槽式太阳能热发电系统的配置设计

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doi 10． 3969 /j ． issn ．1009 － 3230． 2015． 10． 011槽式太阳能热发电系统的配置设计辛宏（黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001）摘要基于槽式太阳能热发电示范项目的工艺流程、系统配置，结合全球太阳能热发电技术发展趋势和当地具体建设条件，提出太阳能－燃气联合循环系统设计思路、明确了该类项目的发展方向。降低项目投资水平，提高运行安全性、稳定性。关键词太阳能热发电槽式太阳能联合循环中图分类号 TK514 文献标志码 B 文章编号 1009 － 3230（ 2015） 10 － 0041 － 05Configuration Design Trough Solar Thermal PowerGeneration SystemXIN Hong（ Energy Conservation Service Center of Heilongjiang Province ， Harbin 150001， China ）Abstract Based trough solar thermal power generation demonstration project process， systemconfiguration， combined with the development trend of global solar thermal power technology and localconstruction conditions specific proposed solar － gas － fired combined cycle system design ideas， aclear direction of development of such projects ．Lower investment levels， improve operational safetyand stability ．Key words Solar thermal power； Solar trough； Combined cycle0 引言收稿日期 2015 － 08 － 20 修订日期 2015 － 09 － 10作者简介辛宏（ 1983 －），女，毕业哈尔滨商业大学，国际经济贸易专业，现从事节能方面研究与测试工作。经过 40 多年的发展，中国航天技术在一些重要领域已经达到世界先进水平，很多核心技术在太阳能热发电领域内，也有广泛的应用。太阳能热发电是通过聚光技术、蓄热技术，将太阳能与常规发电技术结合产生电力输出。是可再生能源发电中最有前途的发电方式之一。内蒙古 50 MW 槽式太阳能热发电示范项目拟选厂址位于位于内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗西部巴拉贡镇的可再生能源开发区，属于太阳能光热资源富集的库布其沙漠区域。厂区海拔1 176． 90 m，年平均环境温度 8 ℃ 。该项目是内蒙古自治区第一个太阳能资源开发利用项目，对我国槽式太阳能热发电的开发建设和推广具有引导和承前启后的关键性作用。对保护环境、减少污染、节约煤炭资源将起到积极作用。由于太阳光照强度随机变化，如云遮日或短时阴天，致使太阳能热发电系统的工作具有不稳定性和不可控性。为尽量避免发电系统频繁的启停和负荷过大波动，维持太阳能热发电系统稳定运行，太阳能与其他能源互补的发电系统倍受青睐。如美国科罗拉多州的帕利塞德（ Palisade， Colorado）装机容量为 49 MW 的燃煤电厂，设计 1 MW 的太阳能电力。由光场的太阳能集热器通过热交换器与常规电厂给水系统相连接，向锅炉提供预热水。利用太阳能减少化石燃料耗量。容量最大的光煤互补模式是澳大利亚昆士兰州（ Australia， Queensland）142015 年第 10 期（总第 214 期）应用能源技术Kogan Creek 火电厂。电厂容量 750 MW 再加44 MW太阳能。墨西哥 Prieto 电厂采用太阳能和地热互补的联合循环。地热电站容量 4 25 MW汽轮发电机组，太阳能电力设计容量 40 MW。在有天然气的地区，整体化太阳能－燃气联合循环（简称 ISCC）是首选方案。当太阳能资源充足时，燃气轮机发电机组与汽轮发电机按太阳能－天然气联合循环（ ISCC）方式运行。当太阳能资源不足和夜间，燃气－蒸汽联合循环可按照电网需求以常规方式运行。通过调节燃气轮机出力减小或消除整个系统负荷变化幅度，克服了纯槽式太阳能热发电项目受外部环境影响导致的负荷变化大、对电网产生较大冲击的缺点。这样既能得到清洁环保的能源，又能发挥传统可靠、稳定供电之长。