馮永剛，張 瑩，白雪松，程偉科，陸 浩

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010011)

0 引言

太陽(yáng)能熱發(fā)電屬于新型發(fā)電技術(shù)，因此關(guān)于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率的計(jì)算方法尚無相關(guān)規(guī)范。在太陽(yáng)能熱發(fā)電站的前期設(shè)計(jì)過程中，曾借用火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)時(shí)采用的廠用電率的估算方法來進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率計(jì)算?；鹆Πl(fā)電廠設(shè)計(jì)時(shí)的廠用電率e的計(jì)算式為[1]：

式中：Sc為汽輪發(fā)電機(jī)組在夏季100%額定出力工況下的廠用電計(jì)算負(fù)荷，kVA；cosφav為電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的平均功率因數(shù)；Pg為發(fā)電機(jī)的額定功率，kW。

其中，Sc可表示為：

式中：K為換算系數(shù)；Pa為汽輪發(fā)電機(jī)組在夏季100%額定出力工況下的廠用電動(dòng)機(jī)功率，kW。

由于火力發(fā)電廠的K值的具體取值在DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中已經(jīng)給出，因此在統(tǒng)計(jì)Sc值后，再確定cosφav及Pg值后，通過廠用耗電功率(Sccosφav)與Pg的比值就可以獲得精確的火力發(fā)電廠的廠用電率。

太陽(yáng)能熱發(fā)電站一般由集熱系統(tǒng)、吸熱傳熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)及常規(guī)島系統(tǒng)(包含冷卻系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)及汽輪發(fā)電機(jī)組)等組成。不同于火力發(fā)電廠中各個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)之間存在緊密的關(guān)聯(lián)性，太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各個(gè)系統(tǒng)之間既相互關(guān)聯(lián)又存在一定的獨(dú)立性，而且各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間也不一致。因此，統(tǒng)計(jì)太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)的電功率消耗時(shí)，不能采用火力發(fā)電廠的K值來計(jì)算，也就不能通過(Sccosφav)與Pg的比值來計(jì)算廠用電率。若一定要采用此方法計(jì)算太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率，則需要再考慮一個(gè)“同時(shí)系數(shù)”，但由于“同時(shí)系數(shù)”的確定過程缺乏太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為支撐，會(huì)導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果的精度也較低。

為了提高太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率的計(jì)算精度，在工程實(shí)踐中，曾經(jīng)出現(xiàn)過根據(jù)電站的運(yùn)行階段來計(jì)算廠用電率的方法，即將太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行分為5個(gè)階段，具體為：1) 集熱系統(tǒng)與吸熱傳熱系統(tǒng)運(yùn)行，而儲(chǔ)熱系統(tǒng)和常規(guī)島系統(tǒng)不運(yùn)行的階段；2) 集熱系統(tǒng)、吸熱傳熱系統(tǒng)及儲(chǔ)熱系統(tǒng)運(yùn)行，而常規(guī)島系統(tǒng)不運(yùn)行的階段；3) 集熱系統(tǒng)、吸熱傳熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)及常規(guī)島系統(tǒng)全部運(yùn)行的階段；4) 集熱系統(tǒng)與吸熱傳熱系統(tǒng)不運(yùn)行，而儲(chǔ)熱系統(tǒng)和常規(guī)島系統(tǒng)運(yùn)行階段；5) 集熱系統(tǒng)、吸熱傳熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)運(yùn)行及常規(guī)島系統(tǒng)全部不運(yùn)行的階段。

該方法首先需要分別統(tǒng)計(jì)不同運(yùn)行階段時(shí)各個(gè)系統(tǒng)消耗的電功率，然后再確定不同時(shí)段時(shí)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，最終可得到太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率。由于此方法中大致劃分了運(yùn)行階段，因此相較于直接套用火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)時(shí)采用的廠用電率的估算方法，計(jì)算精度有所提高。但該方法不能確定各個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)間上的關(guān)系，整體而言計(jì)算精度也不高。

目前，行業(yè)共識(shí)的計(jì)算太陽(yáng)能熱發(fā)電站廠用電率的方法是：通過考慮典型太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，定日鏡場(chǎng)的布置方式、采光面積，定日鏡的外形及性能，吸熱器的性能、外形及其在定日鏡場(chǎng)中的位置，吸熱塔所在位置的經(jīng)緯度，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量、蒸汽發(fā)生器的容量及汽輪發(fā)電機(jī)組的容量等參數(shù)，并采用逐時(shí)數(shù)據(jù)來計(jì)算太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率。

