩(wěn)定，可應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的日常供電。

儲(chǔ)熱系統(tǒng)用于存儲(chǔ)熔鹽，主要設(shè)備包括：冷鹽罐、熱鹽罐、冷鹽泵、熱鹽泵、調(diào)溫泵等。其中冷鹽泵、調(diào)溫泵位于冷鹽罐中，將低溫熔鹽打入吸熱器，吸收太陽(yáng)能溫度升高后，返回?zé)猁}罐。熱鹽泵位于熱罐中，將高溫熔鹽泵入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與水/蒸汽換熱產(chǎn)生過熱蒸汽。

2.2.1 冷鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)

冷鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)儲(chǔ)存溫度約298℃的冷鹽，其罐體的最大承受溫度為400℃，最高狀態(tài)運(yùn)行的最高溫度為370℃，正常狀態(tài)的運(yùn)行溫度為298℃，其材質(zhì)為碳鋼材質(zhì)，罐體容積為9700m3。

冷鹽罐在塔式裝置負(fù)載較低時(shí)，例如，多云或氣溫較低，日照較差的天氣時(shí)，此時(shí)裝置加熱熔鹽的效率將下降，被加熱的熔鹽進(jìn)入冷鹽罐中儲(chǔ)存，外部的熔鹽進(jìn)入冷鹽罐時(shí)將使罐內(nèi)發(fā)達(dá)溫度上升，罐內(nèi)的熔鹽越少溫度上升越快。

2.2.2 熱鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)

熱鹽罐的罐體材料為A240 Gr347H 不銹鋼，設(shè)計(jì)溫度為595℃，正常工作溫度為565℃，盛裝溫度高于400℃的高溫熔鹽。熱鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)用于當(dāng)太陽(yáng)能資源過剩，超出塔式裝置的既定工作負(fù)荷時(shí)，將額外的能量通過高溫熔鹽的形式儲(chǔ)存到熱鹽罐中，熱鹽罐中的循環(huán)泵會(huì)將罐中的高溫熔鹽輸送到蒸汽發(fā)生器中，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

2.2.3 熔鹽泵

在塔式熔鹽電站中的熔鹽泵分為冷鹽泵、熱鹽泵和調(diào)溫泵，熔鹽泵一般為立式液下泵，布置在儲(chǔ)罐上部的泵支撐平臺(tái)上。其配置的基本原則為保證電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

調(diào)溫泵選型時(shí)需考慮啟動(dòng)階段逐漸提升進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的熔鹽溫度，且在汽輪機(jī)停運(yùn)階段，輸送小流量的低溫熔鹽（約298℃）至蒸汽發(fā)生器，以防止系統(tǒng)中局部熔鹽溫度繼續(xù)降低，且產(chǎn)生廠用輔汽。若系統(tǒng)中其他泵或設(shè)備可實(shí)現(xiàn)此功能，也可不單獨(dú)設(shè)置調(diào)溫泵。

對(duì)于配置儲(chǔ)熱的塔式熔鹽電站，在午后高溫熔鹽罐內(nèi)的熔鹽液面多處于高位，相應(yīng)的低溫熔鹽罐內(nèi)的液位處于低位。午后吸熱器產(chǎn)生的高溫熔鹽流量越來越小。

冷鹽泵將輸送很小流量的熔鹽去吸熱器吸收熱量，以保證吸熱器出口熔鹽溫度在設(shè)計(jì)值附近（約565℃）。若泵的變頻范圍不能滿足吸熱器低負(fù)荷運(yùn)行需求的較小流量，則吸熱器出口溫度會(huì)降低。

熔鹽泵可配置多臺(tái)非全容量泵或2 臺(tái)全容量，在任何一臺(tái)泵故障時(shí)，其余泵出力可滿足蒸汽發(fā)生器額定負(fù)荷運(yùn)行。目前，50MW 等級(jí)的塔式熔鹽電站，典型的配置為3 臺(tái)50%吸熱器冷鹽泵、2 臺(tái)100%容量熱鹽泵和2 臺(tái)100%容量調(diào)溫泵。

3 塔式光熱發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

塔式與槽式、菲尼爾式、蝶式發(fā)電技術(shù)相比，塔式光熱發(fā)電具有聚光比高、工作溫度高、光電效率高、工質(zhì)流程短、熱損失小及維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)。雖然塔式光熱發(fā)電優(yōu)勢(shì)較大、商業(yè)化項(xiàng)目較多，但其屬于新型技術(shù)，目前相關(guān)的技術(shù)研究與配套設(shè)施等尚不成熟，成本較高，因此，對(duì)塔式光熱發(fā)電技術(shù)需進(jìn)一步研究和優(yōu)化并大規(guī)模應(yīng)用。

4 結(jié)語

塔式光熱發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)新型太陽(yáng)能利用技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換效率高、配套設(shè)施方便等優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于我國(guó)西部日照資源豐富的地區(qū)，因此，本文對(duì)塔式光熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。塔式發(fā)電具有聚光比高、工作溫度高、接收器面積小等優(yōu)勢(shì)，適合在我國(guó)西部日照資源豐富且面積較大的地區(qū)推廣應(yīng)用，為此，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化塔式發(fā)電技術(shù)，降低成本，使其早日成為電網(wǎng)的支撐。