太陽能光熱發(fā)電換熱系統(tǒng)技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)解讀

果 巖

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

太陽能光熱發(fā)電可有效利用中國國際領(lǐng)先的火電汽輪機(jī)技術(shù)，通過不同型式的集熱系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。光熱發(fā)電除集熱系統(tǒng)外，還包括儲(chǔ)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、汽輪發(fā)電裝置，鑒于當(dāng)前國內(nèi)外研究太陽能光熱發(fā)電集熱系統(tǒng)的技術(shù)文獻(xiàn)及報(bào)告較多，本文將從太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)換熱系統(tǒng)角度出發(fā)，分析描述換熱系統(tǒng)的構(gòu)成、布置、啟運(yùn)方式、系統(tǒng)測試等方面內(nèi)容，同時(shí)解讀國內(nèi)首個(gè)光熱發(fā)電站用換熱系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的有關(guān)內(nèi)容。

1 光熱發(fā)電技術(shù)綜述

光熱發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱功轉(zhuǎn)換過程發(fā)電的技術(shù)。光熱發(fā)電可有效利用中國國際領(lǐng)先的火電汽輪機(jī)技術(shù)，降低煤電去產(chǎn)能政策對(duì)常規(guī)產(chǎn)業(yè)的沖擊。其主要特點(diǎn)是發(fā)電功率相對(duì)平穩(wěn)可控、運(yùn)行方式靈活、可進(jìn)行熱電并供。同時(shí)，光熱發(fā)電具有非常好的環(huán)境效益［1］。

由于太陽能分布具有間歇性、稀疏性等特點(diǎn)，聚光型光熱發(fā)電成為對(duì)太陽能進(jìn)行高效利用的有效途徑之一。近年來，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展備受矚目，根據(jù)聚光集熱方式的不同，太陽能光熱發(fā)電集熱系統(tǒng)技術(shù)路線主要有4種類型：槽式集熱系統(tǒng)、塔式集熱系統(tǒng)、碟式集熱系統(tǒng)以及線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)［2］。

2 光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

目前，我國首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目共計(jì)20個(gè)，合計(jì)裝機(jī)1349MW。從技術(shù)路線上看，9座塔式、7座槽式、4座菲涅爾式；地理位置上看，9座位于甘肅省敦煌／玉門等地，4座位于青海德令哈／共和／格爾木，4座位于河北張家口／張北，2座位于內(nèi)蒙古烏拉特，1座位于新疆哈密；從進(jìn)度上看，已完成并網(wǎng)項(xiàng)目為7項(xiàng)。

我國是世界上光熱發(fā)電裝備產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展基礎(chǔ)較為完善的國家，隨著光熱電站項(xiàng)目的推進(jìn)，我國在光熱發(fā)電系統(tǒng)集成、優(yōu)化、運(yùn)維以及智能化發(fā)展等方面，也走在世界的前列。據(jù)預(yù)測，2020～2030年，我國將處于光熱發(fā)電商業(yè)規(guī)模的發(fā)展階段，光熱發(fā)電向大容量、高參數(shù)、長時(shí)間儲(chǔ)熱、低成本方向發(fā)展，電站規(guī)模將平均每年增長500～1000MW［3］。

3 光熱發(fā)電換熱系統(tǒng)概述

換熱系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和油鹽換熱系統(tǒng)構(gòu)成。其中，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力，是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)的可靠性直接影響到整個(gè)光熱發(fā)電站能否正常運(yùn)行。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)如圖1所示，將高溫鹽罐內(nèi)的熔鹽分別通入過熱器和再熱器進(jìn)行換熱混合排出，再依次流經(jīng)蒸汽發(fā)生器及預(yù)熱器與給水發(fā)生換熱，再將熱量傳給水后流入低溫鹽罐。

圖1 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

3.1 換熱系統(tǒng)的匹配要求

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的額定蒸發(fā)量應(yīng)與汽輪機(jī)額定工況相匹配，最大連續(xù)蒸發(fā)量應(yīng)與汽輪機(jī)閥門全開工況相匹配，同時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)的變工況特性。

油鹽換熱系統(tǒng)的額定工況宜與汽輪機(jī)額定工況相匹配。

換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下的系統(tǒng)熱效率應(yīng)不低于98%。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主蒸汽溫度應(yīng)滿足汽輪機(jī)額定工況的要求（見表1）。

表1 換熱系統(tǒng)壓降 （單位：MPa）

3.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)備要求

為了保證整個(gè)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的各項(xiàng)職能，該系統(tǒng)包括了預(yù)熱器、蒸發(fā)器、汽包、過熱器、再熱器等換熱設(shè)備。

