液壓系統(tǒng)在塔式光熱電站定日鏡中的應(yīng)用

摘 要：塔式光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列定日鏡反射太陽光至吸熱塔，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。近年來，隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，大尺寸定日鏡被更多地應(yīng)用于塔式光熱電站，同時(shí)采用液壓技術(shù)也成為驅(qū)動(dòng)定日鏡跟蹤系統(tǒng)的一種新選擇。現(xiàn)參考近年來國內(nèi)外兩種不同設(shè)計(jì)風(fēng)格的光熱電站，總結(jié)了其中定日鏡液壓驅(qū)動(dòng)部分各種優(yōu)點(diǎn)與不足，之后對新興的數(shù)字液壓方式進(jìn)行了介紹，最后探討了光熱發(fā)電的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：定日鏡;液壓;蓄能器;變頻器;數(shù)字液壓

0 ? ?引言

塔式光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列式定日鏡反射太陽光至吸熱塔，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。而且，通過加熱溶鹽的方式可以將太陽能儲(chǔ)存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個(gè)小時(shí)仍然能夠帶動(dòng)汽輪發(fā)電。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站中用于跟蹤太陽并聚集反射太陽光進(jìn)入位于吸熱塔頂部吸熱器內(nèi)的重要設(shè)備，其跟蹤準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接影響太陽能熱發(fā)電的效率[1]。近年來，隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，大尺寸定日鏡被更多地應(yīng)用于塔式光熱電站，同時(shí)采用液壓技術(shù)替代小定日鏡所采用的傳統(tǒng)“雙回轉(zhuǎn)減速機(jī)”或“回轉(zhuǎn)減速機(jī)+電動(dòng)推桿”電傳動(dòng)技術(shù)，成為驅(qū)動(dòng)定日鏡跟蹤系統(tǒng)的一種新選擇。

1 ? ?傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的不同類型

由于光熱電站需要定日鏡一直追蹤太陽實(shí)時(shí)軌跡，因此，白天需要長時(shí)間不間斷地調(diào)整定日鏡方位，以便可以使反射太陽光一直聚焦于光塔吸熱器上。高頻率的短時(shí)動(dòng)作是塔式光熱電站定日鏡的主要工作方式。摩洛哥NOOR3期光熱電站和青海海西光熱電站都采用了大面積定日鏡，也都采用了液壓驅(qū)動(dòng)的方式，但由于出自不同的設(shè)計(jì)院，還是有著不同的風(fēng)格。

1.1 ? ?蓄能器方式

摩洛哥NOOR3期光熱電站位于努奧光熱發(fā)電園區(qū)內(nèi)，工程裝機(jī)容量150 MW，是目前世界上已投入商業(yè)發(fā)電的最大規(guī)模塔式光熱電站，于2018年10月20日順利完成可靠性運(yùn)行試驗(yàn)。其使用178 m2大尺寸定日鏡，共7 500面，是單體面積全球最大的定日鏡[2]。鏡場部分由西班牙SENOR設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用液壓+蓄能器的方式進(jìn)行定日鏡控制。全套液壓系統(tǒng)使用西班牙GLUAL公司的液壓缸和活塞式蓄能器，分別在水平方向布置3個(gè)水平缸，豎直方向布置1個(gè)俯仰缸，如圖1所示。通過8個(gè)單電控電磁閥進(jìn)行控制;在油缸過濾器部位設(shè)有一個(gè)壓力傳感器，對過濾器壓力進(jìn)行監(jiān)控，過濾器達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行清理;使用蓄能器儲(chǔ)能，在定日鏡動(dòng)作最頻繁的時(shí)候，可以做到15 min進(jìn)行一次儲(chǔ)能。

