太阳能光热发电汽轮机及主要技术特点分析与研究

王健强，祝昌贵，张书启

（中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330000）

随着环保理念逐渐深入人心，人们越来越注重保护环境。现今国家加大力度保护各种不可再生资源，开始探索利用可再生资源的技术，太阳能就现今而言，开发前景十分广阔，目前太阳能凭借高效、环保、稳定等优点的存在，较其他能源有较多的优势，深受人们的青睐，随着环保意识的提高，人们对可持续利用的能源研究力度加大，太阳能是其中的重点关注对象。在现今阶段，光热发电技术得到了大力发展推行，由于技术原因光热发电仍存在不足，主要的关注重点是如何提升光热转换效率，通过前人的研究结果发现，热功能转换效率对光电转换效率影响效果较为严重，在此加大对动力循环系统的研究，尤其是核心设备汽轮机的技术进行研究探索，对太阳能光热发电汽轮机的未来发展有重要意义。

1 太阳能光热发电技术简述

太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向，主要是通过大规模的阵列抛物或者碟形镜面将太阳能收集到集热装置中，对集热介质进行加热完成光热转换，通过换热装置提供蒸汽，结合汽轮机工艺做功，从而完成发电。采用太阳能光热发电技术，可以代替硅晶光电转换工艺，减少成本花费。另外，此种方式还具有一个较大的优势，较其他能量转换方式更便于使用，通过太阳能光热发电技术可以利用太阳能，并将烧热的水做好储存工作，确保即使太阳落山后的几个小时内汽轮机仍能继续发电。

通常按照热量的收集方式，将太阳能光热发电分为三种类型即槽式、塔式、碟式三种系统。目前，大部分商用化的太阳能光热发电装置都采用汽轮机作为动力循环装置。太阳能发电中光电转换效率是最重要的技术指标之一，热功转换效率在一定的聚光比下，会随着集热温度的增加而增加，但集热效率会随之下降，所以在一定的聚光比和集热温度下，提高热功的转换效率，对于提高太阳能光热发电系统效率有深远影响，想要提高热功转换效率，这需要汽轮机制造技术的支持才可实现，因此应注重汽轮机的技术特点，进而提升汽轮机的制造水平。

2 近年来太阳能光热发电汽轮机的发展简介

太阳能光热发电汽轮机是工业汽轮机在太阳能发电领域的具体应用，近年来随着光热发电技术和汽轮机技术的逐渐成熟得到了很大的发展。现今国内外对太阳能光热发电汽轮机的研究不断加强，这些研究促进了汽轮机技术的改进创新发展。世界上第一个太阳能光热发电站是SEGS，它的光热电站的汽轮机供货商主要以GE、西门子和MAN公司为主。目前国内的许多高校和科研单位也针对汽轮机设计方法和热力系统优化方面进行钻研。

3 太阳能光热发电汽轮机的技术特点

3.1 太阳能光热发电对汽轮机的要求

太阳能环保高效，取之不尽，但也会受到许多因素的制约，如昼夜变化、气候问题、雨雪天气等，所以为了提高汽轮机的使用效果，光热发电技术对汽轮机提出了以下方面的要求：第一是启动的速度，不能启动时间太长；第二是汽轮机要具备频发启停以及快速变负荷的能力；第三是可以保持连续低负荷运行的状态；第四要保证运行效率还需要确保及其安全运行；第五是控制系统要灵活方便，便于控制运行；第六是需要具备与集中式发电项适宜的高容量储存能力。同时，为了满足对于各种运行状态的需要，太阳能光热发电汽轮机与传统的发电汽轮机对技术方面的要求有所不同，有自身的特殊要求。

3.2 光热发电汽轮机技术特点

（1）加强负荷变化适应能力。光照条件随着时间和气候改变会受到影响，所以对于负荷波动适应能力具有较高要求，充分提高太阳能的利用率，光热发电汽轮机需要在运行过程中可以升降符合，同时在夜晚缺乏光照，一般储热条件不足的电站会停止运行，所以对于机组提出了启停能力要求。汽轮机在进行多次启停，同时随着负荷波动增加的状态下，会导致阀门和转子产生较高热应力，处于疲劳运行状态，最终影响汽轮机的使用寿命。

（2）中置变速箱的高低速一次再热机组。汽轮机会受到应用集热量和出口温度的影响。当汽轮机的初参数较低时容量也小，此时，主蒸汽过热度会相应减少，主蒸汽容积流量也会随之减少，限制主蒸汽压力，当排气湿度过大时，汽轮机的叶片也会受到水蚀影响，减缓流通效率。另外，当容积流量较小时，需要更多的多级高转速和小焓降方式应用，来确保不同级别的速度均处在最佳状态。因此，需要多加注意的是，中置变速箱不可以设置到汽轮机中，应用多级高转速和小焓降设计方案后，可以提升动力循环系统，同时，对变速箱也存在一定的损害。

