塔式光热发电设计规范包含五大重点技术问题

　　塔式光热发电发展历程

　　塔式太阳能热发电系统的设计思想是20世纪50年代由前苏联提出的。1950年，前苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置，对太阳能热发电技术进行了广泛的、基础性的探索和研究。据不完全统计，1981～1991年的10间，全世界建造了兆瓦级太阳能热发电实验电站20余座，其中主要形式是塔式电站，最大发电功率为80MW。我国2013年7月青海中控德令哈50MW塔式太阳能热发电站一期10MW工程顺利并入青海电网发电，标志着我国自主研发的太阳能光热发电技术向商业化运行迈出了坚实步伐。

　　塔式光热发电原理

　　吸收到的太阳光集中聚焦到塔顶，对传热工作介质加热进而发电的一种聚光太阳能发电技术，不需要管道传输系统，热损减小，系统效率高，同时便于储存热量。塔式的工作介质可用空气、水或水蒸气以及熔盐等。

　　塔式光热发电系统

　　塔式太阳能热发电系统它是在空旷的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔顶上安装固定一个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜，通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器的腔体内产生高温，再将通过吸收器的工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电。即塔式太阳能热发电系统是利用众多的平面反射阵列，将太阳能辐射反射到置于高塔顶部的太阳接受器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电塔式太阳能光热发电是将光能转变为热能，然后再通过传统的热力循环做工发电。塔式太阳能光热发电系统主要由镜场及定日系统、吸热及热传输系统、储热系统、常规岛发电系统组成。镜场及定日系统实现对太阳的跟踪，将太阳光准确反射到吸热器上。位于塔上的集热器将镜面反射的高热流密度辐射能转换为工作流体的热能。

　　1、集热系统

　　集热系统包括单一的镜面、聚光装置、接收器、跟踪机构等部件。

　　2、热传输系统

　　热传输系统主要是传输集热系统收集起来的热能。利用传热介质将热能输送给蓄热系统。传热介质多为水、导热油和熔盐。

　　3、蓄热与热交换系统

　　光热发电技术在蓄热与热交换系统中充分体现了对比光伏发电技术的优势。即将太阳热能储存起来。可以在夜间发电，也可以根据当地的用电负荷，适应电网调度发电。蓄热装置常由真空绝热或以绝热材料包覆的蓄热器构成。蓄热系统中对储热介质的要求为：储能密度大，来源丰富且价格低廉，性能稳定，无腐蚀性，安全性好，传热面积大，热交换器导热性能好，储热介质具有较好的黏性。目前我国正在研究蓄热的各种新技术新材料，更有专家提出用陶瓷等价格低廉的固体蓄热，以达到降低发电成本的效果。

　　4、发电系统

　　用于大型太阳能光热发电系统的汽轮发电机组，由于其温度等级与火力发电系统基本相同，可选用常规的汽轮机；仍需配置相应的除盐水系统、辅机循环水系统。凝气装置目前使用的冷却方式，以空冷居多。虽然光热技术的发电系统类似于火力发电系统，但是还是有一定的区别，这样就要要求汽轮机具有频繁启停、快速启动、低负荷运行、高效性等特点。

　　塔式光热发电调试过程

　　与传统的火力发电厂的调试一样，塔式光热发电也是按照系统来进行分系统调试及整套启动调试：

　　1、与传统电厂一样，需完成常用受电及化学制水，整个施工正常开始。

　　2、镜场、定日系统的安装及自动控制的调试。镜场做为光热电厂的能源来源，在完成单一镜面安装后，需完成单一镜面的控制系统及执行机构的试运调试；在整个镜场的镜面完成安装调试后，对整个镜场的定日系统的追踪调试，及镜场自动化的调试，包括电厂启动过程镜面的投入比例、应对恶劣自然条件的自我保护、镜场的定期自检功能的测试以及后期运行的定期清理等。

　　3、热传输系统，目前分为单一回路和两回路热传输系统。

　　3.1单一回路以水工质为例，水工质塔式热发电技术通过给水泵将给水送至塔顶的吸热器上，在吸热器里直接被加热蒸发产生饱和蒸汽，驱动汽轮发电机系统发电；或是在塔顶添加另一个过热蒸汽吸热器，将高压蒸汽过热后再驱动汽轮发电机系统发电。此单一回路就与传统火电系统相类似。系统在试运行前需进行相应的水冲洗及整个蒸汽管路的吹管工作，避免管路的杂质进入汽轮机对汽轮机产生损害。

　　3.2两回路热传输系统根据集热场载热传热介质不同主要分为：熔盐、压缩空气。目前多用的二元熔盐其主要成分是NaNO3和KNO3。系统流程是290℃的冷熔盐从冷储热罐中抽出至位于塔顶的吸热器，被加热到565℃，然后借重力回到热熔盐储热罐中，再由热盐泵抽出经过蒸汽发生器系统而产生高温高压蒸汽来驱动汽轮机发电系统发电。此系统的调试关键包含熔盐泵的稳定运行、熔盐循环的低温度凝固、熔盐初次的化盐及进盐工作、熔盐罐系统的保温工作。因为熔盐一旦凝固在系统中是不可逆的，对系统是破坏性的。因此熔盐泵的稳定控制，目前一般多设计为变频控制，在上塔管路中增设类似于传统电厂的锅炉给水调节阀，通过流量严格控制集热器出口的熔盐温度。熔盐循环低温度凝固问题，根据熔盐的熔点一般在200多摄氏度左右，为避免太阳下山后吸热器及管道熔盐凝固需消耗大量能量。在日落时，将整个管路中的熔盐回收至熔盐罐；在次日系统重新运行时，通过熔盐管道上环绕电阻丝先对整个管道进行预热，达到预定温度后才充入熔盐。吸热器是靠定日镜系统来预热，在系统启动前，部分定日镜对准吸热器，待其温度升至260℃以上后才充入熔盐和运行系统，从而避免熔盐在系统中凝固。

