100 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)選擇的對(duì)比分析

牛亞兵，任亞軍，陳 磊，周 治，彭懷午，張俊峰，段楊龍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

太陽(yáng)能熱發(fā)電也稱(chēng)為聚光太陽(yáng)能發(fā)電(CSP)，其基本原理是利用大量的反射鏡聚集太陽(yáng)輻射能，用于加熱工質(zhì)，再通過(guò)傳統(tǒng)的熱力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。根據(jù)收集太陽(yáng)輻射能的方式不同，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)主要包括塔式、槽式、碟式(斯特林)和線(xiàn)性菲涅爾式這4種類(lèi)型。其中，采用熔鹽工質(zhì)的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)具有裝機(jī)容量大、發(fā)電效率高、適合大規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)最具潛力的太陽(yáng)能熱發(fā)電形式之一，也是在我國(guó)首批太陽(yáng)能熱發(fā)電站中采用最多的技術(shù)路線(xiàn)。

汽輪機(jī)作為太陽(yáng)能熱發(fā)電站中的關(guān)鍵設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換[1]。然而，由于太陽(yáng)能熱發(fā)電站受太陽(yáng)光照等因素的影響，能量來(lái)源具有不穩(wěn)定性，電站存在負(fù)荷變化及啟停頻繁的特點(diǎn)。因此，若要使汽輪發(fā)電機(jī)組在耗汽量少的情況下完成啟動(dòng)，選擇合理的主蒸汽參數(shù)有助于提高汽輪機(jī)的熱效率及整個(gè)電站項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性[2]。

對(duì)于我國(guó)國(guó)內(nèi)第1批已運(yùn)行的熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，由于在電站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行等方面缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)于蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)等主要設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)少、制造能力弱，導(dǎo)致這些電站中汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)的選擇相對(duì)保守。

目前，國(guó)內(nèi)外主要的熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)(主蒸汽壓力和主蒸汽溫度)的選擇如表1所示。

表1 不同熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)的選擇Table 1 Choice of main steam parameters of steam turbines in different molten salt tower CSP stations

本文以國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)電建西北院”)在太陽(yáng)能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)甘肅省某100 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)(主蒸汽壓力和主蒸汽溫度)的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要的對(duì)比分析。

1 工程概況

本文以甘肅省某100 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站為例進(jìn)行分析。該太陽(yáng)能熱發(fā)電站的儲(chǔ)熱介質(zhì)采用二元熔鹽，儲(chǔ)熱系統(tǒng)選用“1臺(tái)低溫儲(chǔ)罐+1臺(tái)高溫儲(chǔ)罐”的單套熔鹽儲(chǔ)罐方案，吸熱器進(jìn)口/出口熔鹽設(shè)計(jì)溫度為290/565 ℃，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式。

結(jié)合該太陽(yáng)能熱發(fā)電站所在地的太陽(yáng)能資源條件，利用太陽(yáng)能熱發(fā)電站仿真模擬軟件SAM對(duì)全年中高溫儲(chǔ)罐的運(yùn)行溫度進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算時(shí)，高溫儲(chǔ)罐的最高運(yùn)行溫度和最低運(yùn)行溫度分別取564.9 ℃和500.0 ℃。全年中高溫儲(chǔ)罐運(yùn)行溫度的模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 全年中高溫儲(chǔ)罐運(yùn)行溫度的模擬計(jì)算結(jié)果Table 2 Simulation calculation results of operating temperature of high temperature storage tank in whole year

從表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，全年中高溫儲(chǔ)罐運(yùn)行溫度t>555 ℃的時(shí)間約占53.6%。

2 主蒸汽參數(shù)的選擇

汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)的選擇應(yīng)以提高汽輪機(jī)熱效率為原則來(lái)確定，而汽輪機(jī)的可靠性和價(jià)格也是重要的選擇指標(biāo)。該太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)，即主蒸汽壓力和主蒸汽溫度的選擇，是在綜合考慮儲(chǔ)熱介質(zhì)參數(shù)、蒸發(fā)換熱系統(tǒng)形式，并以汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的熱平衡數(shù)據(jù)為依據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較分析后得到的。