（3）轴向排气。现今光热发电汽轮机为了降低排汽损失，多采用轴向排气方式，此种方式可以提高机组的效率，其次通过滑动方式将凝汽器模块与基础之间紧密连接，确保压轴承箱在任何情况下，它的流通部件动静中心相对位置不会发生改变，同时实现压轴承箱独立落地，进而减少因转子和静子零件之间的摩擦、震动等，降低两者之间通过接触产生的危险隐患。

（4）组装运行维护简单，运行可靠。现今的光热发电汽轮机为了满足运输及安装的便利程度，多采用模块结构设计。另外由于工作环境多位于荒漠、缺水地区等环境恶劣的地方，这部分地区太阳能资源更加便于收集，所以基本上采用的均为空冷凝汽式汽轮机，再根据实际需要，采用适应机组背压变化范围、排汽容积流量大特点的部件。在运行环境恶劣的地方，通常大部分光热发电站由于需要，都会每天进行启停操作。因此需要确保机组可以实现ATC运行模式，另外为了光热发电站的运行质量维持稳定，很多机组都配备了寿命评估系统，针对机组的使用情况给出建议，以实际数据作为依据，针对机组部件的相关因素做好计算，主要计算机组部件蠕变和生命周期内应力疲劳值，根据得出的结果对设备的剩余使用时间进行评估，及时监督几组的整体情况，进而保证设备可靠安全稳定的运行。

4 光热发电汽轮机未来发展趋势

4.1 在整体系统优化中的作用

通常传统的汽轮机多是根据集热场出口温度确定自身初参数，这种方式并没有充分发挥应有的作用，在整个太阳能光热发电系统优化中，需要从整体角度出发，以总体效率和经济水平为最终依据。随着系统集成优化技术的发展，在未来会综合考虑储热等因素的影响，加强储热因素对汽轮机影响左右的研究，做好储热因素对汽轮机初参数和集热场出口温度的优化工作，加强对于集成储热系统中光热转换与热功能转换技术的重视，重视整体优化技术的研究，加强对光热系统设计研究的探索。

4.2 机组容量

汽轮机容量增加，可以提高热功转换过程的效率。目前，世界上太阳能光热发电汽轮机的单机容量约为130MW，但仍有提高的空间。太阳能光热发电汽轮机的容量增加，代表着太阳能光热发电站需要更多的面积容纳基础建设，意味着聚光镜和换热器之间的距离增加，同时余力的变大，会带来光热转换效率下降的后果。

4.3 负荷适应性

汽轮机为了配合光热发电站的技术需要，满足光热发电快速启停和负荷的要求，多数都是采用较大的通流动静间隙，过大的流通间隙，在一定程度上降低了流通效率。同时，汽轮机的汽缸和阀门多采用薄壁结构，这种薄壁结构由于自身的特点，会一定程度上限制压力和容量的提升。随着未来的科技水平的发展进步，越来越多的技术会应用在光热发电领域，储热技术在光热发电领域的应用也会越来越广泛。依靠储热系统对热量的快速吸纳和释放，保证汽轮机符合要求可以平稳过渡，这在一定程度上可以减缓汽轮机的负荷变化速率，并通过将汽轮机的负荷与太阳光照强度解耦，降低机组启停和变换负荷时的热应力、热膨胀和热变形，提高汽轮机的使用寿命。不断加强光热发电系统控制技术的研究，从制造、储热技术等多方面降低太阳能光热发电对汽轮机启停和负荷变化速度的要求，这是光热发电系统未来优化研究的主要方向。

4.4 自动控制技术

太阳能光热发电站多数建立在不适宜人群居住之地，多数位置偏远，常常是沙漠等地区。干旱缺水的环境特点决定了发电站的机组采用直接空冷方式。同时，恶劣的气候条件也对机组的监测和自动化控制水平提出了更高的要求，需要在设计发电站是做好统筹规划工作，根据实际情况，结合互联网的强大功能，运用智慧电厂、智能电网等发展理念，创造太阳能光热发电系统设计的新局面，另外，随着自动化技术的进步，在未来一键启停、远程操控是发展的必然趋势。

5 结语

随着现今地球环境问题日益严重，资源压力日益增加，开发新能源已经迫在眉睫，目前，太阳能以其清洁、高效的特点成为人们的研究重点，太阳能光热发电系统的研发为环境资源保护问题带来了新的方向，同时，对设备的制造技艺也提出了更高的要求，为汽轮机的未来发展带来了更多的挑战，目前，经过多年的研究探索，集热过程已经取得了重大进步，现在的主要任务是集成优化动力循环过程，当前的动力循环研究现状还需要提高，需要投入更多的关注，除此之外，加强汽轮机制造设计方面的研究，进而确保太阳能光热发电的安全性、可靠性，促进太阳能光热发电系统性能全面提升。