塔式光熱電站設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與IEC 標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比研究

高 嵩，許繼剛

( 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

塔式太陽能發(fā)電技術(shù)是在廣闊面積的場(chǎng)地上布置大量配有跟蹤機(jī)構(gòu)的太陽能定日鏡，每臺(tái)定日鏡均準(zhǔn)確地將太陽光反射集中到場(chǎng)內(nèi)一座高塔頂部的吸熱器上。吸熱器把吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳給工質(zhì)，通過工質(zhì)將熱能輸入熱動(dòng)力機(jī)，膨脹做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，最后以電能的形式輸出。在工質(zhì)傳遞的過程中，可通過儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存，該系統(tǒng)主要由聚光集熱子系統(tǒng)、傳熱儲(chǔ)熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)等部分組成[1]。塔式光熱電站發(fā)電出力特性與火力發(fā)電較為相近，具備熱電解耦運(yùn)行能力，在新型電力系統(tǒng)中可起到調(diào)峰電源的重要作用。近年來，我國(guó)的塔式光熱發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?？焖侔l(fā)展，首批光熱示范發(fā)電項(xiàng)目中已建成投運(yùn)5 座光熱電站[2-3]，裝機(jī)容量達(dá)到300 MW。隨著我國(guó)新型電力系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)，光伏、光熱大基地項(xiàng)目在新疆、青海、甘肅、吉林等地得到了大規(guī)模開發(fā)，已開始規(guī)劃建設(shè)總?cè)萘? GW以上的塔式光熱電站。

為促進(jìn)和規(guī)范太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《關(guān)于印發(fā)2015 年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、修訂計(jì)劃的通知》(建標(biāo)[2014]189 號(hào))中明確提出制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《塔式太陽能光熱發(fā)電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”)[4]。于2018 年發(fā)布實(shí)施。中國(guó)主導(dǎo)編制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《塔式太陽能光熱發(fā)電設(shè)計(jì)總體要求》(以下簡(jiǎn)稱“IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)”)于2022 年9 月發(fā)布實(shí)施[5]。本文對(duì)這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要差異進(jìn)行對(duì)比分析，以供設(shè)計(jì)人員在今后工作中進(jìn)行參考。

1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)我國(guó)塔式光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)建設(shè)的統(tǒng)領(lǐng)性標(biāo)準(zhǔn)，除總則、術(shù)語、基本規(guī)定以外，還包括了電力系統(tǒng)、太陽能資源評(píng)估、站址選擇、總體規(guī)劃、集熱場(chǎng)布置、發(fā)電區(qū)布置、集熱系統(tǒng)及設(shè)備、傳熱儲(chǔ)熱與換熱系統(tǒng)及設(shè)備、汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)、水處理設(shè)備及系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、儀表與控制、電氣設(shè)備及系統(tǒng)、水工設(shè)施及系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及附屬設(shè)施、建筑與結(jié)構(gòu)、供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、環(huán)境保護(hù)與水土保持、職業(yè)安全和職業(yè)衛(wèi)生、消防等20 個(gè)章節(jié)[4]。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的編制框架是先從電廠外部條件再到內(nèi)部工藝，即先從外部電網(wǎng)接入條件、太陽能資源以及水文氣象開始，再到聚光、集熱、發(fā)電等具有光熱特點(diǎn)的工藝系統(tǒng)。在電廠內(nèi)部的工藝系統(tǒng)中，先對(duì)總圖、集熱場(chǎng)、發(fā)電區(qū)的布置進(jìn)行有關(guān)規(guī)定，再對(duì)各相關(guān)技術(shù)專業(yè)按照聚光、集熱、儲(chǔ)熱、傳熱、發(fā)電的工藝流程開展系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)方面的規(guī)定。

