100 MW熔盐塔式太阳能热发电站中汽轮机主蒸汽参数选择的对比分析

牛亚兵，任亚军，陈 磊，周 治，彭怀午，张俊峰，段杨龙

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

太阳能热发电也称为聚光太阳能发电(CSP)，其基本原理是利用大量的反射镜聚集太阳辐射能，用于加热工质，再通过传统的热力循环将热能转换为机械能来驱动发电机发电[1]。根据收集太阳辐射能的方式不同，太阳能热发电技术主要包括塔式、槽式、碟式(斯特林)和线性菲涅尔式这4种类型。其中，采用熔盐工质的塔式太阳能热发电技术具有装机容量大、发电效率高、适合大规模应用等特点，被认为是未来最具潜力的太阳能热发电形式之一，也是在我国首批太阳能热发电站中采用最多的技术路线。

汽轮机作为太阳能热发电站中的关键设备，用于实现热能和机械能的转换[1]。然而，由于太阳能热发电站受太阳光照等因素的影响，能量来源具有不稳定性，电站存在负荷变化及启停频繁的特点。因此，若要使汽轮发电机组在耗汽量少的情况下完成启动，选择合理的主蒸汽参数有助于提高汽轮机的热效率及整个电站项目的经济性[2]。

对于我国国内第1批已运行的熔盐塔式太阳能热发电站，由于在电站的设计及运行等方面缺乏相关经验，而且对于蒸汽发生器、汽轮机等主要设备的设计经验少、制造能力弱，导致这些电站中汽轮机主蒸汽参数的选择相对保守。

目前，国内外主要的熔盐塔式太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽参数(主蒸汽压力和主蒸汽温度)的选择如表1所示。

表1 不同熔盐塔式太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽参数的选择Table 1 Choice of main steam parameters of steam turbines in different molten salt tower CSP stations

本文以国内某汽轮机主机厂提供的相关数据为依据，结合中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司(下文简称“中国电建西北院”)在太阳能热发电站设计方面的经验，对甘肃省某100 MW熔盐塔式太阳能热发电站中汽轮机主蒸汽参数(主蒸汽压力和主蒸汽温度)的选择进行了简要的对比分析。

1 工程概况

本文以甘肃省某100 MW熔盐塔式太阳能热发电站为例进行分析。该太阳能热发电站的储热介质采用二元熔盐，储热系统选用“1台低温储罐+1台高温储罐”的单套熔盐储罐方案，吸热器进口/出口熔盐设计温度为290/565 ℃，蒸汽发生系统采用自然循环方式。

结合该太阳能热发电站所在地的太阳能资源条件，利用太阳能热发电站仿真模拟软件SAM对全年中高温储罐的运行温度进行模拟计算。模拟计算时，高温储罐的最高运行温度和最低运行温度分别取564.9 ℃和500.0 ℃。全年中高温储罐运行温度的模拟计算结果如表2所示。

表2 全年中高温储罐运行温度的模拟计算结果Table 2 Simulation calculation results of operating temperature of high temperature storage tank in whole year

从表2中的统计数据可知，全年中高温储罐运行温度t>555 ℃的时间约占53.6%。

2 主蒸汽参数的选择

汽轮机主蒸汽参数的选择应以提高汽轮机热效率为原则来确定，而汽轮机的可靠性和价格也是重要的选择指标。该太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽参数，即主蒸汽压力和主蒸汽温度的选择，是在综合考虑储热介质参数、蒸发换热系统形式，并以汽轮机主机厂提供的热平衡数据为依据的基础上进行比较分析后得到的。

2.1 主蒸汽压力的对比分析

该太阳能热发电站中，吸热器出口的熔盐设计温度为565 ℃，根据GB/T 754-2007《发电用汽轮机参数系列》的有关规定可知，超临界及超超临界汽轮机的主蒸汽温度/再热温度均高于565℃，因此对本太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽压力进行选择时，不用考虑超临界及超超临界情况下的主蒸汽压力，而是以超高压及亚临界情况下的主蒸汽压力对比为主。当汽轮机的主蒸汽初始温度不变仅提高初始压力时，在一定范围内可提高汽轮机的热效率；但若初始压力提高过大，汽轮机的热效率反而会降低。由此可知，在初始温度一定的情况下，存在一个最佳初始压力，超过最佳初始压力后，汽轮机的热耗率将趋于上升[3]。

不同主蒸汽压力下汽轮机的性能对比以国内某汽轮机主机厂提供的超高压及亚临界汽轮机的热平衡数据为依据，具体如表3所示。

表3 不同主蒸汽压力下汽轮机的性能对比Table 3 Performance comparison of steam turbines under different main steam pressures

由表3可知，在主蒸汽温度为550 ℃的条件下，100%额定负荷工况下主蒸汽压力采用亚临界压力时汽轮机的热效率比采用超高压时的高0.21%；其他额定负荷工况下采用亚临界压力时汽轮机的热效率比采用超高压压力时的均高0.44%及以上。