这种互补型发电厂，可以增加发电量、降低矿石燃料的消耗量、缓和绝大多数可再生能源技术无法持续发电的特性。太阳能－燃气互补联合循环是低碳环保的发电系统。ISCC 太阳能－燃气联合循环发电系统，是在燃气一蒸汽联合循环的基础上增加太阳能输入的互补发电系统。系统采用纯太阳能集热、换热部件作为太阳能锅炉，通过蒸汽轮机的扩容，提高联合循环的发电量。国外 ISCC电站是在已有燃机电站的集础上，增加太阳能容量辅助发电。采用的运行方式主要是节省燃料，在太阳能运行期间，降低燃机发电机组负荷。而且太阳能容量都很小，不需对原发电系统做实质性改变，仅将太阳能换热器与余热锅炉适当连接。如（ 1）阿尔及利亚 150 MW 燃机太阳能35MWe 联合循环电站电站位于北阿尔及利亚的 Hassi 地区，由150 MW燃气联合循环机组和 25 MWe 槽式太阳能热发电机组组成。（ 2）摩洛哥 250 MW 燃气轮机 20 MWe 太阳能联合循环电站电站位于摩洛哥东部的 Oujda 地区， 250 MW燃气联合循环机组 20 MWe（额定）或 30 MWp（最大）槽式太阳能。（ 3）埃及 Kuraymat 联合循环电站，装机容量150 MW。燃气轮机组容量 80 MW，汽轮机组 70 MW（带太阳能发电）和 38 MW （不带太阳能发电）。蒸汽为介质的无蓄热发电。正在设计或建设的电站有（ 1）印度 140 燃气轮机 35MWe 太阳能联合循环电站电站位于印度的 Mathania 地区， 140 MW 燃气联合循环机组 35 MWe（额定）槽式太阳能。（ 2）伊朗 2 157 MW 17 MWe（ 3）约旦 140 MW 35 MWe1 典型太阳能光热电站技术方案以内蒙巴拉贡太阳能光热电站工艺方案为例，简介各系统。电站主要由聚光系统、集热系统、换热系统、储热系统、发电系统、辅助系统组成。如图 1 所示。聚光、集热是整个电站的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，产生高温，加热导热油工质。换热系统采用双回路，即接收器中导热油被加热后，在换热系统中再传热给水产生蒸汽。换热系统一般由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。储热系统是用熔融盐将太阳能热储存起来，当太阳光照减弱或晚间再逆向换热发电或维持系统循环。该项目设计四小时储热。辅助系统由燃料气系统、燃气锅炉和防凝加热装置组成。主要是在晚间或太阳能电站停运期间为防止导热油凝固而设计的加热系统。辅助系统燃用天然气，由内蒙西部天然气股份有限公司的长乌临输气管道巴拉贡站供给。辅助加热系统设置两台 5 T/h 燃气锅炉（同时作为启动锅炉），主要功能是 ① 云遮太阳或太阳落山后，太阳能集热区停止工作发电中断期间，加热并维持导热油循环，防止导热油凝结； ② 厂区冬季取暖； ③ 机组启动时给水除氧和轴封用汽。24 应用能源技术 2015 年第 10 期（总第 214 期）图 1 太阳能热发电系统图发电系统组成与常规火力发电厂基本相同，换热区产生的蒸汽导入汽轮机中膨胀做功，并驱动发电机发电。从太阳集热区收集并集中的太阳辐射被转换成电力并送到电网上。2 问题的提出综上所述，为弥补太阳能光热具有不连续性并解决导热油需加热维持循环的的需要，采用燃气轮机与太阳能光热互补是目前国内外太阳能光热发电的最佳配置。这就是文中的建议和问题，旨在抛砖引玉，期望大家集思广益，使太阳光热项目迅速发展。鄂尔多斯位于内蒙西部，煤和石油天然气储量丰富，是我国重要的能源基地。当地资源条件非常适合设计、建设太阳能与燃气轮机联合循环，即光热与燃气互补的发电项目。保留原设计方案中的聚光、集热、换热、储热、发电系统不变。取消辅助系统的两台启动锅炉。增设燃气轮机发电机组、余热锅炉。各系统原理、结构（如图 2 所示）主要系统简述如下图 2 太阳能－燃气联合循环系统图342015 年第 10 期（总第 214 期）应用能源技术① 聚光、集热系统由二十八个反射镜和三个集热管组成太阳能集热器单元，八个太阳能集热器单元组成一个太阳能集热器组合，六个太阳能集热器组合组成一个太阳能集热器回路。一百六十个太阳能集热器回路构成太阳能集热场。集热场是整个系统的核心，南北平行排列的槽式集热器通过对太阳进行由东向西的跟踪，槽式集热器将太阳的直接辐射汇集在集热管上，集热管中的热传导液体（导热油）被加热到约 393 ℃ 。导热油，一种透明、水状无色的低熔共晶混合物，由二苯醚（约 73． 5 ）和联苯（约 26． 5 ）组成。凝固点 12 ℃ 。② 换热系统在太阳能集热系统加热的导热油送到换热系统依次通过太阳能过热器、太阳能蒸汽发生器、太阳能预热器来加热给水进而里产生高压蒸汽和再热蒸汽。太阳能过热器产生的过热蒸汽再送到余热锅炉进一步过热，提高做功能力。