导热油槽式太阳能光热电站集储换热岛性能试验分析

于英利，王研凯，张智羽，韩 义，韩 元

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

太阳能光热发电作为一种完全清洁的发电方式，具有发电稳定连续等优点，在国内外得到了大力推广。与传统化石能源发电方式相比，太阳能光热发电避免了燃烧化石能源带来的污染；与光伏发电方式相比，节省了光伏发电技术中昂贵的硅晶材料，降低了发电成本。通过光热转换获得价格低廉、形式简单的热能进而发电，与储能装置相结合，较好地解决了太阳能光热发电的稳定性、持续性问题，促进了太阳能光热规模化利用[1]。

槽式太阳能发电系统以其结构简单、技术成熟、中温蓄热、利于联合运行等特点，成为首先进入商业化生产的太阳能热发电技术。目前我国槽式太阳能光热电站主要分布在青海省、内蒙古自治区、甘肃省、河北省等太阳能资源较为丰富的地区，发电装机容量以50 MW为主，少量装机容量达100 MW及以上。随着槽式太阳能光热电站的大量建设与商业投产，电站性能验收工作逐步增多。目前，针对槽式太阳能光热电站的性能试验标准还不完善，尤其对于集热/储热/换热系统（以下简称集储换热岛）的性能考核验收尚属空白。本文借鉴电力行业发电设备系统性能考核验收思路，对槽式太阳能光热电站集储换热岛性能试验的工作内容、技术指标等进行阐述。

1 系统简介

典型的槽式太阳能光热发电系统主要分为聚光集热系统（太阳镜场）、储热系统、换热系统、常规发电系统和辅助能源系统等。

聚光集热系统是槽式太阳能光热发电系统的核心，它由多个聚光集热单元组成，太阳辐射能聚焦到聚光集热器，将太阳能转化为热能传导入热传输介质，如导热油、水或熔盐中。储热系统是在太阳辐射较强且发电负荷较低情况下，将多余的热量储存起来，以便在太阳辐射不足或夜晚时释放热量供换热系统利用。换热系统由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器等组成[1]，换热系统也叫蒸汽发生系统。

常规发电系统与传统火力发电设备类似，包含汽轮机与发电机等。为了便于工作划分，通常把聚光集热系统、储热系统、换热系统统称为集储换热岛，其他设备系统统称为常规发电岛。典型的导热油槽式太阳能光热发电过程如图1所示。

2 试验目的与考核指标

传统电力行业设备系统性能试验的最初目的是验收设备系统的性能是否达到厂家的设计值或合同的规定值，随着国家节能减排的政策引领，尤其对于热能转化设备，发电设备的性能试验要求更多体现在节能方面，诸如设备热能转化效率、工质参数、辅机耗电率等[2]。

对于导热油槽式太阳能光热电站，尤其对于集储换热岛的性能试验，首先应根据设备厂家与设计院提供的设备系统的性能保证值、热力计算说明、热平衡图、气象环境等资料，通过性能试验手段，检测出相关技术指标，考核集储换热岛的性能指标是否满足设计要求和供应商提供的性能保证值要求。推荐的导热油槽式太阳能光热电站集储换热岛系统的性能考核指标如表1所示。

表1 典型导热油槽式太阳能光热电站集储换热岛系统性能考核指标

3 性能试验

3.1 集热系统效率试验

集热系统总效率是指单位时间内导热油吸收的总热量与单位时间有效面积太阳镜能够获得的太阳能直接直射辐射能量的比值。集热系统总效率表征试验集热太阳镜单元，在单位时间内太阳能直接直射辐射能量的基础上，经过太阳镜的反射聚焦加热，导热油能够吸收最大热量的能力。集热系统总效率受太阳镜本体特性、太阳镜表面清洁度、反射损失、折射损失、集热管集热特性与换热特性等诸多因素影响[3-4]。

图1 典型导热油槽式太阳能光热发电过程示意图

太阳能直接直射辐射能量，可通过太阳能辐射仪器进行测量；导热油的物性参数，如温度、流量等可以通过常规测量仪器测出；导热油吸热量可通过导热油入口及出口物性参数以及流量测量计算得知。集热系统总效率的测量计算数值可根据公式（1）计算。

式中：η集为集热系统总效率，%；Qoil.t为导热油t时刻流量测量值，kg/s；为导热油t时刻出口和入口焓值，kJ/kg；为太阳镜位置测量的t时刻记录太阳能直接直射辐射能流密度，W/m2；A为导热油测量回路对应的太阳镜有效镜面面积，m2。

测量过程选择本地太阳能光照稳定并连续晴朗天气条件，地面风速小于2 m/s；典型日照时间在11：00—16：00时间段选取连续4 h。

如果试验条件允许，可以使用简化公式（2）测量计算，测量时间间隔可选择15～30 min。

式中：n为测量时间间隔次数。

3.2 集热系统最大连续出力试验

集热系统最大连续出力是考核全部太阳镜场集热并连续输出额定参数导热油的最大工作能力，表征太阳镜场全面太阳镜在全年日照辐射最强的时间段以最优最高转换效率工作条件下，能够输出额定参数导热油的最大连续工作能力。集热系统最大连续出力可通过最大导热油流量或最大热功率的指标来表征。