利用SAM軟件模擬分析太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)時(shí)還可以獲得汽輪發(fā)電機(jī)組逐時(shí)的廠用電消耗情況，這為太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率、外購(gòu)電量計(jì)算提供了逐時(shí)數(shù)據(jù)。因此，本文以塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站為例，基于SAM軟件提供的逐時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率、外購(gòu)電量計(jì)算方法和計(jì)算原理進(jìn)行介紹。

1 計(jì)算方法概述

SAM軟件是由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的一款免費(fèi)的電站仿真模擬軟件，其在太陽(yáng)能熱發(fā)電站、光伏電站等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。太陽(yáng)能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)人員可以通過SAM軟件模擬評(píng)估電站的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性，并且可以得到太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各個(gè)系統(tǒng)的逐時(shí)數(shù)據(jù)，通過分析這些逐時(shí)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率及外購(gòu)電量的計(jì)算。

1.1 建立模型過程中的數(shù)據(jù)輸入

利用SAM軟件建立太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型時(shí)，需要輸入光資源參數(shù)、定日鏡場(chǎng)參數(shù)、吸熱器參數(shù)、吸熱塔參數(shù)及系統(tǒng)控制信息等數(shù)據(jù)。

在SAM軟件中，系統(tǒng)控制部分可輸入太陽(yáng)能熱發(fā)電站的公用系統(tǒng)用電負(fù)荷。該負(fù)荷是太陽(yáng)能熱發(fā)電站在任何運(yùn)行狀態(tài)下都存在的用電負(fù)荷，包括照明、空調(diào)、保安電源系統(tǒng)及不間斷電源(UPS)系統(tǒng)等的用電量，可通過負(fù)荷統(tǒng)計(jì)得到該部分對(duì)應(yīng)的電功率。

1.2 數(shù)據(jù)篩選

太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型建立完成后，運(yùn)行SAM軟件，提取如下逐時(shí)數(shù)據(jù)(括號(hào)內(nèi)的內(nèi)容為參數(shù)在軟件中的對(duì)應(yīng)表述)：

1)集熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率(Hourly Data:Parasitic power heliostat drives)P1，MW；2)吸熱傳熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率(Hourly Data: Parasitic power receiver/tower HTF pump)P2，MW；3)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率(Hourly Data: Parasitic power TES and Cycle HTF pump)P3，MW；4)冷卻系統(tǒng)的逐時(shí)電功率(Hourly Data: Parasitic power condenser operation)P4，MW；5)公用系統(tǒng)的逐時(shí)電功率(Hourly Data: Parasitic power fixed load)P5，MW；6)與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)的逐時(shí)電功率(Hourly Data: Parasitic power generation-dependent load)P6，MW；7)汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)電功率(Hourly Data: PC electrical power output: gross)P7，MW。

1.3 數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算結(jié)果

SAM軟件篩選出來的數(shù)據(jù)是離散的，用于描述某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均值，因此根據(jù)SAM軟件中的數(shù)據(jù)可分析得出太陽(yáng)能熱發(fā)電站的各個(gè)系統(tǒng)在1年中的運(yùn)行狀況。計(jì)算太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率時(shí)，可將全年內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)分為啟動(dòng)狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)及停機(jī)狀態(tài)這4種。

SAM軟件中提供了汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)數(shù)據(jù)可以確定汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。一般情況下，可將汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行前的1 h確定為啟動(dòng)狀態(tài)。但需要更進(jìn)一步地精確計(jì)算廠用電率時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)范，詳細(xì)劃分其啟動(dòng)狀態(tài)：1)冷態(tài)啟動(dòng)(停機(jī)超過72 h后的啟動(dòng))；2)溫態(tài)啟動(dòng)(停機(jī)10～72 h后的啟動(dòng))；3)熱態(tài)啟動(dòng)(停機(jī)時(shí)間小于10 h后的啟動(dòng))；4)極熱態(tài)啟動(dòng)(汽輪發(fā)電機(jī)組脫扣后1 h以內(nèi)的啟動(dòng))。在確定汽輪發(fā)電機(jī)組具體的啟動(dòng)狀態(tài)后，可確定啟動(dòng)時(shí)間及相應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)的用電負(fù)荷。

在模型建立后，SAM軟件提供了汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)電功率數(shù)據(jù)，在進(jìn)行廠用電率計(jì)算時(shí)，凡是汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)電功率大于0 kW的時(shí)間段，其都應(yīng)該被認(rèn)為是處于發(fā)電狀態(tài)。

汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)后，雖然短時(shí)間段內(nèi)盤車、頂軸油泵及熔鹽調(diào)溫泵還處于運(yùn)行狀態(tài)，但該時(shí)間段內(nèi)的汽輪發(fā)電機(jī)組被認(rèn)為是處于停機(jī)狀態(tài)；而對(duì)于僅存在照明、暖通等用電負(fù)荷的時(shí)間段，汽輪發(fā)電機(jī)組也被認(rèn)為是處于停機(jī)狀態(tài)。

將啟動(dòng)狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)及停機(jī)狀態(tài)均認(rèn)定為離線狀態(tài)?？傮w而言，太陽(yáng)能熱發(fā)電站中汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)可分為發(fā)電狀態(tài)和離線狀態(tài)。

在發(fā)電狀態(tài)下，太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率e′可表示為：

式中：Pij為汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行第j個(gè)小時(shí)時(shí)第i個(gè)用電負(fù)荷類型消耗的逐時(shí)電功率，MW；n為全年(8760 h)內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；P7j為汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行第j個(gè)小時(shí)時(shí)消耗的逐時(shí)電功率，MW。

由于在發(fā)電狀態(tài)下Pij和P7j的運(yùn)行時(shí)間一致，因此式(3)不再考慮這2項(xiàng)的運(yùn)行時(shí)間。

在離線狀態(tài)下，太陽(yáng)能熱發(fā)電站的外購(gòu)電量Q可表示為：

式中：P′ij為汽輪發(fā)電機(jī)組處于離線狀態(tài)時(shí)第j個(gè)小時(shí)時(shí)第i個(gè)用電負(fù)荷類型消耗的逐時(shí)電功率，MW；m為全年(8760 h)汽輪發(fā)電機(jī)組的離線小時(shí)數(shù)，h；t為時(shí)間步長(zhǎng)，h，此處取1。

2 逐時(shí)電功率的分析與計(jì)算

2.1 集熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P1的分析與計(jì)算

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中集熱系統(tǒng)以定日鏡場(chǎng)為主體，并配置有定日鏡驅(qū)動(dòng)器、鏡面清洗泵、定日鏡糾偏及能流密度檢測(cè)裝置、氣象觀測(cè)設(shè)備、相機(jī)及吸熱器電伴熱等用電設(shè)備。其中，定日鏡驅(qū)動(dòng)器是集熱系統(tǒng)的主要負(fù)荷。在吸熱器正常運(yùn)行階段，定日鏡驅(qū)動(dòng)器存在2種狀態(tài)，一種是驅(qū)動(dòng)鏡面以跟蹤太陽(yáng)，另一種是處于待機(jī)狀態(tài)以保持鏡面的穩(wěn)定；在吸熱傳熱系統(tǒng)過熱或汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)等事故情況下，定日鏡驅(qū)動(dòng)器通過散焦來保護(hù)吸熱器。因此，在計(jì)算P1值前，需要先確定定日鏡驅(qū)動(dòng)器的逐時(shí)電功率。

定日鏡場(chǎng)中定日鏡驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量巨大，以100 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站為例，若采用中型定日鏡，則該電站中定日鏡驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量將超過6萬個(gè)；另外由于定日鏡驅(qū)動(dòng)器存在多種運(yùn)行狀態(tài)，通過逐個(gè)分析定日鏡驅(qū)動(dòng)器在1年內(nèi)的運(yùn)行情況來計(jì)算定日鏡驅(qū)動(dòng)器的電功率，將是一件極其復(fù)雜的工作。SAM軟件可采用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行處理，具體步驟為：

1)確定單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器在不同運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)的逐時(shí)電功率。將單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行時(shí)間段分為吸熱傳熱系統(tǒng)運(yùn)行前、吸熱傳熱系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)及吸熱傳熱系統(tǒng)停止運(yùn)行這3個(gè)時(shí)間段；并在每個(gè)時(shí)間段確定1個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器的平均電功率，將該平均電功率值作為單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器在該時(shí)間段內(nèi)的逐時(shí)電功率。值得注意的是，SAM軟件給出的定日鏡驅(qū)動(dòng)器平均電功率可作為廠用電率計(jì)算時(shí)的參考值，也可根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)整定日鏡驅(qū)動(dòng)器平均電功率的取值。

2)確定定日鏡驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行時(shí)間段。吸熱傳熱系統(tǒng)運(yùn)行前的1 h，單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器的逐時(shí)電功率為C1，kW；吸熱傳熱系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)，單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器的逐時(shí)電功率為C2，kW；吸熱傳熱系統(tǒng)停止運(yùn)行后的1 h，單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器的逐時(shí)電功率為C3，kW。