在云遮日或无太阳能时，燃气轮机低负荷运行，由余热锅炉代替燃气锅炉保证系统最低热负荷要求。热力系统从余热锅炉中抽取高温给水送往太阳能蒸汽发生器和过热器，产生的高压蒸汽送回余热锅炉中进行过热。太阳能蒸汽发生器改变了余热锅炉中蒸发段和预热段及过热段的比例，从而提高蒸汽循环的效率。③ 储热系统由两个储罐、传输泵、热交换器、管路组成。无机硝酸盐（简称熔盐）混合物作为储热载体。凝固点 143 ℃ 。稳定工作范围 220 ～ 500 ℃ 。两个储罐，一个储存热熔盐，一个储存冷熔盐。④ 燃气轮机发电机组国内可以生产或合作生产的燃气轮机发电机组有 PG6581（ B）、 H － 25 和 UGT25000。其容量与 50 MW 太阳能匹配比较合适。可以依据具体项目情况计算选取，本项目建议采用 PG6581（ B）。其主要性能参数见表 1 － 3。表 1 PG6581B 燃气轮机序号项目单位 ISO 工况备注1 燃机功率 MW 42． 12 燃机效率 32． 13 排气流量 ib 311表 2 H － 25 燃气轮机序号项目单位 ISO 工况备注1 燃机功率 MW 312 燃机效率 34． 83 排气流量 ib 207表 3 UGT25000 燃气轮机序号项目单位 ISO 工况备注1 燃机功率 MW 25． 682 燃机效率 35． 63 排气流量 ib 192． 9汽轮机技术条件额定功率 50 MW机组型式一次中间再热、直接空冷、凝汽式主蒸汽参数 218 t/h ； 9． 5 MPa． a； 383 ℃再热蒸汽参数 309 ℃ ， 175 t /h ； 2． 07 MPa；383 ℃给水温度 240 ℃额定转速 3 000 r /min汽轮发电机组的容量、技术参数选择应依据具体情况进行分析计算。并应充分借鉴中低温余热发电的研究成果，使系统配置更完善、更合理。3 运行方式机组按常规燃气蒸汽联合循环方式启动、预热。当太阳辐射达到一个特定低值时，太阳能集热系统开始工作，导热油逐渐升温。在导热油升温至与换热器中残余蒸汽温度相同之前，导热油通过换热器旁路回流至集热场，当集热场导热油出口温度等于或大于蒸汽发生器内残余蒸汽温度44 应用能源技术 2015 年第 10 期（总第 214 期）时，导热油进入蒸汽发生器进行换热。产生的过热蒸汽进入余热锅炉过热段进一步过热，然后进入汽轮机开始发电。若太阳能集热场的热产出超过太阳能蒸汽发生系统的出力（或超过汽轮机额定负荷）时，多余导热油将流向热储能岛，通过热储能岛的导热油熔盐换热器将导热油中热量传递给熔融盐，并将熔融盐储存在热储能储罐中。在有云遮挡的情况下，太阳辐射较低，太阳能集热场不能产生足够的能量来满足负荷要求，此时，需用储能系统来弥补这一不足；若云遮挡持续时间较长，储能系统无法满足负荷要求时，维持导热油小流量循环；当集热场汇集的能量不能正常工作时，太阳能热系统停机，进入常规燃气－蒸汽联合循环运行，根据调度要求调整负荷。集热场可随太阳继续跟踪，导热油通过换热器旁路管道在集热场内部循环。当电网富裕电量时，降至三分之一负荷运行，余热锅炉产汽维持导热油系统循环。必要时，燃气轮机发电机组停机，启动补燃系统工作以便维持导热油系统循环。4 结束语太阳能热发电是解决能源短缺、环境污染和温室效应等难题的一个重要途径。太阳能－燃气联合循环可以有效避免单纯太阳能热发电系统由于太阳能辐射造成的不稳定，而且可以取消昂贵的蓄热设备，提高了太阳能热发电效率，还可以有效减少化石燃料的耗费，减轻环境污染。采用太阳能－燃气联合循环，可以大幅度降低单位千瓦造价和运行成本，并避免由于太阳能光热的不稳定性造成电力输出波动，对电网产生的不利影响。借鉴国外太阳能－燃气联合循环设计、运行经验，结合内蒙巴拉贡太阳能电站的客观条件，在不改变原基本设计方案条件下提出电站的太阳能－燃气联合循环扩展设计方案。太阳能－燃气联合循环是未来太阳能热发电的发展趋势，其应用和推广意义重大。参考文献［ 1］布仁，王雷．内蒙古巴拉贡槽式太阳能热发电示范项目工艺简介［ J］．内蒙古科技与经济， 2009（ 5） 111 － 112．［ 2］内蒙古 50 MW 级槽式太阳能热发电示范项目可行性研究报告［Ｒ］．［ 3］闫鹏，张钧，李惠民，等．太阳能－燃气联合循环发电概况及我国建设条件分析［ J］．电力勘测设计， 2011（ 4） 24 － 29．［ 4］田增华，吴卫，张钧．槽式太阳能与天燃气联合循环发电技术研究［ J］．电力工程技术， 2011（ 9） 65 － 70．［ 5］李少宁，徐二树，石磊．太阳能辅助燃煤电站一体化发电技术［ J］．电力建设， 2010（ 1） 7 － 10．［ 6］刘鉴民．太阳能利用原理 · 技术 · 工程［ J］．电子工业出版社， 2010．［ 7］郑建淘，裴杰．我国聚光型太阳能热发电技术发展现状［ J］．热力发电， 2011（ 2） 8 － 9．542015 年第 10 期（总第 214 期）应用能源技术