塔式光热发电熔盐储换热及汽轮机热力系统研究

王汶海 管丹丹 金富强 杨 磊 刘龙飞

（1．杭州中能汽轮动力有限公司，浙江 杭州 310018；2．浙江西子联合工程有限公司光伏分公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

光热发电技术通过“聚集”太阳能的高温热能加热工质，再通过传统的热力循环将热能转化为机械能驱动发电机发电。光热发电技术从20 世纪80 年代开始商业化，至今已经有近40 年的历史，在世界范围内的供电份额也在逐步增长。在光热电厂中，蒸汽涡轮机是一种重要的能量转化装置，也是一种重要的能源。由于光能昼夜交替，变化频繁，因此对太阳能发电场中使用的水轮机的可靠性和经济性都有很高要求。

光热发电技术是先“聚集”太阳能的高温热能加热工质，再通过传统的热力循环将热能转化为机械能驱动发电机发电。国内光热能产业发展较迟，目前还处在商品化的初期阶段。截止到2017 年末，全国已建成的太阳能光伏发电量只有29.3MW。2018 年7 月1 日，为促进我国光伏光热技术的发展，经过专家论证，国家能源局发布光伏行业最新标准《光伏制造行业规范条件（2018 年本）》。在整个光热发电系统中，汽轮机是一种重要的能量转化装置，是太阳能光伏光热发电的重要组成部分。为此该文以某光热工程为背景，阐述了熔盐光热电厂的工作机理，并对其进行了优化，以求能够进一步降低汽轮机的能耗，促进国内塔式熔盐光热发电技术的发展[1]。

1 塔式光伏光热发电站的工作原理及优化设计

1.1 塔式光热发电站的工作原理

塔式熔盐光热发电系统主要由定日镜系统、吸热系统、蒸汽发生系统、发电系统4 个部分组成[2]。高温熔盐具有“使用温度高、热稳定性高、比热容高、对流传热系数高、黏度低、饱和蒸汽压低、价格低”的优势，因此在吸热系统中会将高温熔盐作为储热及换热介质。

该系统工作流程如下：定日镜系统实时跟踪太阳，将太阳光聚集到一个装在塔顶的吸热器上。吸热器收集辐射能，并将其转化为熔融盐的高温热能。高温熔融盐通过管道传递至蒸汽发生器，产生的高温蒸汽推动常规汽轮机进行膨胀做功，然后带动发电机发电。

1.2 定日镜镜场与吸热器设计

现有或正在建设的塔式太阳能发电场的排列形式都很有规律，例如西尔拉太阳发电厂采用直线排列，而克雷森特发电厂采用环状纵列法排列。此外还有Francisco J.Collado 等人提出的Campo 定日镜排列模式和Corey J.Noone 等人提出的一种模拟定日镜排列模式。鉴于镜场效率、占地面积以及电厂运行（例如固定、清洁）等具体作业的可能性，该研究的镜场为新型五边形定日镜排列。

定日镜镜场由以固定的方法围绕2 个轴线旋转跟踪的固定定日镜镜群组成，它可以沿2 个轴线方向旋转追踪，把照射在它表面的太阳辐照能量由吸收塔顶部的吸热装置转换为热量，以实现对太阳辐射能的收集。

该研究中，定日镜的安装是为了满足镜面旋转的需要，它能有效降低镜面的损耗（余弦损耗、阴影遮挡损失、大气传输损失、镜面清洁度、反射率以及吸热器截流系数），并通过非遮挡式的方法保证每个镜面的遮挡损失刚好或者很小，以降低镜场的损耗，增加对太阳辐射能的收集。

2 塔式光热发电熔盐储换热及汽轮机热力系统设计

2.1 熔盐储热与换热管束设计

熔盐储热是光热发电系统中最关键的部分，它提供了能量转换装置所需的初始温度，换热管则将这些热量进行高效地交换。熔盐通过管道、储热装置、传热介质进入换热管束后实现高效传热，换热管束的设计应主要考虑以下几点：1）通过管道温度的测量和计算来控制换加热段内的温度。2）通过管道速度分布来控制加热速度。3）换热管束的材料和几何尺寸会影响熔盐储热系统传热效率，因此可以通过比较不同材质管道的熔盐储热能力来决定是否需要在换热管束设计中加入传热介质。