使用蓄能器可以起到儲(chǔ)存能量和穩(wěn)定壓力的作用，避免油泵的頻繁啟動(dòng)，另外，如果需要對定日鏡進(jìn)行高速動(dòng)作，蓄能器還能起到平穩(wěn)壓力的作用，可使定日鏡在高速動(dòng)作的同時(shí)基本保持相同速度;3個(gè)水平缸的布置方式，在追日模式下可以對驅(qū)動(dòng)油缸位置進(jìn)行精確控制，使進(jìn)油量控制在1～2 mL級別，對應(yīng)定日鏡跟蹤精度可達(dá)±0.3 mrad;同時(shí)使用密閉式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，軸承元件整體密封，避免了風(fēng)沙及異物對軸承的影響，可以使定日鏡在較長時(shí)間內(nèi)做到平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)然，使用3個(gè)水平缸，增加了穩(wěn)定性的同時(shí)，也增加了硬件采購方面的成本;密閉式的軸承使所有的組裝作業(yè)都要在定日鏡組裝車間內(nèi)完成，現(xiàn)場如果出現(xiàn)問題，無法進(jìn)行故障排查，必須整體吊裝回到組裝車間重新安裝，不利于后期的檢修與維護(hù)。

1.2 ? ?變頻器方式

青海海西50 MW光熱電站位于青海省格爾木市，屬于魯能海西州多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程中的光熱發(fā)電站，是世界上首個(gè)集風(fēng)光熱儲(chǔ)調(diào)荷于一體的多能互補(bǔ)科技創(chuàng)新項(xiàng)目。該項(xiàng)目使用4 400面144 m2大尺寸定日鏡，是目前國內(nèi)單體定日鏡面積最大、儲(chǔ)熱時(shí)間最長的項(xiàng)目，于2020年8月27日順利完成120 h可靠性運(yùn)行。鏡場部分由西班牙ABENGO設(shè)計(jì)院與中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院共同設(shè)計(jì)，使用變頻器+液壓泵的方式對定日鏡進(jìn)行控制。采用國產(chǎn)370 W電機(jī)+小功率變頻器對液壓泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型定量柱塞泵為系統(tǒng)提供壓力源，變頻電機(jī)分別在高頻和低頻狀態(tài)下工作，以應(yīng)對定日鏡的快速和慢速運(yùn)動(dòng)。通過主回路的電磁換向閥控制泵源向驅(qū)動(dòng)供油。

海西電站定日鏡在水平方向布置2個(gè)水平缸，豎直方向布置1個(gè)俯仰缸，如圖2所示，通過3個(gè)雙電控電磁閥進(jìn)行控制。在追日模式下，通過變頻器給定低頻率對油缸進(jìn)行精確控制;在早午晚太陽角度變化規(guī)律不同的情況下，再對變頻器低頻進(jìn)行分段設(shè)置，而在遇到突然的大風(fēng)天氣或其他需要緊急收起定日鏡的情況下，可以使用變頻器給定高頻率進(jìn)行操作，這樣就提升了操作的靈活性與多樣性;同樣地，使用壓力傳感器監(jiān)控過濾器壓力，可以及時(shí)清理油缸。

由于定日鏡水平方向上的驅(qū)動(dòng)由2個(gè)油缸來完成，那么不可避免地，在運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)經(jīng)過±45°和±135°這4個(gè)切缸角時(shí)，從2個(gè)水平缸配合動(dòng)作變?yōu)?個(gè)水平缸單獨(dú)動(dòng)作，在追日模式下速度較慢時(shí)，對定日鏡的動(dòng)作影響不明顯，但當(dāng)使用高速模式操作時(shí)，在經(jīng)過切缸點(diǎn)時(shí)就能明顯感覺到速度的遲緩，而且長時(shí)間在固定點(diǎn)位降速也會(huì)對回轉(zhuǎn)軸承造成一定的磨損。

相對于采用蓄能器方式的定日鏡，此方式減少了一套水平缸以及相應(yīng)的電磁閥，在成本上具有一定優(yōu)勢，變頻器可以通過編程的方式對頻率進(jìn)行按需切換，操作更加靈活;而將蓄能器替換為變頻器，變頻器安裝在就地LOC箱內(nèi)部，位于立柱上人手可及的高度，在檢修上也更為便捷;但是在定日鏡的運(yùn)動(dòng)控制上存在些許不足之處，當(dāng)然這個(gè)也要具體情況具體分析，不同的項(xiàng)目需求是選擇方案的一個(gè)重要因素。