因此，P1可表示為：

式中：NSCA為定日鏡驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量，個(gè)；Ck為單個(gè)定日鏡驅(qū)動(dòng)器在第k個(gè)時(shí)間段內(nèi)的逐時(shí)電功率，MW。

2.2 吸熱傳熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P2及儲(chǔ)熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P3的分析與計(jì)算

吸熱傳熱系統(tǒng)及儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要通過導(dǎo)熱流體來進(jìn)行能量傳遞，而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)熱流體循環(huán)需要消耗電能。P2及P3的計(jì)算式可表示為：

式中：q2(3)為導(dǎo)熱流體的質(zhì)量流量，kg/h；g為導(dǎo)熱流體的重力加速度，N/kg；H為泵的揚(yáng)程，m；η為泵的效率。

其中，q2可表示為[2]：

式中：q為太陽(yáng)直接輻射，kW/m2；S1為單個(gè)定日鏡的采光面積，m2；η1為太陽(yáng)輻射量轉(zhuǎn)化為吸熱傳熱系統(tǒng)能量過程中的光學(xué)效率；η2為太陽(yáng)輻射量轉(zhuǎn)化為吸熱傳熱系統(tǒng)能量過程中的熱學(xué)效率；cosθ為余弦效率；t′為吸熱傳熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h；C為導(dǎo)熱流體的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT為導(dǎo)熱流體出口溫度與進(jìn)口溫度的差值，℃。

q3可表示為[2]：

式中：λ為太陽(yáng)倍數(shù)。

通過上述公式計(jì)算得到的結(jié)果與在SAM軟件中提取的P2及P3的數(shù)據(jù)基本一致。由于吸熱傳熱系統(tǒng)的逐時(shí)電功率及儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間與集熱系統(tǒng)和常規(guī)島系統(tǒng)不相關(guān)，因此在計(jì)算太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率及外購(gòu)電量時(shí)，可直接采用SAM軟件中的P2、P3數(shù)據(jù)及這2個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)。

2.3 冷卻系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P4的分析及計(jì)算

冷卻系統(tǒng)會(huì)將熱力系統(tǒng)中未用盡的剩余熱量排出，而在熱量排出過程中需要消耗電能。冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間與汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間一致。太陽(yáng)能熱發(fā)電站的冷卻方式主要有空冷、濕冷等方式。SAM軟件可支持空冷或濕冷方式的計(jì)算，該軟件中的太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型可根據(jù)環(huán)境溫度、冷凝液溫度及熱力系統(tǒng)的熱力循環(huán)情況，計(jì)算出P4值(即冷卻系統(tǒng)電機(jī)的逐時(shí)電功率)。

同時(shí)，還可通過估算方法得到P4的值，估算方法具體為：在夏季的3個(gè)月內(nèi)，冷卻系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)100%的運(yùn)行能力；在春、秋季的6個(gè)月內(nèi)，冷卻系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)約75%的運(yùn)行能力；在冬季的3個(gè)月內(nèi)，冷卻系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)約50%的運(yùn)行能力。

SAM軟件的計(jì)算結(jié)果和估算方法得到的結(jié)果基本一致，因此在計(jì)算廠用電率的過程中，可直接采用SAM軟件中的數(shù)據(jù)。

2.4 公用系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P5的分析與計(jì)算

公用系統(tǒng)的電功率是指汽輪發(fā)電機(jī)組無論處于發(fā)電狀態(tài)還是離線狀態(tài)都存在的用電消耗，公用系統(tǒng)消耗電能是為了維持太陽(yáng)能熱發(fā)電站的正常運(yùn)行。公用系統(tǒng)的逐時(shí)電功率計(jì)算方法可參照DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》附錄F來進(jìn)行。在太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率計(jì)算過程中，SAM軟件給出的P5數(shù)據(jù)就是模型建立階段輸入的統(tǒng)計(jì)數(shù)值。

2.5 與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P6的分析與計(jì)算

與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)的逐時(shí)電功率P6可表示為：

式中：P7為汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)電功率，MW；P7′為汽輪發(fā)電機(jī)組的額定功率，MW；P6′為與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷在額定滿發(fā)狀態(tài)下的總功率；η′為與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)在任意時(shí)間段內(nèi)的平均效率與其額定狀態(tài)下效率的比值，且η′≤1。

與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間與汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間一致。

由于無法從SAM軟件中得到P6的數(shù)據(jù)，因此在太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率計(jì)算過程中，采用式(9)進(jìn)行計(jì)算。

