王汶海 管丹丹 金富強(qiáng) 楊 磊 劉龍飛

（1．杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司，浙江 杭州 310018；2．浙江西子聯(lián)合工程有限公司光伏分公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

光熱發(fā)電技術(shù)通過“聚集”太陽(yáng)能的高溫?zé)崮芗訜峁べ|(zhì)，再通過傳統(tǒng)的熱力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。光熱發(fā)電技術(shù)從20 世紀(jì)80 年代開始商業(yè)化，至今已經(jīng)有近40 年的歷史，在世界范圍內(nèi)的供電份額也在逐步增長(zhǎng)。在光熱電廠中，蒸汽渦輪機(jī)是一種重要的能量轉(zhuǎn)化裝置，也是一種重要的能源。由于光能晝夜交替，變化頻繁，因此對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)中使用的水輪機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性都有很高要求。

光熱發(fā)電技術(shù)是先“聚集”太陽(yáng)能的高溫?zé)崮芗訜峁べ|(zhì)，再通過傳統(tǒng)的熱力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。國(guó)內(nèi)光熱能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較遲，目前還處在商品化的初期階段。截止到2017 年末，全國(guó)已建成的太陽(yáng)能光伏發(fā)電量只有29.3MW。2018 年7 月1 日，為促進(jìn)我國(guó)光伏光熱技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過專家論證，國(guó)家能源局發(fā)布光伏行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2018 年本）》。在整個(gè)光熱發(fā)電系統(tǒng)中，汽輪機(jī)是一種重要的能量轉(zhuǎn)化裝置，是太陽(yáng)能光伏光熱發(fā)電的重要組成部分。為此該文以某光熱工程為背景，闡述了熔鹽光熱電廠的工作機(jī)理，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，以求能夠進(jìn)一步降低汽輪機(jī)的能耗，促進(jìn)國(guó)內(nèi)塔式熔鹽光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[1]。

1 塔式光伏光熱發(fā)電站的工作原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 塔式光熱發(fā)電站的工作原理

塔式熔鹽光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由定日鏡系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)4 個(gè)部分組成[2]。高溫熔鹽具有“使用溫度高、熱穩(wěn)定性高、比熱容高、對(duì)流傳熱系數(shù)高、黏度低、飽和蒸汽壓低、價(jià)格低”的優(yōu)勢(shì)，因此在吸熱系統(tǒng)中會(huì)將高溫熔鹽作為儲(chǔ)熱及換熱介質(zhì)。

該系統(tǒng)工作流程如下：定日鏡系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，將太陽(yáng)光聚集到一個(gè)裝在塔頂?shù)奈鼰崞魃?。吸熱器收集輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熔融鹽的高溫?zé)崮?。高溫熔融鹽通過管道傳遞至蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生的高溫蒸汽推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)進(jìn)行膨脹做功，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

1.2 定日鏡鏡場(chǎng)與吸熱器設(shè)計(jì)

現(xiàn)有或正在建設(shè)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的排列形式都很有規(guī)律，例如西爾拉太陽(yáng)發(fā)電廠采用直線排列，而克雷森特發(fā)電廠采用環(huán)狀縱列法排列。此外還有Francisco J.Collado 等人提出的Campo 定日鏡排列模式和Corey J.Noone 等人提出的一種模擬定日鏡排列模式。鑒于鏡場(chǎng)效率、占地面積以及電廠運(yùn)行（例如固定、清潔）等具體作業(yè)的可能性，該研究的鏡場(chǎng)為新型五邊形定日鏡排列。

定日鏡鏡場(chǎng)由以固定的方法圍繞2 個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)跟蹤的固定定日鏡鏡群組成，它可以沿2 個(gè)軸線方向旋轉(zhuǎn)追蹤，把照射在它表面的太陽(yáng)輻照能量由吸收塔頂部的吸熱裝置轉(zhuǎn)換為熱量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)輻射能的收集。

該研究中，定日鏡的安裝是為了滿足鏡面旋轉(zhuǎn)的需要，它能有效降低鏡面的損耗（余弦損耗、陰影遮擋損失、大氣傳輸損失、鏡面清潔度、反射率以及吸熱器截流系數(shù)），并通過非遮擋式的方法保證每個(gè)鏡面的遮擋損失剛好或者很小，以降低鏡場(chǎng)的損耗，增加對(duì)太陽(yáng)輻射能的收集。

