塔式光热技术应用探讨

全明福

（鲁能集团（都城伟业集团）有限公司青海广恒新能源有限公司，西宁810000）

1 某项目塔式光热发电技术概述

塔式光热发电系统主要由以下3 部分组成：由4400 个定日镜（单个定日镜达138.6m2）和位于塔顶的吸热器构成的太阳能聚光集热系统；冷/热盐罐、冷/热盐泵和蒸汽发生器组成的储换热系统；汽轮发电机组及其辅助设备组成的发电系统。

定日镜场实现对太阳的实时跟踪，将太阳光反射到吸热器表面。冷盐罐中的传热流体通过冷盐泵输送至位于高塔上的吸热器，吸收由定日镜反射来的热量，升温至约565℃。高温熔盐通过管道输送至热盐罐，再通过热盐泵输送至蒸汽发生器加热给水，产生约540℃的超高压过热蒸汽，推动汽轮发电机组发电。蒸汽发生系统配置再热器，匹配汽轮机以提高机组循环效率，同时配置空冷式凝结器和机力式辅机冷却塔，节约大量水资源。

2 塔式光热发电的关键设备

2.1 集热系统构成

集热系统中主要包含吸热器、入口罐、缓冲罐、压缩空气系统和支撑结构组成。吸热器位于塔顶端，用于吸收定日镜反射的太阳能，并将其内部的熔盐加热到565℃。

2.1.1 吸热器

吸热器的结构如图1 所示，为圆柱形结构（实际为正多边形），直径为14m，表面的有效受热高度为12.76m，吸热器的吸热管由12 组管屏构成，每组管屏中有吸热管、集热箱以及吸收装置等，吸热器的功率为280MWt。

图1 吸热器和管屏结构图

吸热管屏由镍合金（SB626 N06230）制成，其外表面涂有吸光性和耐高温性较好的涂料（Pyromark 2500 黑色涂料），吸热器中的盐流分为2 个并联回路，盐以蛇形方式流过每个回路：在一些管屏中，流动方向是自下而上，而相邻的流动方向是相反的。

为方便管理，在吸热器中加装了部分辅助装置，包括用于检测管屏温度的热像仪、电加热箱以及辐射计等，这些装置与控制塔式发电系统的计算机连接，通过计算机对整个装置进行管理，其所显示的是管屏内侧的温度。

2.1.2 进口缓冲罐

进口缓冲罐与管屏中的上升管连接，可容纳装置在紧急事故下运行60s 需要的熔盐的容量。缓冲罐与压缩空气装置连接以维持罐内的压力，在塔式装置的管屏出现断流现象时，缓冲罐会为管屏提供额外的熔盐，防止吸热器因干烧而损坏。

进口缓冲罐的材料为碳钢，熔盐首先存储在冷盐罐中，冷盐罐与进口缓冲罐连接，熔盐先流经进口罐，装满进口罐后进入管屏中。当塔式装置发生故障使熔盐无法流动时，例如，冷却泵故障时，定日镜需要一定的时间散焦，而在此时间内，压缩空气装置将驱动进口罐将其中的熔盐送入管屏中维持装置的工作，防止装置因过热损坏。

2.1.3 压缩空气系统

用以驱动进口缓冲罐在冷却泵故障时将其中的熔盐注入到管屏中，塔式装置配备2 台压缩机，1 台主用1 台备用。该装置由紧急压缩机、干燥机、增压机、储气罐和检测仪表等组成。空气压缩机位于进口缓冲罐下部，采用闭式水冷装置，冷却温度为39℃。

2.2 储热系统构成

塔式装置的储热系统是为了应对太阳能资源的不稳定、不连续以及受环境影响大的缺陷而设计的，储热装置由冷盐储存系统和热盐储存系统组成，配备储热装置的塔式装置发电更加稳定，可应对电网的日常供电。

储热系统用于存储熔盐，主要设备包括：冷盐罐、热盐罐、冷盐泵、热盐泵、调温泵等。其中冷盐泵、调温泵位于冷盐罐中，将低温熔盐打入吸热器，吸收太阳能温度升高后，返回热盐罐。热盐泵位于热罐中，将高温熔盐泵入蒸汽发生系统与水/蒸汽换热产生过热蒸汽。

2.2.1 冷盐储存系统

冷盐储存系统储存温度约298℃的冷盐，其罐体的最大承受温度为400℃，最高状态运行的最高温度为370℃，正常状态的运行温度为298℃，其材质为碳钢材质，罐体容积为9700m3。

冷盐罐在塔式装置负载较低时，例如，多云或气温较低，日照较差的天气时，此时装置加热熔盐的效率将下降，被加热的熔盐进入冷盐罐中储存，外部的熔盐进入冷盐罐时将使罐内发达温度上升，罐内的熔盐越少温度上升越快。

2.2.2 热盐储存系统

热盐罐的罐体材料为A240 Gr347H 不锈钢，设计温度为595℃，正常工作温度为565℃，盛装温度高于400℃的高温熔盐。热盐储存系统用于当太阳能资源过剩，超出塔式装置的既定工作负荷时，将额外的能量通过高温熔盐的形式储存到热盐罐中，热盐罐中的循环泵会将罐中的高温熔盐输送到蒸汽发生器中，产生蒸汽驱动汽轮机发电。

2.2.3 熔盐泵

在塔式熔盐电站中的熔盐泵分为冷盐泵、热盐泵和调温泵，熔盐泵一般为立式液下泵，布置在储罐上部的泵支撑平台上。其配置的基本原则为保证电站安全、经济运行。

调温泵选型时需考虑启动阶段逐渐提升进入蒸汽发生器的熔盐温度，且在汽轮机停运阶段，输送小流量的低温熔盐（约298℃）至蒸汽发生器，以防止系统中局部熔盐温度继续降低，且产生厂用辅汽。若系统中其他泵或设备可实现此功能，也可不单独设置调温泵。

对于配置储热的塔式熔盐电站，在午后高温熔盐罐内的熔盐液面多处于高位，相应的低温熔盐罐内的液位处于低位。午后吸热器产生的高温熔盐流量越来越小。

冷盐泵将输送很小流量的熔盐去吸热器吸收热量，以保证吸热器出口熔盐温度在设计值附近（约565℃）。若泵的变频范围不能满足吸热器低负荷运行需求的较小流量，则吸热器出口温度会降低。

熔盐泵可配置多台非全容量泵或2 台全容量，在任何一台泵故障时，其余泵出力可满足蒸汽发生器额定负荷运行。目前，50MW 等级的塔式熔盐电站，典型的配置为3 台50%吸热器冷盐泵、2 台100%容量热盐泵和2 台100%容量调温泵。

3 塔式光热发电的技术优势

塔式与槽式、菲尼尔式、蝶式发电技术相比，塔式光热发电具有聚光比高、工作温度高、光电效率高、工质流程短、热损失小及维护方便的优势。虽然塔式光热发电优势较大、商业化项目较多，但其属于新型技术，目前相关的技术研究与配套设施等尚不成熟，成本较高，因此，对塔式光热发电技术需进一步研究和优化并大规模应用。

4 结语

塔式光热发电技术是一项新型太阳能利用技术，具有转换效率高、配套设施方便等优势，非常适合应用于我国西部日照资源丰富的地区，因此，本文对塔式光热发电的关键技术进行了研究。塔式发电具有聚光比高、工作温度高、接收器面积小等优势，适合在我国西部日照资源丰富且面积较大的地区推广应用，为此，需要进一步研究和优化塔式发电技术，降低成本，使其早日成为电网的支撑。