塔式太阳能热发电系统提高－聚光太阳能热利用


塔式太阳能光热发电系统（提高篇）
Tower Solar Power System（improvement）
根据GB/T 51307—2018 《塔式太阳能光热发电站设计标准》规定，塔式光热发电站的规模按照总装机容量分为大型、中型、小型。总装机容量大于等于400 MW 宜为大型电站，小于400 MW 且大于等于50 MW 宜为中型电站，小于50 MW 宜为小型电站。注意：这里指电站的总装机容量，也就是说，一个电站内可能由多个塔式太阳能光热发电状态系统组成。本课件介绍单个塔式太阳能光热发电状态系统。在塔式太阳能光热发电系统课件中介绍了有关基础知识，本课件是提高篇。对主要组成部分做进一步介绍，并介绍主要工艺流程。
1 集热系统
在聚光型太阳能热发电系统中集热系统由集热场和吸热器组成。本系统采用塔式吸热器，集热场（吸热场）采用定日镜场。
1.1 吸热器
1.1.1 吸热器
目前大中型塔式太阳能聚光热发电系统的吸热器多采用标准管式吸热器，在“塔式太阳能吸热器”课件中已作介绍，这里不再重复介绍。
1.1.2 吸热塔
吸热塔高度通常在200m以上，吸热器与许多相关设备安装在吸热塔的塔顶，要求塔有高强度。为防止风引起的吸热器位移，要求塔有高刚度。首先吸热塔要有坚固的基础，能抗较强的地震。吸热塔可以是混凝土结构，塔的刚度大，不易发生位移，但在内部安装设备与管线较麻烦。吸热塔也可以是钢结构，方便安装设备与管线，但可能由于大风引起位移。近年来常用混合结构型式，即下部采用混凝土结构，上部靠吸热器采用钢结构，钢结构段方便安装各种设备与管线。吸热塔内应设置楼梯与电梯，满足维护检修的要求。吸热塔（吸热器）外壁宜设置校靶区，用于定日镜跟踪准确度的测量。吸热塔顶应设置航空标识。
1.2 定日镜场
定日镜场由多台定日镜组成，聚集太阳辐射到一个焦点的聚光系统。
1.2.1定日镜
定日镜通过双轴跟踪控制的单个或一系列反射单元（子镜），将直射太阳辐射反射到预定目标的设备。在塔式太阳能热发电系统课件中对定日镜做过简单介绍，在此做补充说明。定日镜镜面尺寸应根据机组容量、站址地形、环境气象条件、吸热塔布置及吸热器受热面尺寸，并结合定日镜驱动装置配置，经过技术经济比较后确定。定日镜支架强度应满足定日镜遭遇极端工况时的结构安全要求，满足当地50年一遇最大风速时不发生破坏的要求，满足当地50年一遇的基本雪荷载，能抗冰雹冲击，在大风中不发生弯曲和扭转变形。定日镜要把太阳光准确地反射到远距离的吸热器上，要有很高的运转精度与稳定性。定日镜采用高度角-方位角双轴跟踪（方位-俯仰双轴跟踪）控制，驱动装置可采用回转减速机、电动推杆、液压缸或螺旋升降机等方式，其精确度应满足集热场的整体性能要求。定日镜镜跟踪准确度的测量按照《国家太阳能光热产业技术创新战略联盟标准T/GRLM 02-2014太阳定日镜跟踪准确度测量方法》进行。定日镜宜采用水清洗方式，在缺水和冬季严寒地区，定日镜可采用无水清洗方式。
1.2.2定日镜场
定日镜场是由多台定日镜组成用于聚集太阳辐射到一个焦点的聚光系统。定日镜排列方式可采用辐射交错式、阵列式等多种形式。图1是辐射交错式排列的定日镜场示意图，仅显示半周的排列。辐射交错式排列其优点是有效减少了定日镜的反射光线被正前方相邻定日镜遮挡而造成的能量损失。在辐射交错式排列布置中，定日镜被安装在距离吸热塔不同距离的圆环上，称为镜环。距离吸热塔最近的第一个镜环为基本环，其半径与吸热塔的高度有关，其他环的半径则根据与相邻镜环之间的径向间距的大小来确定，而同一环上相邻定日镜之间的距离由周向间距的大小来确定。环之间的最小径向间距需要保证相邻镜环上的相邻定日镜之间不发生碰撞；镜环之间的最大径向间距需要考虑减小定日镜对其后方定日镜反射光线的遮挡损失，但间距的增加会增加镜场占地面积。

图1 辐射交错式排列的定日镜场
图2是阵列式排列的定日镜场示意图，仅显示半周的排列。定日镜采用阵列式排列相对比较简单，其特点是定日镜按照直线进行排布，每行上的定日镜位于同一条直线上，相邻行之间的定日镜交错布局，不同行之间的行间距相等或者不完全相等，同一行上的定日镜镜间距相等。阵列式排列的优点是可以最大化地运用土地面积，但是其阴影遮挡损失也会相对比较大，特别是距离吸热塔较远的东西两个角落区域。