2.6 汽輪發(fā)電機(jī)組的逐時(shí)功率P7的分析與計(jì)算

GB/T 51307—2018《塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的附錄A中給出了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站發(fā)電量的估算方法，由該估算方法得到的結(jié)果與SAM軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致。因此，在太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率計(jì)算過程中，可直接采用SAM軟件中的P7數(shù)據(jù)。

3 典型算例

以某100 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站為例進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，該電站的主要參數(shù)如表1所示。

表1 某100 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主要參數(shù)Table 1 Main parameter of a 100 MW tower solar CSP station

吸熱器吸收由定日鏡反射的高熱流密度的太陽(yáng)輻射，并將其轉(zhuǎn)化為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)的高溫?zé)崮?。高溫傳熱?chǔ)熱介質(zhì)采用熔融鹽，一部分高溫熔融鹽通過管道傳遞到位于地面的儲(chǔ)熱裝置，然后經(jīng)高溫熔鹽泵輸送到蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生過熱蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電；而另一部分高溫熔鹽則儲(chǔ)存于高溫熔鹽罐中，當(dāng)光照資源較弱或無光照資源時(shí)，調(diào)用儲(chǔ)存的高溫熔融鹽來繼續(xù)向蒸汽發(fā)生器提供熱量，以維持汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。典型塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行過程中的電能消耗情況如圖1所示。

圖1 典型塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行過程中的電能消耗簡(jiǎn)圖Fig. 1 Simplified diagram of electricity consumption during the operation of typical tower CSP station

根據(jù)SAM軟件建立該塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的模型，可得到一個(gè)典型年的P7、P2及P3數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以劃分出在該典型年內(nèi)此塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的逐時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，然后向用于計(jì)算太陽(yáng)能熱發(fā)電站廠用電率及外購(gòu)電量的計(jì)算書錄入P1、P4、P5及P6的數(shù)據(jù)。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過累加該塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的發(fā)電狀態(tài)的時(shí)間、啟動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間、待機(jī)狀態(tài)的時(shí)間及停機(jī)狀態(tài)的時(shí)間，可得到該塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站在不同運(yùn)行狀態(tài)下的總運(yùn)行時(shí)間，具體如表2所示。

表2 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站在不同運(yùn)行狀態(tài)下的總運(yùn)行時(shí)間Table 2 Total running time of tower CSP station under different operating states

在不考慮運(yùn)行狀態(tài)的前提下，該塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各個(gè)系統(tǒng)的年耗電量情況如表3所示。

表3 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各個(gè)系統(tǒng)的年耗電量情況Table 3 Annual electricity consumption of each system of tower CSP station

按運(yùn)行狀態(tài)劃分時(shí)，該塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站在各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下的年耗電量及汽輪發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量情況如表4所示。

綜合表2～表4的數(shù)據(jù)，可最終計(jì)算得到該塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率和外購(gòu)電量，具體結(jié)果如表5所示。

通過本算例可以看出，與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)的年耗電量最大，這是由于與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)數(shù)量較多造成的，但由于輔機(jī)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)已成熟，不易再進(jìn)行優(yōu)化。吸熱傳熱系統(tǒng)的耗電量包含低溫熔鹽泵等的耗電量，其耗電量約為與發(fā)電相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)耗電量的一半，對(duì)于降低吸熱傳熱系統(tǒng)的耗電量，可通過優(yōu)化低溫熔鹽泵等設(shè)備或采用變頻設(shè)備等方式來實(shí)現(xiàn)。從運(yùn)行狀態(tài)來看，除發(fā)電狀態(tài)之外，停機(jī)狀態(tài)的年耗電量也較多，這是由太陽(yáng)能熱發(fā)電站中各個(gè)系統(tǒng)的配置決定的，可通過優(yōu)化這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)性允許的前提下，應(yīng)盡可能提高汽輪發(fā)電機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)。

4 結(jié)論

本文提出的基于SAM軟件逐時(shí)數(shù)據(jù)的太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠用電率及外購(gòu)電量的計(jì)算方法，是在建立太陽(yáng)能熱發(fā)電站的模型后，引用SAM軟件生成的逐時(shí)數(shù)據(jù)，以此確定太陽(yáng)能熱發(fā)電站各個(gè)系統(tǒng)在1年中的運(yùn)行狀態(tài)，最終統(tǒng)計(jì)得到發(fā)電狀態(tài)下的廠用電率及離線狀態(tài)下的外購(gòu)電量。該計(jì)算方法基于逐時(shí)數(shù)據(jù)，能夠接近汽輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況，具有一定的實(shí)用性及精確度。