1）預(yù)熱器：傳熱介質(zhì)預(yù)先加熱給水以提高給水溫度的裝置；

2）蒸發(fā)器：傳熱介質(zhì)與水換熱產(chǎn)生高壓飽和蒸汽的裝置；

3）過熱器：傳熱介質(zhì)加熱飽和和蒸汽產(chǎn)生過熱蒸汽的裝置；

4）再熱器：傳熱介質(zhì)加熱汽輪機(jī)高壓缸排汽產(chǎn)生高溫再熱蒸汽的裝置。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備的介質(zhì)宜按照表2進(jìn)行選取。

表2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備管殼程介質(zhì)

4 光熱發(fā)電換熱系統(tǒng)運(yùn)行

目前，國內(nèi)蒸汽循環(huán)主要有自然循環(huán)（見圖2）和強(qiáng)制循環(huán)（見圖3）兩大類，兩者都有比較成熟的工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。太陽能熱發(fā)電換熱系統(tǒng)啟停次數(shù)可按以下執(zhí)行，具體次數(shù)應(yīng)根據(jù)電站運(yùn)行特點(diǎn)綜合確定：

1）冷態(tài)啟動(dòng)（停機(jī)超過72小時(shí)）10次／年，（調(diào)試期24次／年）；

2）溫態(tài)啟動(dòng)（停機(jī)在10至72小時(shí)之間）250次／年，（調(diào)試期320次／年）；

3）熱態(tài)啟動(dòng)（停機(jī)時(shí)間在1至10小時(shí)之間）300次／年，（調(diào)試期400次／年）；

4）極熱態(tài)啟動(dòng)（機(jī)組停機(jī)1小時(shí)以內(nèi)）50次／年（調(diào)試期100次／年）；

5）負(fù)荷階躍＞10%銘牌功率／min，15750次／25年。

太陽能光熱發(fā)電蒸發(fā)器在啟動(dòng)時(shí)，無論是強(qiáng)制循環(huán)，還是自然循環(huán)都是依靠外部循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)水在預(yù)熱器、電加熱器、蒸發(fā)器與汽包之間循環(huán)，通過電加熱器加熱給水。如圖2和圖3所示，區(qū)別在于強(qiáng)制循環(huán)方式的循環(huán)水首先進(jìn)入汽包，再通過強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)入蒸發(fā)器；自然循環(huán)方式因取消了強(qiáng)制循環(huán)泵，只能依靠外部循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，需要將循環(huán)水接入蒸發(fā)器，再由汽包抽出，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和汽包的預(yù)熱。

圖2 自然循環(huán)預(yù)熱系統(tǒng)圖

圖3 強(qiáng)制循環(huán)預(yù)熱系統(tǒng)圖

4.1 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)啟動(dòng)曲線

根據(jù)調(diào)查某工程中熔鹽光熱發(fā)電的相關(guān)要求，及熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的溫升特性，考慮蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的相關(guān)啟動(dòng)要求，統(tǒng)計(jì)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的啟動(dòng)曲線如圖4所示。

圖4 蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)曲線

1）冷態(tài)啟動(dòng)：蒸汽發(fā)生系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約374min，至機(jī)組滿負(fù)荷約434min。

2）溫態(tài)啟動(dòng)：蒸汽發(fā)生系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約14min，至機(jī)組滿負(fù)荷約74min。

3）熱態(tài)啟動(dòng)：蒸汽發(fā)生系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約21min，至機(jī)組滿負(fù)荷約67min。

4）極熱態(tài)啟動(dòng)：蒸汽發(fā)生系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約14min，至機(jī)組滿負(fù)荷約30min。

4.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)溫升影響

溫升降溫速率的大小對(duì)容器熱應(yīng)力影響較大，尤其對(duì)厚壁容器的影響更為明顯。溫升降溫速率越大，在容器壁厚方向產(chǎn)生的溫度梯度越大，熱應(yīng)力越大。通常對(duì)于內(nèi)壓容器內(nèi)壁溫度高于外壁的情況，在升溫過程中，熱應(yīng)力與壓力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力方向相反，從而降低了容器在壁厚方向的應(yīng)力；在降溫過程中，熱應(yīng)力與壓力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力方向一致，從而提高了容器在壁厚方向的應(yīng)力。所以此種情況下，降溫過程為更惡劣工況，熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的安定性影響最大。