图2 阵列式排列的定日镜场
定日镜场的布置应结合场年效率、地理位置、自然条件、场地范围、土地利用率等因素，对吸热塔高度、定日镜与吸热塔的距离和定日镜间的距离进行技术经济比较后确定。定日镜的排列要降低阴影损失和遮挡损失。定日镜场的布置应留有检修场地并满足安装运输车辆、检修车辆、清洗车辆的通行要求。定日镜场宜设置驱鸟装置，防止鸟类飞入镜场被烧死。图3是我国敦煌的光热发电站，其定日镜场属于辐射交错式排列布置。（图片来自网络）

图3 辐射交错式排列布置的定日镜场布置

2 储热系统
储热是将能量传递或供应给储热系统的过程。放热是将能量从储热系统中转移或释放的过程。系统采用双罐储热系统，设有冷熔盐储罐与热熔盐储罐，有关熔盐储热罐的基本结构在《聚光太阳能热发电的熔融盐储热系统》中介绍，这里不再重复介绍。有关储热原理与流程在下面热力系统介绍。熔盐冷储罐与熔盐热储罐宜露天布置。熔融盐储热罐区四周应设置不可燃性实体防护堤，防护堤高度不应小于1m，防护堤内有效容积不应小于堤内最大单罐容量。熔融盐循环泵宜选用立式泵布置在储罐顶部。
3 热力系统
图4是塔式太阳能热发电系统框图，图中红色箭头线表示熔盐液走向，兰色箭头线表示水与蒸汽走向。系统储热采用双罐熔盐蓄热，设有低温储热罐与高温储热罐。图中的三通阀符号的开通状态见抛物面槽式太阳能发电热力系统。从吸热塔输出的高温熔盐液直接输入到高温储热罐，高温熔盐泵将罐中的高温熔盐液输送到蒸汽发生系统，把水加热成高温蒸汽，释放热量后的熔盐液进入低温储热罐。低温熔盐泵将冷熔盐液输送到吸热塔再次加热。

图4 塔式太阳能热发电系统工艺流程图

3.1 蒸汽发生系统

蒸汽发生系统是由太阳能加热产生可供汽轮机做功使用的主蒸汽系统。蒸汽发生系统主要由预热器、蒸汽发生器、过热器、再热器组成，根据设计选用合适的管壳式换热器组成，例如预热器与蒸发器可用Ｕ形管式换热器，过热器与再热器可用发卡式换热器。

高温熔盐罐的高温熔盐液（565℃）被高温熔盐泵加压输入到过热器与再热器，然后依次经过蒸汽发生器与预热器，释放热量后的熔盐液（约290℃）流入低温熔盐罐。高扬程的低温熔盐泵把熔盐液输送到吸热器，进行下一次集热循环。

除氧器的纯净水（约250℃）被给水泵加压送到预热器，然后进入蒸汽发生器，水转换成350℃的水蒸气，水蒸气进入过热器后生成550℃的高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽进入高压汽轮机做功，做功后的蒸汽温度降低，要通过再热器升温到550℃成为高温中压蒸汽再进入低压汽轮机做功，推动低压汽轮机旋转，高压汽轮机与低压汽轮机为同轴旋转，一同带动发电机旋转发电。

蒸汽发生系统宜采用露天或半露天布置，对严寒或风沙大等特殊气候地区可采用室内布置。在高温熔盐罐与低温熔盐罐中间建设钢结构框架与平台，用来安装全部的蒸汽发生系统。

熔盐从高温区流向低温区，水从低温加热成高温蒸汽，水的流动方与熔盐的流向相反。从低到高依次布置预热器、蒸发器、过热器、再热器，其中过热器和再热器同层布置。

图5是青海中控德令哈50MW熔盐塔式光热电站的厂房区布置，（图片来自网络，图中文字为本网站标注）。

图5 熔盐罐与蒸汽发生系统的布置

3.1.1 自然循环蒸汽发生系统

系统采用自然循环方式时，水与汽的循环是依靠水汽的密度差来克服设备与管道的阻力推动水循环。蒸汽发生器使用汽包蒸汽发生器，汽包与蒸发器之间布置高差要能克服汽水循环回路的循环阻力，两者间的上升管与下降管较长。图6左图是自然循环蒸汽发生系统工艺流程简图，图中表示了各换热器的上下位置排列，红色箭头线代表熔盐液流向，蓝色箭头线代表水与汽的流向。预热器与蒸发器采用Ｕ形管式换热器，过热器与再热器采用发卡式换热器。