2 ? ?數(shù)字液壓方式

除上述兩種液壓驅(qū)動(dòng)方式之外，還有一種數(shù)字液壓技術(shù)正在光熱發(fā)電中逐步開展應(yīng)用。數(shù)字液壓，即液壓執(zhí)行器件（油缸、油馬達(dá)）的運(yùn)動(dòng)特性與電脈沖一一對應(yīng)，電脈沖的頻率對應(yīng)油缸的運(yùn)動(dòng)速度（油馬達(dá)角速度），電脈沖的數(shù)量對應(yīng)油缸的運(yùn)動(dòng)行程（油馬達(dá)角度），執(zhí)行器件的精度不受負(fù)載、油壓等影響而發(fā)生變化。

數(shù)字液壓與傳統(tǒng)液壓最大的區(qū)別在于，傳統(tǒng)液壓控制方式需要通過外置的傳感器對定日鏡的水平及俯仰方向進(jìn)行角度測量，而數(shù)字液壓只對油缸進(jìn)行精確控制，通過伸出長度推算當(dāng)前角度，省去了額外儀表的開支。數(shù)字液壓集成了伺服閥精確的控制能力和精度，在構(gòu)成上更簡單，具有成本優(yōu)勢。但是由于控制方式的不同，數(shù)字液壓無法對鏡片的偏移、定日鏡長時(shí)間的地基沉降等其他干擾做出及時(shí)有效的響應(yīng)，在定日鏡面積較小、鏡場場地規(guī)模不大的情況下，低成本的數(shù)字液壓具有一定的推廣價(jià)值。目前已經(jīng)由北京某公司在西班牙光熱發(fā)電測試場進(jìn)行了測試，作為光熱發(fā)電中的新興力量，在解決好干擾源的擾動(dòng)問題之后，作為一個(gè)低成本的液壓驅(qū)動(dòng)方式，數(shù)字液壓未來還有很大的發(fā)展空間。

3 ? ?結(jié)語

由于光熱項(xiàng)目的特殊性，定日鏡具有規(guī)?；奶攸c(diǎn)，一個(gè)設(shè)備在定標(biāo)后，出貨量是以百甚至以千為單位進(jìn)行計(jì)算的，這對于國內(nèi)的生產(chǎn)制造企業(yè)是一個(gè)非常好的發(fā)展機(jī)會(huì)。在2018年國內(nèi)某光熱電站正式動(dòng)工前，EPC方對國內(nèi)定日鏡的液壓驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行過一次比對，國內(nèi)總共只有5個(gè)廠家參與，驅(qū)動(dòng)方式無外乎以上3種。國際上，光熱發(fā)電目前正處在一個(gè)裝機(jī)容量不斷增加，配套廠商不斷增多，單位發(fā)電成本不斷下降的大環(huán)境中，與此同時(shí)，我國不論是在政策還是資金上都在大力扶持新能源項(xiàng)目。在光熱發(fā)電領(lǐng)域，相比美國、西班牙這些光熱發(fā)展較早的國家，我國在理論和技術(shù)上還相對落后，相關(guān)配套廠家也不多，但未來，光熱發(fā)電在中國一定會(huì)有更大更好的發(fā)展，各廠家也有更多的機(jī)會(huì)參與到國內(nèi)外的競爭中去，為國家創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 唐濤，馬振興，郭慶.塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制[J].機(jī)械制造，2019，57（6）：13-14.

[2] 樊濤.摩洛哥努奧三期150 MW塔式光熱電站工程[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2021（6）：2.

收稿日期：2021-08-30

作者簡介：金常鑫（1981—），男，山東濱州人，碩士研究生，工程師，研究方向：自動(dòng)化、機(jī)電一體化、化工過程機(jī)械。