2 塔式光熱發(fā)電熔鹽儲(chǔ)換熱及汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熔鹽儲(chǔ)熱與換熱管束設(shè)計(jì)

熔鹽儲(chǔ)熱是光熱發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，它提供了能量轉(zhuǎn)換裝置所需的初始溫度，換熱管則將這些熱量進(jìn)行高效地交換。熔鹽通過管道、儲(chǔ)熱裝置、傳熱介質(zhì)進(jìn)入換熱管束后實(shí)現(xiàn)高效傳熱，換熱管束的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)：1）通過管道溫度的測(cè)量和計(jì)算來控制換加熱段內(nèi)的溫度。2）通過管道速度分布來控制加熱速度。3）換熱管束的材料和幾何尺寸會(huì)影響熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)傳熱效率，因此可以通過比較不同材質(zhì)管道的熔鹽儲(chǔ)熱能力來決定是否需要在換熱管束設(shè)計(jì)中加入傳熱介質(zhì)。

2.2 光熱集熱環(huán)節(jié)

集中供熱部分包括定日鏡和集熱器。定日鏡是一種具有2 個(gè)方向的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)輻照的聚光鏡，它可以通過調(diào)整方向和角度將輻照集中在一個(gè)收發(fā)器上。其外表涂有一層銀色的保護(hù)膜，能夠在一定程度上完成折疊、翻轉(zhuǎn)等功能，以防止紫外線、酸雨、沙塵、風(fēng)暴等惡劣天氣造成的損害。定日鏡的數(shù)目由機(jī)組的發(fā)電量和占地面積決定。集熱器能夠?qū)⑻?yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換成熱量，再將熱量經(jīng)由傳導(dǎo)媒介傳輸?shù)狡渌w系。

2.3 光熱發(fā)電環(huán)節(jié)

光熱發(fā)電是一種通過熔鹽發(fā)電的技術(shù)，主要應(yīng)用于太陽(yáng)能熱利用。熔鹽指的是固體鹽類，其熔點(diǎn)一般為100℃~500℃。光熱發(fā)電利用了光熱轉(zhuǎn)換的原理，將太陽(yáng)光反射到真空集熱管上，通過加熱與之接觸的鹽類物質(zhì)，使其熔化。熔化后的物質(zhì)流入集熱管內(nèi)的儲(chǔ)槽，并通過水泵加壓后流回?zé)徨仩t進(jìn)行再次利用。發(fā)電系統(tǒng)包括過熱器、蒸汽發(fā)生器、預(yù)熱器、再熱器、蒸汽渦輪、發(fā)電機(jī)和冷凝器等。進(jìn)入電力系統(tǒng)后，這些熱量會(huì)被汽化器轉(zhuǎn)化為蒸汽，然后轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為水，在一系列裝置的作用下重新生成熱量，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的循環(huán)。文獻(xiàn)[2]的研究表明：光熱發(fā)電是一種清潔能源，具有很高的能量密度和效率，不受資源條件和地域限制，在很多情況下可以替代化石燃料發(fā)電。但也存在一些問題。1）成本較高。光熱發(fā)電屬于大型投資項(xiàng)目，在建設(shè)初期需要投入大量資金。2）占地面積大。光熱發(fā)電的主要設(shè)備為熔鹽爐和聚光器，需要較大的土地面積來建設(shè)電站，如果建設(shè)在城市郊區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，就需要實(shí)施拆遷或搬遷，勢(shì)必會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。3）運(yùn)行可靠性差。熔鹽爐工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果散熱不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致熔鹽爐內(nèi)溫度升高，進(jìn)而損壞設(shè)備。4）無法大規(guī)模應(yīng)用。雖然光熱發(fā)電技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)，但其發(fā)電效率低、成本高，無法大規(guī)模應(yīng)用。5）安全性差。光熱發(fā)電技術(shù)是一種將太陽(yáng)光反射到儲(chǔ)槽內(nèi)進(jìn)行二次利用的技術(shù)，因此需要考慮高溫和低溫下材料的安全問題。