从预热器出来的给水进入汽包，从汽包下降管进入蒸发器被加热成汽水混合物，再从上升管进入汽包，在汽包将水与蒸汽分离，从汽包输出的饱和蒸汽再输入到过热器加热成高压过热蒸汽（主蒸汽）。主蒸汽通过主蒸汽管路进入高压汽轮机做功。高压汽轮机释放热量后排出的蒸汽需进入再热器升温为高温低压蒸汽，输入到低压汽轮机做功。

3.1.2 强制循环蒸汽发生系统

系统采用强制循环方式时，汽包与蒸汽发生器之间的水循环靠强制循环泵的压力流动，其循环推力比自然循环方式大得多，无须考虑汽包与蒸发器间的高差布置，图6右图是强制循环蒸汽发生系统工艺流程简图。

强制循环蒸汽发生系统的压力可控范围大，有利于发电机组滑参数运行。强制循环的循环水动力比自然循环方式的大，换热器的管径可减小，换热器的体积大大缩小。强制循环可采用比较灵活的布置方式，不需要较高的空间布置。

水汽循环工艺流程与自然循环相同，不再介绍。

图6 自然循环与强制循环蒸汽发生系统工艺流程

3.2 回热与给水系统

在整个汽水循环中使用的是纯净水，纯净水不可以浪费，在低压汽轮机做功后的蒸汽必须冷却成水，再次送去蒸汽发生系统进行循环。蒸汽冷却成水是通过凝汽器完成的，凝汽器中装有大量的铜管，管中通有循环冷却水。汽轮机的排汽与凝汽器铜管接触被冷却，放出汽化潜热变成凝结水，凝结水温度一般为40℃左右。吸收热量的冷却成水到水冷却器（冷却塔）降温。

凝结水由凝结水泵输送到低压加热器，低压加热器的热源是从低压汽轮机抽出的蒸汽。该蒸汽在低压加热器释放热量后与凝结水一同再送到低压加热器。水升温至200℃左右送到除氧器进行除氧，因为水中含有氧气就会腐蚀蒸汽发生系统，除氧是必需的。系统采用热力除氧，利用低压汽轮机抽出的蒸汽进行除氧，同时对被除氧的水进行加温。除氧器的水通过给水泵（高压水泵）输送到预热器（高压加热器），进入蒸汽发生系统，进行水汽循环。

蒸汽在循环过程中总会有些泄漏，要对系统系统进行补水，热电厂都有纯净水生产设备，供给系统用水，在正常运转时只是少量补水。可以通过除氧器进行补水，也可以通过凝汽器补水，或通过控制同时对两者进行补水。

4 汽轮机与发电机

汽轮机与发电机安装在汽机房，汽机房要紧靠蒸汽发生系统。汽机包括高压汽轮机与低压汽轮机。550℃的高压过热蒸汽进入高压汽轮机做功，做功后的蒸汽压力与温度都降低了，需通过再热器加热到550℃，进入低压汽轮机再次做功。高压汽轮机与低压汽轮机与发电机同轴旋转。

低压汽轮机采用凝汽式汽轮机，具有抽汽功能。凝汽式汽轮机是有凝汽器的汽轮机，有关介绍见低压汽轮机。汽轮机应具备多段抽汽功能，前段抽汽去预热器，后段抽汽去除氧器。
汽轮发电机根据电站设计选用。

5 储能投运

储能投运是在吸热器输出不足或没有时，由储能系统为发电系统提供能量的运行模式。在多云天气或夜晚进入储能投运，就由热熔盐罐存储的热量提供发电所需能量。热熔盐罐中的热熔盐液通过热罐熔盐泵输送到蒸汽发生系统，把水加热成高温高压蒸汽，释放热量后的熔盐液进入冷熔盐罐，进行下一次集热循环。

蒸汽发生系统与回热与给水系统运行流程与正常运行相同，就不再介绍了。图7 是塔式太阳能热发电系统储能投运工艺流程图。

图7 塔式太阳能热发电系统储能投运工艺流程图

6 燃气供热

辅加热器是通过消耗其他非太阳能燃料加热传热流体的设备，一般使用燃气锅炉。

如果较长时间没有阳光，热熔盐罐存储的熔盐液不足，需通过天燃气锅炉提供发电所需能量。冷熔盐罐中的低温熔盐液通过冷罐熔盐泵输入到天燃气锅炉，熔盐液在锅炉中被加热到565℃，进入热熔盐罐。

其他运行流程与正常运行相同，就不再介绍了。图8 是塔式太阳能热发电系统燃气供热工艺流程图。

图8 塔式太阳能热发电系统燃气供热工艺流程图

7 结语

以上介绍仅为系统的主要的设备与流程，一些数据只作为参考，实际系统根据不同设计会不同。实际系统要复杂得多，一些热交换部件两流体温差大时可能是2级串联，例如低压加热器是由2个或多个换热器串联组成，从汽轮机多级抽出的蒸汽进行加热。预热器也由2个或多个换热器串联组成。

实际系统中管道错综复杂，有各种控制阀门，有多个泵，大量的仪表与传感器。


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