以最大导热油流量特征指标为例，宜选择全年日照辐射最强的时间段进行测量，连续测量4 h；试验前应调整每支导热油回路的导热油流量和进出口压力，维持各导热油回路的出口油温一致。

式中：Q集为最大导热油流量，kg/s；为第i回路导热油t时刻流量测量值，kg/s；m为导热油回路的总数量。

集热系统最大连续输出热能力，可通过最大连续输出热量或最大连续输出热功率指标来衡量。依据能量平衡原理，进行相关参数测量和计算，对公式（3）增添导热油焓值差、测量时间参数等，获得指标数值。

3.3 集热系统导热油回路流量偏差特性试验

对于大型槽式导热油太阳能光热电站，常常设计有数百条导热油回路，每条回路贯穿多个太阳镜集热组。对于不同的导热油回路，面临的太阳能集热组运行条件不同、导热油回路管路阻力、镜面洁净度与反射损失等各不相同，导热油回路出口的导热油物性参数也有所不同。为了提高导热油回路的集热效率，使得数百条导热油回路出口油温一致，满足额定参数，需要对集热系统导热油回路流量进行动态调整，并计算各回路之间流量偏差率。

3.4 储热系统储热性能试验

储热系统储热性能直接决定着太阳能光热电站是否能连续发电。对应导热油槽式太阳能光热电站储热系统，系统具有独特性。衡量储热系统储热性能特性，要考虑储热系统熔盐满负荷蓄热能力、导热油换热与蒸汽发电能力。可以用两个指标来表征：一是储热系统最大有效储热热能量，表征储热系统所具备的最大有效储能能力[5]；二是有效储热时间，表征储热系统在最大有效储热热量的前提下，通过导热油换热给工质发电，可满足汽轮机额定运行负荷工况下的连续运行时间。

（1）储热系统最大有效储热热量可通过热熔盐罐有效运行最高与最低盐液液位、热盐输送流量、热盐与冷盐温度以及其他物性参数依据公式（5）或公式（6）计算。

式中：M为储热系统最大有效储热热量，kJ；Qsa.t为热熔盐t时刻流量测量值，kg/s；为热熔盐t时刻出口和入口焓值，kJ/kg；Vsa为热熔盐罐有效储热容积，m3；为热熔盐罐热盐t时刻密度，kg/m3。

（2）储热系统有效储热时间可通过储热系统有效储热热量进行折算，也可以通过现场测试获得。试验前，应将储热系统热熔盐罐满负荷蓄热，熔盐液位达到满能量设计液位，调整熔盐储热系统导热油冷端进口油温为设计温度，热盐输送放热回到冷盐罐，维持冷盐温度在设计温度范围区间，导热油传输换热给工质发电，直到热熔盐罐降至最低液位，这段时间为储热系统有效储热时间。

3.5 换热系统性能试验

典型导热油槽式太阳能光热电站换热系统有预热器、过热器、再热器以及蒸汽发生器等典型设备，这些设备都属于换热器，表征换热器的换热性能，可通过换热效率指标来衡量换热能力[6]。换热效率根据换热设备汽水侧有效吸收热量与导热油侧有效释放热量的比值计算，以过热器为例，计算公式为：

式中：ηSH为换热效率，%；QSH.t、分别为换热器汽水、导热油t时刻流量测量值，kg/s；分别为换热器汽水工质t时刻出口和入口焓值，kJ/kg；分别为换热器导热油t时刻出口和入口焓值，kJ/kg。

对于预热器、过热器、再热器以及蒸汽发生器等典型设备的换热效率，为便于工程实际测量与计算，可选择设备出力90%以上的工况下进行测量，测量时间宜选择大于2 h的连续时间段，测量频次宜选择时间间隔为10～30 min。

换热系统汽水阻力指标通过换热器汽水系统的压力差值获得，用于评价汽水管路的压力能损失程度。

3.6 集储换热岛其他性能试验

导热油槽式太阳能光热电站集储换热岛，除了上述系统，还有膨胀溢流系统、防凝加热系统、损耗再生系统等。从能源利用角度，通过出力性能、效率、单耗与耗电等指标，表征这些系统和设备的设计性能与运行性能。这些指标都可以参考电力行业动力设备与系统的性能指标测试方法与计算过程获得。

对于集储换热岛整体系统的性能试验，需要设计院和设备厂商提供综合设计运行模式说明，比对设计性能指标进行集储换热岛整体集热能力、做功能力、转换能力的性能试验。

4 结束语

槽式太阳能光热技术，以其技术成熟、成本低廉、运行维护便捷等优点，在可再生能源发电技术领域得到越来越多的重视，发展前景广阔。近年来，各大科研院所、电力科研机构、行业团体都在积极构建光热电站的有关技术标准，其中电站性能验收工作标准仍在研究探索中。本文借鉴电力行业火力发电设备系统性能考核验收的思路和方法，对导热油槽式太阳能光热电站的集储换热岛的典型设备和系统进行了分析，探讨了性能试验的技术指标、工作方法与内容等，以期促进今后导热油槽式光热电站的性能试验发展，为相关技术人员开展试验工作提供参考。