从项目经济性方面考虑，若选用亚临界压力，则汽轮机的热效率相对较高，在太阳能热发电站发电量相同的情况下，其所需要的集热镜场面积较小，因此项目的经济性较好。但本太阳能热发电站的蒸发换热系统采用的是自然循环方式，是依靠密度差提供的推动力来克服蒸发循环的阻力，主蒸汽压力越高，汽水循环的密度差就越小，需要的汽包与蒸发器的高度差就越大，且选用亚临界压力时，在部分超压工况下，自然循环方式会存在一定的风险。综合考虑蒸发换热系统中设备的布置高度、机组的经济性及汽水循环的安全可靠性，参考目前国内已运行的太阳能热发电站及蒸发换热系统设备厂家的最新技术方案，本太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽压力推荐采用14.1 MPa(a)。

2.2 主蒸汽温度的对比分析

根据工程热力学的基本原理，提高蒸汽的温度能提高朗肯循环的效率，因此提高主蒸汽温度的数值，能提高汽轮机的热效率。

不同主蒸汽温度下汽轮机的性能对比以国内某汽轮机主机厂提供的超高温和高温情况下汽轮机的热平衡数据为依据，具体如表4所示。

表4 不同主蒸汽温度下汽轮机的性能对比Table 4 Performance comparison of steam turbines under different main steam temperatures

由表4可知，当主蒸汽压力为14.1 MPa(a)时，在100%额定负荷工况下，主蒸汽温度采用超高温时汽轮机的热效率比采用高温时的高0.18%，若按发电小时数为3897 h计算，在镜场面积一定的情况下，100 MW熔盐塔式太阳能热发电站全年可多发电约155万kWh，年多发电量的收入约为170.5万元(电价暂按1.1元/kWh计算)；在年发电量一定的情况下，主蒸汽温度采用超高温时100 MW熔盐塔式太阳能热发电站的镜场面积可减少0.61万m2，镜场初投资可减少约427万元。其他额定负荷工况下，主蒸汽温度采用超高温时汽轮机的热效率，均比采用高温时的高0.17%及以上。

本太阳能热发电站中吸热器出口的熔盐设计温度为565 ℃，根据蒸发换热系统厂家提供的换热端差数据进行计算，若主蒸汽温度选择540 ℃，在进行蒸发换热系统设计时，为防止蒸汽温度超温，需配置主蒸汽、再热蒸汽喷水减温系统，这样会增加设备的投资及系统运行时的安全风险。另外，再根据中国电建西北院针对太阳能热发电项目的设计及运行经验，若主蒸汽温度选择540℃，蒸发换热系统运行时调温熔盐泵需长期投入运行，用于降低过热器、再热器入口熔盐温度，防止设备入口端差过大。如此一来，主蒸汽温度选择540 ℃时不仅使蒸发换热系统的结构复杂，而且提高了对调温熔盐泵的可靠性要求，在增加耗电量的同时还增加了设备初投资。

根据镜场全年集热量及高温储罐的储热温度模拟计算结果，全年中高温储罐温度大于555 ℃的时间约占53.6%，这说明该太阳能热发电站大部分的运行时间可满足以主蒸汽温度550 ℃运行。

综上所述可知，汽轮机的主蒸汽温度选用550℃较为合理。

2.3 电站主要设备及主要管道投资的对比

参考同为100 MW的熔盐塔式太阳能热发电站的设计经验，在不同的汽轮机主蒸汽温度下，电站主要设备投资的对比如表5所示。

表5 电站主要设备投资的对比Table 5 Comparison of main equipment investment of CSP station

从表5中的数据可知，汽轮机的主蒸汽温度采用超高温时，电站主要设备的初投资可减少约197万元。

在不同的汽轮机主蒸汽温度下，电站主要管道投资的对比如表6所示。

表6 电站主要管道投资的对比Table 6 Comparison of main pipelines investment of CSP station

由于汽轮机的主蒸汽温度不同，因此主蒸汽及热再热蒸汽管道的材料选型也会不同，使计算得到的管道壁厚也会存在不同，导致2种主蒸汽温度下的主蒸汽及热再热蒸汽管道的投资相差较大。从表6中的数据可知，当汽轮机的主蒸汽温度采用超高温时，电站主要管道的投资将增加约860万元。

综上所述可知，汽轮机的主蒸汽温度采用超高温时，太阳能热发电站的初投资比汽轮机的主蒸汽温度采用高温时的增加约663万元。但汽轮机的主蒸汽温度采用超高温时，电站每年可节约调温熔盐泵电费约70万元，而且每年多发电量的收益约为170.5万元，这相当于电站每年可增加约240.5万元的收益，因此，若汽轮机的主蒸汽温度采用超高温，则电站只需3年即可收回增加的投资。

综合考虑汽轮机热效率、储热介质设计温度、主要设备投资、主要管道投资、项目实际运行经验、系统经济性及设备厂家的制造能力后，本太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽温度推荐选用550 ℃。

3 结论

本文以国内某汽轮机主机厂提供的相关数据为依据，并结合中国电建西北院对于太阳能热发电项目的设计和运行经验，对甘肃省某100 MW熔盐塔式太阳能热发电站中汽轮机主蒸汽参数的选择进行了简要对比分析。综合考虑汽轮机热效率、设备投资、管道投资、设备厂家目前的设计制造能力及系统经济性后得出结论，推荐该太阳能热发电站中汽轮机的主蒸汽压力和主蒸汽温度分别采用14.1 MPa(a)和550 ℃。