2.4 原則性熱力系統(tǒng)圖

以追求極致性能為目標(biāo)，汽輪機(jī)整體采用高、中、低壓缸雙缸和單排汽解決方案。高壓缸的通流部分為高轉(zhuǎn)速反動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，6000r/min 的高轉(zhuǎn)速可減少轉(zhuǎn)子直徑、增加葉片高度并減少葉片端部損失，提高了高壓缸的效率。由于在額定工況下功率較小，因此選擇中壓缸、低負(fù)荷運(yùn)行模式，高壓缸則通過齒輪箱和發(fā)電機(jī)連接。三維模型圖如圖1 所示。

圖1 三維模型圖

由蒸汽發(fā)生器出來的主蒸汽進(jìn)入高壓缸做功，排汽進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的再熱器與熔鹽進(jìn)行換熱后，再進(jìn)入中、低壓缸進(jìn)行做功。中、低壓缸的排汽進(jìn)入空冷島凝結(jié)成水后，經(jīng)過凝結(jié)水泵升壓，然后進(jìn)入各級(jí)回?zé)峒訜崞鬟M(jìn)行加熱，最后再次進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。其中，在回?zé)嵯到y(tǒng)中配置0 號(hào)高加，以保證低負(fù)荷工況下的給水溫度滿足一定要求。0 號(hào)高加的蒸汽可以來自蒸汽發(fā)生器的飽和汽或主蒸汽，也可以來自汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)抽汽。原則性熱力系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 原則性熱力系統(tǒng)圖

2.5 熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)熱力學(xué)的基本理論，提高進(jìn)汽參數(shù)、降低排汽參數(shù)和增大回?zé)峒?jí)數(shù)有利于提高蒸汽機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性。熱耗、煤耗等是熱能經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。該文利用公式（1）對(duì)渦輪機(jī)端的熱消耗進(jìn)行估算。

式中：q0—汽輪機(jī)側(cè)熱耗，kJ/（kW·h）；Pe—發(fā)電機(jī)側(cè)軸端功率；DO—進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量；DOg—進(jìn)入0 號(hào)高加的蒸汽流量，如果0 號(hào)高加未投入或汽源為級(jí)內(nèi)抽汽，則流量為0；DGs—給水流量，t/h；DRZ—熱再蒸汽流量；Dlz—冷再蒸汽流量，t/h；h—進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽焓值；HGS—給水焓值，kJ/kg；hRZ—熱再蒸汽焓值。

2.6 蒸汽溫度

據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹，目前較為成熟的熔融鹽為Solar salt，其組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%NalNO3和40%的KNO3，其分解溫度為600℃，凝固溫度為220℃，推薦的最高工作溫度為565℃。目前玉門鑫能項(xiàng)目夏季進(jìn)汽溫度可至545℃，上海電氣總包迪拜項(xiàng)目中的塔式光熱機(jī)組的蒸汽溫度已經(jīng)提高至553℃。

由文獻(xiàn)[4]可知，增加蒸汽的溫度不但能增加循環(huán)系統(tǒng)的效率，而且由于過熱度的增加，蒸汽的比容量也會(huì)增加；增加再熱器的加熱可以改善排氣干燥程度，降低汽輪機(jī)的排氣和濕蒸汽損耗，進(jìn)而改善汽輪機(jī)的熱效率。

蒸汽溫度-熱耗變化曲線如圖3 所示。從圖3 可以看出，如果將主要蒸汽的溫度提升到565℃以上，就能大大減少蒸汽的消耗，但這會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外缸、內(nèi)缸、轉(zhuǎn)子和閥門等部件的選擇造成更大的壓力。

圖3 蒸汽溫度-熱耗變化曲線

2.7 主蒸汽壓力

在總汽壓和排氣壓力恒定的情況下，增加總汽壓可以改善系統(tǒng)的循環(huán)熱效率。在主蒸汽壓升高到一定限度后，入口體積的變小和排氣濕度的升高會(huì)使排汽的通氣性能顯著下降，這一下降的幅度會(huì)隨入汽溫度的升高而升高，400℃時(shí)的最大壓力達(dá)到20MPa。和國(guó)內(nèi)塔式熔鹽光熱器的進(jìn)口蒸汽壓力都極低的情況相比，上海電力公司在迪拜工程的塔式光熱器的進(jìn)口蒸汽壓力達(dá)到了1.7MPa，達(dá)到了亞臨界值。

