导热油槽式光热发电系统多操作模式设计

孙仁龙，刘亚琪

（中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司，天津 300450）

太阳能光热发电集发电与储能为一体，是可代替化石能源电站担当基础负荷和调峰负荷的绿色电源，目前光热发电技术主要分塔式、槽式、碟式、菲涅尔式四大类，四种模式各有千秋，各有所长。

塔式设计为点式聚焦系统，其利用大规模的定日镜组成阵列，将太阳辐射反射并积聚到吸热塔顶部的吸热器对内部工质进行加热。塔式电站最大的优势在于热传递路程短，损耗小，聚光比和温度都比较高，且规模大。但塔式的特性也决定了它不能小型化，无法建立分布式系统，因此对土地占用多，前期投资大，技术门槛也比较高，建设难度大。

槽式路线属于线性聚焦系统，是通过槽式抛物面聚光镜面，将太阳光汇聚在焦线上，并在焦线上安装管状集热器，从而吸收聚焦后的太阳辐射能。槽式系统的优点在于技术最为成熟，且各个环节的设备本身比较简单，大批量生产安装的难度不大，维护成本也更低。这使得该技术路线成为了目前装机量最大的光热电站类型，但由于其集热效率偏低，无法将导热介质加热到太高温度。

菲涅尔式同样属于线性聚焦系统，整体设计与槽式差别不太大，但结构更加简单。它采用靠近地面放置的多个几乎是平面的镜面结（带单轴太阳跟踪的线性菲涅尔反射镜），先将阳光反射到上方的二次聚光器上，再进一步汇聚到管状集热器上，然后加热导热介质进行发电。涅菲尔式的聚光能力在所有路线中最差，对工质的加热能力也比较弱，导致了整体发电效率比较低。

碟式系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射太阳光聚焦到焦点上，通过焦点处放置的斯特林发电装置进行发电。碟式是最为特殊的一条光热技术路线，其在设计上与另外三条路线差异巨大。槽式、塔式、菲涅尔式系统均是在大范围内聚热后，将热能集中进行利用，但碟式则是由独立的模块就地进行热电转换。

1 槽式系统技术

槽式系统技术成熟，在国际上有30a以上商业运行经验。集热装置采用真空玻璃管结构，即内管采用镀有高吸收率选择性吸收涂层的金属管，管内走加热介质，在外面为玻璃管，玻璃管与金属管间抽真空以抑制对流和传导热损失。导热油槽式集热器见图1。

图1 导热油槽式集热器

导热油槽式光热发电系统一般由太阳岛、热力岛及常规岛三大部分组成，其中热力岛连接太阳岛与常规岛，是能量转换的核心，热力岛主要由以下四部分组成：

1）导热油系统，主要包括主泵系统、循环泵系统、膨胀系统、加热炉系统、回收再生系统组成。

2）蒸汽发生系统。

3）熔盐储热系统。

4）空压制氮、LNG等辅助系统。

其设计基本流程为：在太阳岛中，低温导热油经多个槽型抛物面聚光集热器加热升温，吸收能量，加热导热油；在热力岛中，高温导热油与油水换热器进行热交换产生过热蒸汽，或与油盐换热器进行热交换加热熔盐，进行储能；在常规岛中，高温蒸汽推动汽轮机做功发电。导热油槽式发电系统见图2。

图2 导热油槽式发电系统简图

2 热力岛多操作模式设计

不同地域、不同季节、不同时段，太阳照射强度不同，以及能量的波动性，势必造成系统的不稳定，为保证系统的长期安全高效运行，特提出以下12种操作模式：

模式1：导热油经镜场加热后仅与油水换热器换热，主要适用于太阳能仅满足蒸汽发生系统所需能量要求或当熔盐系统储能已满。

模式2：导热油经镜场加热后同时与油水换热器、油盐换热器换热，主要适用于太阳能同时满足蒸汽发生系统和熔盐系统所需能量要求，且熔盐系统储能未满。

模式3：导热油与油盐换热器换热后升温，再通过油水换热器将能量传递给蒸汽发生系统，主要适用于没有太阳能可用情况。

模式4：导热油经镜场加热后仅与油盐换热器换热，进行储能，主要适用于蒸汽发生系统故障，或太阳能能量密度低情况下。

模式5：导热油经镜场加热后升温，再与油盐换热器换热后继续升温，最后通过油水换热器将能量传递给蒸汽发生系统，适用于太阳能不足以满足汽轮机满负荷运行，需要借助熔盐系统提供额外能量。

模式6；防凝模式，通过循环泵的运行，防止导热油凝固，必要上可通过加热炉补充热量。

模式7：熔盐通过额外的光伏或风能加热，进行储能，此模式待后续开发。

模式8：导热油经过加热炉加热升温后与油水换热器换热，满足蒸汽发生系统低负荷运行。

模式9：导热油先与油盐换热器换热升温，再进入加热炉加热，后与油水换热器换热。

模式10：导热油一路与油盐换热器换热、一路进入加热炉加热，二路导热油混合后与油水换热器换热。

模式11：导热油经加热炉加热升温后与油盐换热器换热，熔盐系统进行储能。

模式12：紧急停机。热力岛工艺流程简见图3。

图3 热力岛工艺流程简图

各操作模式下热力岛系统状态情况见表1，各操作模式下导热油系统物料平衡见表2。

表1 各操作模式下热力岛系统状态情况表

表2 各操作模式下导热油系统物料平衡表

续表

全厂采用一套分散控制系统（DCS），将辅助车间和辅助系统纳入DCS控制系统，实行全厂集中控制一体化。机组的顺序控制按照机组、功能组、子功能组及驱动级设计，保护联锁逻辑能使主辅机在各种运行工况和状态下自动完成各种事故处理。DCS操作台上配置机组硬接线紧急停止按钮及重要辅机的硬接线操作按钮，以保证机组在紧急情况下安全停机。除启停阶段的部分准备工作需由辅助运行人员协助检查外，机组正常运行工况的监视、调节、控制、报警、连锁保护控制、异常工况的启/停、报警和紧急事故处理均可在集中控制室完成。储热系统和导热油系统部分采用远程I/O站通过光纤分别接入到主机DCS控制系统。

3 结论

根据太阳能光照强度的变化，提出了槽式光热电站12种操作模式的设计方案，提高了光热发电的适用性及灵活性，保证了电力系统的稳定、安全、高效运行，对于助力实现“2030年碳达峰”和“2060年碳中和”目标具有重要作用。