　　熔盐的初次化盐和进盐工作，在整个镜场及集热系统具备投运条件后，需对系统进盐，而初期的盐为粉末状的固体，初期用蒸汽进行加热，直至固态熔盐熔化为220℃（熔点）液态，经熔盐制备泵加压后再送至电加热熔盐炉，加热至290℃后送至冷熔盐罐，供系统所用。当制备够相应数量后，冷熔盐罐达到一定液位后，启动太阳能集热区的循环，通过集热器将熔盐加热至较高温度（最高565℃），循环储存在热熔盐罐中。当制备的熔盐达到足够数量后，一部分高温熔盐输送至热熔盐罐，然后开启至熔盐制备槽的电动阀，把高温熔盐放至熔盐制备槽中，加入一定量固态熔盐与高温熔盐混合熔化为290℃液态熔盐，由于熔盐量增加，开启两台熔盐制备泵加压，经电加热熔盐炉旁路输送至冷熔盐罐。由此可停用蒸汽加热熔盐炉和电加热熔盐炉，而采用太阳能加热制备熔盐。随着制备的液态熔盐的逐渐增多，可逐渐增加太阳能集热区加入循环，直至所有太阳能集热区投入循环，最后再完成蓄热部分的熔盐的制备。至此，整个的首次熔盐进盐工作完成。由于熔盐的低温凝固特性，二元盐凝结保护是必须的，因为一旦罐体里出现了晶体后就无法再融化，而大面积的凝固后电站就无法再运行，整个罐体的破坏是不可逆的。首先熔盐罐底部的地基由下往上分为以下几部分组成：混凝土层、隔热层、泡沫层和耐热（耐火）层。其次通过两种方法，一是通过熔盐泵来进行罐体内循环；二是通过储热罐中的电加热器来加热保护。每个罐中通常有多组电加热器。当温度降低，电加热系统自动投入运行。

　　3.3.蒸汽发生器系统

　　针对两回路系统，蒸汽发生系统通过热熔盐和水进行换热，产生高温高压的过热蒸汽来推动汽轮机组，带动发电机工作。系统主要包括：预热器、蒸发器、过热器。换热器皆为管壳式，其中预热器、过热器的管侧为水/蒸汽，蒸发器管侧为熔盐，相应的壳侧分别为熔盐和饱和水。太阳能电站的特点是系统可能需要每日起停，包括蒸汽发生系统。当然电站没有足够的储热量时，每日系统重新启动时需对换热器进行预热，使换热器的温度均匀分布后，才进入正常工作状态，产生的高压蒸汽部分来预热汽轮机和蒸汽管路。当然温度和压力达到汽轮机启动要求时，汽轮机就将进入正常启动运行状态。系统的预热需辅助蒸汽，此蒸汽来自储热系统的余量产生。若系统带有大容量的储热系统，因此在天气好的情况下，系统将24小时运行，无需考虑蒸汽发生器系统的预热过程。因此两回路的系统还涉及到蒸汽系统的吹管工作，通过蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽来实现此工作。

　　3.4常规岛

　　经过蒸汽发生器产生的主蒸汽从过热器引出后送到汽轮机做功，做功后的乏汽排入凝汽器。经做功后，汽轮机将蒸汽的热能转变为动能，并驱动发电机发电，发电机将动能转变为电能。汽轮机低压缸排汽在凝汽器中被冷凝成水，凝结水进入凝结水泵，升压后的凝结水经轴封冷却器、低压加热器，最后进入除氧器，除氧器具有加热、除氧及贮水功能。除氧后的给水经给水泵升压后，流经高压加热器分两路进入蒸汽发生系统系统的预热器，然后进入蒸汽发生器。完成整个循环工作。整个常规岛的调试工作与传统火电一致，在此就不做介绍。完成上述的各系统调试运行工作后，整个系统具备投运条件后，整个电厂便具备了生产运行的条件。

　　全球塔式太阳能光热发电项目汇总

　　塔式光热发电设计规范的五大重点技术难题

　　1、太阳能资源评估，塔式太阳能光热电站规划、站址选择，包括我国西北、西南太阳能资源丰富地区的太阳能资源评估；考虑太阳能资源丰富地区平均温度较低，沙尘、高原、大风且水资源相对匮乏等外部环境制约因素对塔式太阳能光热电站规划、站址选择影响等。

　　2、塔式太阳能光热电站聚光系统、总平面布置设计关键技术，考虑太阳光谱特性、大角度入射的像差特性及太阳发散角对定日镜的光学设计影响研究，以及定日镜的位置、塔高、地形、吸热器的接受角等因素对总平面布置的影响等。

　　3、塔式太阳能光热电站吸热（输送）系统、储热系统设计关键技术，传热储热形式、参数以及主要设备性能、参数研究，形成传热储热工质/换热器耦合一体化设计方案。

　　4、塔式太阳能光热电站定日跟踪及集成控制关键技术，包括定日镜跟踪定位技术、控制技术研究，各运行工况下环境气象参数监测、电力系统参数监测、定日镜控制、热力系统、发电系统等的总体控制、协同管理策略研究。

　　5、塔式太阳能光热发电系统设计关键技术，塔式太阳能光热电站的“聚光-吸热-传热-储热-发电”热力系统集成研究，考虑风、沙、水等外部环境因素影响，进行多工况的分析，形成各种气象条件下塔式太阳能光热电站的系统组成方案。