主蒸汽壓力-熱耗變化曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出，當(dāng)主蒸汽壓力增加1MPa 時(shí)，渦輪一側(cè)的熱消耗減少大約40kJ/（kW·h）。如果主蒸汽壓力由1.4MPa 增加到1.7MPa，則汽輪機(jī)一側(cè)的熱消耗將減少大約120kJ/（kW·h）。但是隨著汽輪機(jī)主蒸汽壓強(qiáng)的增加，汽化系統(tǒng)、熔鹽系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)的承壓設(shè)備和管道等的厚度都會(huì)增大，進(jìn)而加大鋼鐵的消耗和工廠的電力消耗。

圖4 主蒸汽壓力-熱耗變化曲線

目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的大部分光熱電廠都采用軸向抽風(fēng)方式。通過對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)中使用軸向排氣可以顯著減少蒸汽損耗，進(jìn)而可使機(jī)組利用率提高0.25%~0.5%。我國(guó)現(xiàn)有的塔式光熱電廠都是軸流形式。由于我國(guó)能源豐富，易被開發(fā)的區(qū)域多為西北風(fēng)沙大、干旱缺水的地方，因此通常采用空氣冷卻式凝汽機(jī)，其排氣壓力可達(dá)8kPa。減少背壓力可有助于減少渦輪一側(cè)的熱消耗。減少了1kPa 的反壓蒸汽壓，渦輪一側(cè)的熱消耗即減少30~40kJ/（kW·h），但會(huì)造成空冷島成本的增加和電廠用電量的增長(zhǎng)。因此必須從整體上對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的排蒸汽壓力進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性研究，將投資、運(yùn)行費(fèi)用和綜合收益考慮進(jìn)去。

2.8 回?zé)峒?jí)數(shù)

如上所述，塔式熔鹽光電設(shè)備的儲(chǔ)存和傳熱媒介是含鹽的，其在240℃以下會(huì)產(chǎn)生晶體，固化的溫度達(dá)到220℃，因此在電廠的使用中要注意避免因熔鹽凝結(jié)而引起的故障維修，降低設(shè)備的使用成本[5]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保用245℃~260℃的熱水與熔鹽交換。對(duì)塔式熔鹽光熱發(fā)電場(chǎng)，Sie-Mens、GE 和MANTURBO 分別配備了2 臺(tái)高加、1臺(tái)除氧機(jī)和3 臺(tái)低加設(shè)備。為了提升轉(zhuǎn)換效率，上海汽輪機(jī)制造廠在玉門鑫能工程裝備了3 臺(tái)高加、1 臺(tái)除氧器、3 臺(tái)低加以及外部的汽水冷卻器。經(jīng)研究，如果采用1 段和外部段的水冷裝置，可以使水輪機(jī)端的熱耗量減少35kJ/（kW·h）。

太陽(yáng)能光熱電站利用了白天和晚上2 種不同類型的能源，但其儲(chǔ)存時(shí)間是有限的，因此在夜間要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)載工作。根據(jù)傳統(tǒng)的供熱方式，在這種情況下供水的水溫會(huì)下降。然而如果溫度過高，則會(huì)引起鹽塊的凝結(jié)，造成操作上的困難。在低壓條件下，為保持供水的水溫，所有的設(shè)備都需要配備0 號(hào)高加。

2.9 回?zé)峒?jí)數(shù)

從文獻(xiàn)[5]可以看出，為了改善整個(gè)工廠的循環(huán)熱能，目前的熱電廠都使用了給水和回?zé)?，而在光熱電站中，為了取得更好整個(gè)電站的熱回收效果，也使用了給水回?zé)崞鳌４送?，提高循環(huán)串聯(lián)能顯著提高機(jī)組的熱效率。

3 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種新型的塔式光熱電廠的熔鹽蓄熱系統(tǒng)方案和總體布置方案，并對(duì)主要蒸汽參數(shù)和回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和分析，得出如下結(jié)論。

為進(jìn)一步改善塔式熔鹽光熱機(jī)組的工作性能，采取雙缸方案，由于進(jìn)蒸汽體積流量很小，因此可以采用高轉(zhuǎn)速的高壓氣缸結(jié)構(gòu)，以減少葉面損耗，進(jìn)一步改善汽輪機(jī)的工作效率。

塔式熔鹽光熱機(jī)組在蒸汽溫度和主蒸汽壓強(qiáng)方面，可以將蒸汽溫度提升到553℃，主蒸汽壓強(qiáng)提升到亞臨界值1.7MPa。如果隨后的熔鹽側(cè)允許，可以將其提升到更高的參數(shù)值。