2 IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)全球塔式光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)建設(shè)的統(tǒng)領(lǐng)性標(biāo)準(zhǔn)，除規(guī)定了適用范圍、引用標(biāo)準(zhǔn)、定義、基本規(guī)定以外，還編制了電力系統(tǒng)接入、太陽能資源評(píng)估、站址選擇、總體規(guī)劃、集熱場(chǎng)布置、發(fā)電區(qū)布置、集熱系統(tǒng)、傳熱、儲(chǔ)熱及換熱系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、儀表與控制、電氣設(shè)備及系統(tǒng)、職業(yè)安全與衛(wèi)生的技術(shù)要求等14 個(gè)章節(jié)。

該標(biāo)準(zhǔn)基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的工作基礎(chǔ)編制而成。保留了光熱特色鮮明的主要工藝流程，省略了水工設(shè)施及系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及附屬設(shè)施、建筑與結(jié)構(gòu)、供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、環(huán)境保護(hù)與水土保持等6 個(gè)與火力發(fā)電廠相近的常規(guī)章節(jié)，并且在接入系統(tǒng)、太陽能資源評(píng)估、汽輪發(fā)電系統(tǒng)及水處理系統(tǒng)的章節(jié)里進(jìn)行簡(jiǎn)化，引用已發(fā)布的IEC 標(biāo)準(zhǔn)。

3 兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容差異對(duì)比

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、名詞定義、系統(tǒng)劃分等共性方面保持一致。在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容方面均包括總體規(guī)劃、集熱場(chǎng)布置、發(fā)電區(qū)布置、集熱系統(tǒng)、傳熱儲(chǔ)熱及換熱系統(tǒng)等重要的、具有光熱特色的工藝系統(tǒng)方面內(nèi)容。在接入系統(tǒng)、太陽能資源評(píng)估、汽輪發(fā)電系統(tǒng)及水處理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等章節(jié)的具體內(nèi)容上，存在差異。兩部標(biāo)準(zhǔn)主要章節(jié)對(duì)比見表1 所列。

表1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)對(duì)比

3.1 接入系統(tǒng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)大中型太陽能光熱發(fā)電站提出了應(yīng)具有參與電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻的能力要求，在IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，未在調(diào)峰調(diào)頻方面提出相應(yīng)要求。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量條款中，要求電站并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量-供電電壓偏差》[6]、GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量—電壓波動(dòng)和閃變》[7]和GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量—三相電壓不平衡》[8]的規(guī)定。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，要求該指標(biāo)應(yīng)符合IEC 62749 ED2.0《電能質(zhì)量評(píng)估—公共電網(wǎng)供電特性》[9]。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電站接入方案及主變壓器選型提出了進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再確定的要求，鑒于國(guó)外投資項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較側(cè)重的因素也各有不同，所以未在IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中做統(tǒng)一要求。

3.2 太陽能資源評(píng)估

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)參考?xì)庀笳?、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站、太陽輻射數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析做了較為詳盡的規(guī)定。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)設(shè)計(jì)要求須符合IEC 62862 1-2 ED1.0《太陽能熱電廠第1-2部分：太陽能熱電廠模擬的年輻射數(shù)據(jù)》[10]和IEC 62862 1-3 ED1.0《太陽能熱電廠第1—3 部分：氣象數(shù)據(jù)集格式》[11]。

3.3 汽輪機(jī)系統(tǒng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，汽輪機(jī)系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備、主蒸汽、再熱蒸汽和旁路系統(tǒng)、給水系統(tǒng)及給水泵、除氧器及給水箱、凝結(jié)水系統(tǒng)及凝結(jié)水泵、疏放水系統(tǒng)、輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)等做了詳細(xì)的選型設(shè)計(jì)規(guī)定。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，原則性地提出對(duì)主汽溫度的設(shè)計(jì)要考慮儲(chǔ)換熱系統(tǒng)的匹配，以及汽輪機(jī)額定功率設(shè)計(jì)要考慮與鏡場(chǎng)和儲(chǔ)熱容量匹配；對(duì)于汽輪機(jī)系統(tǒng)，汽輪機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足IEC 60045-1 ED1.0《汽輪機(jī)第1 部分：技術(shù)規(guī)范》[12]，其余并未做詳細(xì)規(guī)定。