2.1 主蒸汽壓力的對(duì)比分析

該太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，吸熱器出口的熔鹽設(shè)計(jì)溫度為565 ℃，根據(jù)GB/T 754-2007《發(fā)電用汽輪機(jī)參數(shù)系列》的有關(guān)規(guī)定可知，超臨界及超超臨界汽輪機(jī)的主蒸汽溫度/再熱溫度均高于565℃，因此對(duì)本太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽壓力進(jìn)行選擇時(shí)，不用考慮超臨界及超超臨界情況下的主蒸汽壓力，而是以超高壓及亞臨界情況下的主蒸汽壓力對(duì)比為主。當(dāng)汽輪機(jī)的主蒸汽初始溫度不變僅提高初始?jí)毫r(shí)，在一定范圍內(nèi)可提高汽輪機(jī)的熱效率；但若初始?jí)毫μ岣哌^(guò)大，汽輪機(jī)的熱效率反而會(huì)降低。由此可知，在初始溫度一定的情況下，存在一個(gè)最佳初始?jí)毫Γ^(guò)最佳初始?jí)毫?，汽輪機(jī)的熱耗率將趨于上升[3]。

不同主蒸汽壓力下汽輪機(jī)的性能對(duì)比以國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的超高壓及亞臨界汽輪機(jī)的熱平衡數(shù)據(jù)為依據(jù)，具體如表3所示。

表3 不同主蒸汽壓力下汽輪機(jī)的性能對(duì)比Table 3 Performance comparison of steam turbines under different main steam pressures

由表3可知，在主蒸汽溫度為550 ℃的條件下，100%額定負(fù)荷工況下主蒸汽壓力采用亞臨界壓力時(shí)汽輪機(jī)的熱效率比采用超高壓時(shí)的高0.21%；其他額定負(fù)荷工況下采用亞臨界壓力時(shí)汽輪機(jī)的熱效率比采用超高壓壓力時(shí)的均高0.44%及以上。

從項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性方面考慮，若選用亞臨界壓力，則汽輪機(jī)的熱效率相對(duì)較高，在太陽(yáng)能熱發(fā)電站發(fā)電量相同的情況下，其所需要的集熱鏡場(chǎng)面積較小，因此項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性較好。但本太陽(yáng)能熱發(fā)電站的蒸發(fā)換熱系統(tǒng)采用的是自然循環(huán)方式，是依靠密度差提供的推動(dòng)力來(lái)克服蒸發(fā)循環(huán)的阻力，主蒸汽壓力越高，汽水循環(huán)的密度差就越小，需要的汽包與蒸發(fā)器的高度差就越大，且選用亞臨界壓力時(shí)，在部分超壓工況下，自然循環(huán)方式會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮蒸發(fā)換熱系統(tǒng)中設(shè)備的布置高度、機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性及汽水循環(huán)的安全可靠性，參考目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的太陽(yáng)能熱發(fā)電站及蒸發(fā)換熱系統(tǒng)設(shè)備廠家的最新技術(shù)方案，本太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽壓力推薦采用14.1 MPa(a)。

2.2 主蒸汽溫度的對(duì)比分析

根據(jù)工程熱力學(xué)的基本原理，提高蒸汽的溫度能提高朗肯循環(huán)的效率，因此提高主蒸汽溫度的數(shù)值，能提高汽輪機(jī)的熱效率。

不同主蒸汽溫度下汽輪機(jī)的性能對(duì)比以國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的超高溫和高溫情況下汽輪機(jī)的熱平衡數(shù)據(jù)為依據(jù)，具體如表4所示。

表4 不同主蒸汽溫度下汽輪機(jī)的性能對(duì)比Table 4 Performance comparison of steam turbines under different main steam temperatures

由表4可知，當(dāng)主蒸汽壓力為14.1 MPa(a)時(shí)，在100%額定負(fù)荷工況下，主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)汽輪機(jī)的熱效率比采用高溫時(shí)的高0.18%，若按發(fā)電小時(shí)數(shù)為3897 h計(jì)算，在鏡場(chǎng)面積一定的情況下，100 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站全年可多發(fā)電約155萬(wàn)kWh，年多發(fā)電量的收入約為170.5萬(wàn)元(電價(jià)暫按1.1元/kWh計(jì)算)；在年發(fā)電量一定的情況下，主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)100 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的鏡場(chǎng)面積可減少0.61萬(wàn)m2，鏡場(chǎng)初投資可減少約427萬(wàn)元。其他額定負(fù)荷工況下，主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)汽輪機(jī)的熱效率，均比采用高溫時(shí)的高0.17%及以上。