5 光熱發(fā)電換熱系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)解讀

根據(jù)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題《太陽能高溫?zé)岚l(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究》（課題編號(hào)：2017YFF0208301），由機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所牽頭開展太陽能熱發(fā)電站換熱系統(tǒng)技術(shù)要求和太陽能熱發(fā)電站換熱系統(tǒng)檢測規(guī)范研究，自2017年中旬至2020年底，采用調(diào)研走訪、會(huì)議研討相結(jié)合的方式，以電站鍋爐相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)，以光熱發(fā)電工程示范項(xiàng)目為依托，以填補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)空白為目標(biāo)，以引導(dǎo)我國光熱電站建設(shè)為需求，對(duì)油鹽換熱系統(tǒng)，導(dǎo)熱油蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，熔融鹽蒸汽發(fā)生系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析梳理，確定了光熱電站換熱系統(tǒng)的技術(shù)要求和檢測原則，制定了兩項(xiàng)光熱發(fā)電換熱系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

5.1 國內(nèi)光熱發(fā)電換熱系統(tǒng)情況選取

根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目走訪與調(diào)研，選取部分蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)品情況，如表3所示。

表3 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)品選取匯總

5.2 標(biāo)準(zhǔn)主要研究內(nèi)容

（1）技術(shù)難題：總體要求、設(shè)備選型、控制安全等

主要研究內(nèi)容：換熱系統(tǒng)總體構(gòu)成、設(shè)備配置、運(yùn)行計(jì)劃及控制、各部分之間的匹配關(guān)系以及相關(guān)的安全和性能要求，確定工質(zhì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、防凝系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)以及膨脹系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)技術(shù)要求；對(duì)換熱系統(tǒng)的管道以及閥門等附件進(jìn)行優(yōu)化配置。

系統(tǒng)構(gòu)成及參數(shù)：包括蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和油鹽換熱系統(tǒng)，以及設(shè)備基本參數(shù)。

正常使用環(huán)境條件：包括環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速。

技術(shù)要求：包括一般要求、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)（汽水側(cè)、熔融鹽側(cè)、導(dǎo)熱油測）、熔鹽換熱系統(tǒng)、熱交換器、安全泄放裝置、閥門及儀表控制、泵、管道、防凝要求。

檢測內(nèi)容：包括額定蒸發(fā)量；熱效率；汽水系統(tǒng)流量、進(jìn)出口溫度、壓降；導(dǎo)熱油和熔融鹽系統(tǒng)流量、進(jìn)出口溫度、壓降；蒸汽品質(zhì)。

（2）太陽能熱發(fā)電站換熱系統(tǒng)檢測規(guī)范

解決技術(shù)難題：檢測需求、安裝要求、采樣評(píng)價(jià)等。

主要研究內(nèi)容：檢測系統(tǒng)配置、檢測對(duì)象和參數(shù)選取、安全和性能參數(shù)的計(jì)算方法等內(nèi)容。

試驗(yàn)項(xiàng)目：包括額定蒸發(fā)量；熱效率；汽水系統(tǒng)流量、進(jìn)出口溫度、壓降；導(dǎo)熱油和熔融鹽系統(tǒng)流量、進(jìn)出口溫度、壓降；蒸汽品質(zhì)。

測量內(nèi)容及儀表：確定汽水側(cè)、導(dǎo)熱油測、熔融鹽側(cè)、蒸汽品質(zhì)等方面的具體測量內(nèi)容。

測量方法：包括流量、溫度、壓力和壓差等測量方法。

系統(tǒng)性能檢測試驗(yàn)：包括額定蒸發(fā)量、最大連續(xù)蒸發(fā)量、汽水系統(tǒng)壓降、熔融鹽系統(tǒng)壓降、導(dǎo)熱油系統(tǒng)壓降、蒸汽品質(zhì)、熱效率。

上述兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了太陽能熱發(fā)電站換熱系統(tǒng)技術(shù)要求和檢測規(guī)范，對(duì)于提高太陽能熱發(fā)電站的換熱效率起著至關(guān)重要的作用，且涉及整個(gè)電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性，規(guī)范和指導(dǎo)了太陽能熱利用工程建設(shè)與生產(chǎn)，能夠有效引領(lǐng)太陽能光熱產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

6 結(jié)束語

當(dāng)前，隨著我國“碳達(dá)峰·碳中和”總體戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，以能源生產(chǎn)清潔化、能源消費(fèi)電氣化為方向，全面實(shí)施“兩個(gè)替代”，著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、嚴(yán)控化石能源總量，構(gòu)建清潔主導(dǎo)、電為中心的現(xiàn)代能源體系成為途徑與方向。

光熱發(fā)電技術(shù)對(duì)比以風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)，因具備較強(qiáng)的主動(dòng)支撐電力系統(tǒng)及可控可調(diào)等電源端優(yōu)勢，通過“光熱＋光伏”、“光熱＋熱電聯(lián)產(chǎn)”、“光熱＋余熱利用”等應(yīng)用場景開拓，進(jìn)一步發(fā)揮光熱發(fā)電在“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”、“多能互補(bǔ)”等能源綜合利用的助力和支撐作用。