槽式太阳能光热发电系统设计

槽式太阳能热发电概要

槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

槽式太阳能热发电即利用槽式抛物面反射镜进行太阳能热发电。它是将众多的槽型抛物面聚光集热器，经过串并联的排列，从而可以收集较高温度的热能，加热工质产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。槽式太阳能热发电主要由四部分组成：镜场、换热系统、储热装置和汽轮发电装置等部分组成。

 

 

传统的太阳能槽式光热发电系统技术

传统的太阳能槽式光热发电系统技术(如图1)，是以导热油为代表的热载体，利用抛物线的光学原理，聚集太阳能，然后将太阳能汇集到集热管上，集热管中的导热油会吸收太阳的能量，导热油会在太阳能集热场的流动过程中，温度从290℃逐渐被加热到390℃，然后流出太阳能集热场。被加热后的高温导热油一部分流入蒸汽发生器与水换热，然后流回太阳能集热场，而换热的水变成375℃的水蒸气推动蒸汽轮机发电;另一部分高温导热油则通过热交换器与熔盐进行换热流回太阳能集热场，而换热后的高温熔盐将储存在高温熔盐罐中，待夜间无日照时与导热油换热用于夜间蒸汽汽轮机发电。

 

 

新一代的太阳能槽式光热发电系统技术

新一代的太阳能槽式光热发电系统技术(如图2)，是以熔盐为代表的热载体，利用抛物线的光学原理，聚集太阳能，然后将太阳能汇集到集热管上，集热管中的熔盐会吸收太阳的能量，熔盐会在太阳能集热场的流动过程中，温度从290℃逐渐被加热到550℃，然后流出太阳能集热场。被加热后的高温熔盐流入储热系统中的高温熔盐储罐中，其中一部分高温熔盐会从高温熔盐储罐中流出在蒸汽发生器与水换热，然后流回储热系统中的低温熔盐储罐中，而换热的水变成375℃的水蒸气推动蒸汽轮机发电;另一部分高温熔盐则留在高温熔盐储存在高温熔盐罐中，待夜间无日照时继续输出换热用于夜间蒸汽汽轮机发电。

 

 

传统技术和新一代技术的对比

从上面两种技术的论述可以看到，新一代的太阳能槽式光热发电系统技术，主要存在三点不同。

第一，新一代技术直接采用了熔盐代替了导热油作为热载体，熔盐的价格一般为导热油的1/6左右，这样使整个电厂的造价大大得到了降低，另外熔盐无爆炸性危险比导热油作为热载体降低了整个太阳能光热电厂的防火防爆等级，减少了事故发生率也减少了电厂管阀件的采购成本。

第二，采用熔盐直接进行储存，省去了二次换热，这样减少了换热损耗，也使系统更为简单。

第三，采用熔盐后，使系统的运行换热区间由290℃-390℃变化到了290℃-550℃，使换热蒸汽问题从375℃提高到了535℃，使蒸汽轮机的热电转化效率大大提高。

槽式太阳能光热发电系统设计

本控制方案是针对内蒙古鄂尔多斯50MW槽式太阳能电站设计。采用全厂DCS集中控制方式。DCS作为太阳能电站的控制核心系统分为太阳能镜场(SF)控制系统、导热油(HTF)系统控制系统、储热(TES)系统控制系统、汽水循环(SG)系统控制系统、T/G岛控制系统及协调控制系统。DCS系统结构如图1所示。

 

 

1、总体设计方案

本控制系统针对50MW太阳能电站设计。镜场追日采用主动跟踪太阳位置方式，就地执行机构采用液压式，镜场相关设备与DCS之间采用网络通讯方式。太阳能光热发电的各子系统中装配有温度、流量、压力、转速、图像等各种传感器，当系统运行时，大量连续的、间断的测量数据以及报警信号从各子系统通过网络传输至主控系统，主控系统根据程序预先设定的控制策略进行运算、处理，然后实时发出指令至各控制系统，控制相应设备执行相应动作或提醒操作人员进行人工干预，同时记录和显示相关参数，包括系统管道、仪器、指示阀门的工作状态等。本控制方案的设计只针对太阳能镜场控制、HTF换热油控制、TES储能换热控制。

2、镜场控制系统

太阳能光热发电中的镜场部分主要功能是负责太阳能采集，4个太阳能集热组件(SCA)组成一个回路(LOOP)，如图2所示，由156个回路的集合构成太阳集热场区。

 

 

镜场的控制主要由通讯控制系统(SCS)及就地控制系统(LOC)两部分构成。其中镜场就地控制系统由LOC(控制系统)和就地液压执行机构两部分构成，本控制方案中LOC控制原理采用主动跟踪，“开环”控制方式。

考虑到镜场系统占地范围广、监视和控制参数多、设备布置分散的特点，对镜场控制系统及导热油循环系统的现场仪表、控制阀门、马达执行器等设备将以网络通的连接方式接入DCS控制系统，能够有效地减少控制电缆的用量，大大减轻施工工作量，同时达到优化系统设计，降低工程造价的目的。

3、导热油(HTF)控制

在太阳能电站工作过程中，要保证太阳能镜场出口处HTF温度为393℃，通过调节HTF主泵的流量来实现，HTF主泵系统一般采用两运一备方式，当运行泵跳闸后，备用泵投入运行。控制原理如图3。

 

 

当HTF油温度升高时，其体积会有一定的膨胀，膨胀罐内HTF油液位升高，当HTF油液位升高至一定的高度后联锁开启膨胀罐至溢流罐的电动阀门，将HTF油排放至溢流罐中。当HTF油温度降低后，膨胀罐内HTF油的液位下降，利用溢流泵将溢流罐中的HTF油送回至膨胀罐中。同时膨胀罐内设有充氮保护来保证系统安全、维持膨胀罐内的压力，膨胀罐内的压力由充氮管路上的阀门控制。

防凝的控制是要保证HTF的最低设定温度，防止HTF的凝固。在防凝锅炉投运过程时，通过调节天然气进气量和送风量来控制被加热的HTF油的温度。此外还可以利用防凝锅炉加热HTF油进行储热、发电。

4、储热(TES)系统控制

储热系统的控制主要是对储热过程控制与放热过程控制。此外还包括熔盐的防凝、熔盐罐的旁路控制及盐罐的本身的自循环控制。在储热过程中熔盐从冷盐罐中经油盐换热器换热后进入到热盐罐中。

在2个熔盐罐之间设有旁路装置，旁路装置可将热罐内剩余少量的熔盐导入至冷罐中。在盐罐内设有电加热装置用于盐罐内熔盐的防凝，在熔盐经过的管路及换热器上也设有伴热装置以防止熔盐在管路上凝固。

在熔盐储热的过程中需要保证经换热后进入热盐罐内的熔盐达到一定的温度。由于该过程中HTF的流量取决于日照强度及机组负荷情况，所以我们通过调节熔盐的换热流量来控制熔盐的温度，而熔盐的流量由变频泵来控制。

5、结语

该系统设计突破了以往的一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。对数百面反射镜进行同时跟踪，将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上。将底层控制系统由以往的PLC控制升级为DCS系统控制，DCS控制系统可实现复杂的逻辑控制、操作方便、安全可靠。此外还可与全厂DCS系统实现无缝连接、统一管理。