3.4 水處理系統(tǒng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，水處理系統(tǒng)涵蓋了水質(zhì)及水的預(yù)處理、水的預(yù)脫鹽、除鹽水處理系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理、熱力系統(tǒng)的化學(xué)加藥和水汽取樣、冷卻水處理、定日鏡清洗水處理、廢水處理、藥品儲(chǔ)存等內(nèi)容。在IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，鑒于鏡場(chǎng)定日鏡清洗用水是一項(xiàng)獨(dú)有的特殊技術(shù)內(nèi)容，會(huì)對(duì)水處理系統(tǒng)的能力提出不同于常規(guī)火電廠的要求，所以在IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中保留了包括水質(zhì)及水的預(yù)處理、水的預(yù)脫鹽、除鹽水處理系統(tǒng)、定日鏡清洗水處理、廢水處理等具有光熱特點(diǎn)的規(guī)定內(nèi)容。

3.5 信息系統(tǒng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，信息系統(tǒng)中包括電站信息系統(tǒng)總體規(guī)劃、管理信息系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、生產(chǎn)視頻監(jiān)視系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、信息系統(tǒng)布線、信息安全等內(nèi)容。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，鑒于各國(guó)信息化發(fā)展的程度不盡相同，從光熱電站的鏡場(chǎng)占地較大，定日鏡數(shù)量眾多等特點(diǎn)考慮，僅對(duì)安全防范系統(tǒng)、生產(chǎn)視頻監(jiān)視系統(tǒng)、信息系統(tǒng)布線、信息安全等一些必要內(nèi)容做了相關(guān)規(guī)定。

3.6 電氣系統(tǒng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，電氣系統(tǒng)中包括發(fā)電機(jī)與主變壓器、電氣主接線、交流站用電系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)及不間斷交流電源、高壓配電裝置、電氣監(jiān)測(cè)與控制、元件繼電保護(hù)、照明系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、站內(nèi)通信等內(nèi)容。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，上述大部分內(nèi)容在IEC 已發(fā)布實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)中已有對(duì)應(yīng)，所以在電氣系統(tǒng)部分引用了較多的現(xiàn)有IEC 標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)考慮到不同國(guó)家及欠發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)站內(nèi)通信需求不同，未對(duì)站內(nèi)通信系統(tǒng)作相關(guān)技術(shù)規(guī)定。

4 對(duì)比分析

我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大多明確了需要通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較來確定有關(guān)參數(shù)。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的編制習(xí)慣中，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較幾乎不作為設(shè)計(jì)規(guī)定的要求，而是提出要滿足建設(shè)方的要求或設(shè)備產(chǎn)品的技術(shù)要求。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編制內(nèi)容全面，IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)IEC 標(biāo)準(zhǔn)體系中尚未明確規(guī)定的技術(shù)內(nèi)容編制有關(guān)的技術(shù)要求，能夠參照已有火電標(biāo)準(zhǔn)的章節(jié)，不再進(jìn)行詳細(xì)編制。

5 結(jié)語

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了設(shè)計(jì)塔式光熱電站涉及的所有專業(yè)，編制內(nèi)容的布局特點(diǎn)及全面性與GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]編制結(jié)構(gòu)和內(nèi)容相近。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)塔式光熱發(fā)電的工藝系統(tǒng)做出相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，在常規(guī)的技術(shù)內(nèi)容，更多的借鑒引用現(xiàn)有已發(fā)布的IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。兩本標(biāo)準(zhǔn)在聚光、集熱、傳熱、換熱等光熱主要工藝環(huán)節(jié)的技術(shù)規(guī)定內(nèi)容一致性較強(qiáng)，均起到了指導(dǎo)工程建設(shè)的作用。