本太陽(yáng)能熱發(fā)電站中吸熱器出口的熔鹽設(shè)計(jì)溫度為565 ℃，根據(jù)蒸發(fā)換熱系統(tǒng)廠家提供的換熱端差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，若主蒸汽溫度選擇540 ℃，在進(jìn)行蒸發(fā)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為防止蒸汽溫度超溫，需配置主蒸汽、再熱蒸汽噴水減溫系統(tǒng)，這樣會(huì)增加設(shè)備的投資及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，再根據(jù)中國(guó)電建西北院針對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，若主蒸汽溫度選擇540℃，蒸發(fā)換熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)溫熔鹽泵需長(zhǎng)期投入運(yùn)行，用于降低過(guò)熱器、再熱器入口熔鹽溫度，防止設(shè)備入口端差過(guò)大。如此一來(lái)，主蒸汽溫度選擇540 ℃時(shí)不僅使蒸發(fā)換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且提高了對(duì)調(diào)溫熔鹽泵的可靠性要求，在增加耗電量的同時(shí)還增加了設(shè)備初投資。

根據(jù)鏡場(chǎng)全年集熱量及高溫儲(chǔ)罐的儲(chǔ)熱溫度模擬計(jì)算結(jié)果，全年中高溫儲(chǔ)罐溫度大于555 ℃的時(shí)間約占53.6%，這說(shuō)明該太陽(yáng)能熱發(fā)電站大部分的運(yùn)行時(shí)間可滿(mǎn)足以主蒸汽溫度550 ℃運(yùn)行。

綜上所述可知，汽輪機(jī)的主蒸汽溫度選用550℃較為合理。

2.3 電站主要設(shè)備及主要管道投資的對(duì)比

參考同為100 MW的熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在不同的汽輪機(jī)主蒸汽溫度下，電站主要設(shè)備投資的對(duì)比如表5所示。

表5 電站主要設(shè)備投資的對(duì)比Table 5 Comparison of main equipment investment of CSP station

從表5中的數(shù)據(jù)可知，汽輪機(jī)的主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)，電站主要設(shè)備的初投資可減少約197萬(wàn)元。

在不同的汽輪機(jī)主蒸汽溫度下，電站主要管道投資的對(duì)比如表6所示。

表6 電站主要管道投資的對(duì)比Table 6 Comparison of main pipelines investment of CSP station

由于汽輪機(jī)的主蒸汽溫度不同，因此主蒸汽及熱再熱蒸汽管道的材料選型也會(huì)不同，使計(jì)算得到的管道壁厚也會(huì)存在不同，導(dǎo)致2種主蒸汽溫度下的主蒸汽及熱再熱蒸汽管道的投資相差較大。從表6中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)汽輪機(jī)的主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)，電站主要管道的投資將增加約860萬(wàn)元。

綜上所述可知，汽輪機(jī)的主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)，太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資比汽輪機(jī)的主蒸汽溫度采用高溫時(shí)的增加約663萬(wàn)元。但汽輪機(jī)的主蒸汽溫度采用超高溫時(shí)，電站每年可節(jié)約調(diào)溫熔鹽泵電費(fèi)約70萬(wàn)元，而且每年多發(fā)電量的收益約為170.5萬(wàn)元，這相當(dāng)于電站每年可增加約240.5萬(wàn)元的收益，因此，若汽輪機(jī)的主蒸汽溫度采用超高溫，則電站只需3年即可收回增加的投資。

綜合考慮汽輪機(jī)熱效率、儲(chǔ)熱介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度、主要設(shè)備投資、主要管道投資、項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及設(shè)備廠家的制造能力后，本太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽溫度推薦選用550 ℃。

3 結(jié)論

本文以國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，并結(jié)合中國(guó)電建西北院對(duì)于太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)甘肅省某100 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要對(duì)比分析。綜合考慮汽輪機(jī)熱效率、設(shè)備投資、管道投資、設(shè)備廠家目前的設(shè)計(jì)制造能力及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性后得出結(jié)論，推薦該太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪機(jī)的主蒸汽壓力和主蒸汽溫度分別采用14.1 MPa(a)和550 ℃。