2.2 光热集热环节

集中供热部分包括定日镜和集热器。定日镜是一种具有2 个方向的自动追踪太阳辐照的聚光镜，它可以通过调整方向和角度将辐照集中在一个收发器上。其外表涂有一层银色的保护膜，能够在一定程度上完成折叠、翻转等功能，以防止紫外线、酸雨、沙尘、风暴等恶劣天气造成的损害。定日镜的数目由机组的发电量和占地面积决定。集热器能够将太阳的辐射能转换成热量，再将热量经由传导媒介传输到其他体系。

2.3 光热发电环节

光热发电是一种通过熔盐发电的技术，主要应用于太阳能热利用。熔盐指的是固体盐类，其熔点一般为100℃~500℃。光热发电利用了光热转换的原理，将太阳光反射到真空集热管上，通过加热与之接触的盐类物质，使其熔化。熔化后的物质流入集热管内的储槽，并通过水泵加压后流回热锅炉进行再次利用。发电系统包括过热器、蒸汽发生器、预热器、再热器、蒸汽涡轮、发电机和冷凝器等。进入电力系统后，这些热量会被汽化器转化为蒸汽，然后转化为电能，再转化为水，在一系列装置的作用下重新生成热量，最终实现了一个完整的循环。文献[2]的研究表明：光热发电是一种清洁能源，具有很高的能量密度和效率，不受资源条件和地域限制，在很多情况下可以替代化石燃料发电。但也存在一些问题。1）成本较高。光热发电属于大型投资项目，在建设初期需要投入大量资金。2）占地面积大。光热发电的主要设备为熔盐炉和聚光器，需要较大的土地面积来建设电站，如果建设在城市郊区或偏远地区，就需要实施拆迁或搬迁，势必会造成较大的经济损失。3）运行可靠性差。熔盐炉工作时会产生大量热量，如果散热不及时，就会导致熔盐炉内温度升高，进而损坏设备。4）无法大规模应用。虽然光热发电技术具有一定优势，但其发电效率低、成本高，无法大规模应用。5）安全性差。光热发电技术是一种将太阳光反射到储槽内进行二次利用的技术，因此需要考虑高温和低温下材料的安全问题。

2.4 原则性热力系统图

以追求极致性能为目标，汽轮机整体采用高、中、低压缸双缸和单排汽解决方案。高压缸的通流部分为高转速反动式结构设计，6000r/min 的高转速可减少转子直径、增加叶片高度并减少叶片端部损失，提高了高压缸的效率。由于在额定工况下功率较小，因此选择中压缸、低负荷运行模式，高压缸则通过齿轮箱和发电机连接。三维模型图如图1 所示。

图1 三维模型图

由蒸汽发生器出来的主蒸汽进入高压缸做功，排汽进入蒸汽发生器的再热器与熔盐进行换热后，再进入中、低压缸进行做功。中、低压缸的排汽进入空冷岛凝结成水后，经过凝结水泵升压，然后进入各级回热加热器进行加热，最后再次进入蒸汽发生器。其中，在回热系统中配置0 号高加，以保证低负荷工况下的给水温度满足一定要求。0 号高加的蒸汽可以来自蒸汽发生器的饱和汽或主蒸汽，也可以来自汽轮机的级内抽汽。原则性热力系统图如图2 所示。

图2 原则性热力系统图

2.5 热力系统参数优化

根据热力学的基本理论，提高进汽参数、降低排汽参数和增大回热级数有利于提高蒸汽机的热经济性。热耗、煤耗等是热能经济评价的重要参数。该文利用公式（1）对涡轮机端的热消耗进行估算。

式中：q0—汽轮机侧热耗，kJ/（kW·h）；Pe—发电机侧轴端功率；DO—进入汽轮机的蒸汽流量；DOg—进入0 号高加的蒸汽流量，如果0 号高加未投入或汽源为级内抽汽，则流量为0；DGs—给水流量，t/h；DRZ—热再蒸汽流量；Dlz—冷再蒸汽流量，t/h；h—进入汽轮机的蒸汽焓值；HGS—给水焓值，kJ/kg；hRZ—热再蒸汽焓值。

2.6 蒸汽温度

据文献[3]介绍，目前较为成熟的熔融盐为Solar salt，其组成为质量分数60%NalNO3和40%的KNO3，其分解温度为600℃，凝固温度为220℃，推荐的最高工作温度为565℃。目前玉门鑫能项目夏季进汽温度可至545℃，上海电气总包迪拜项目中的塔式光热机组的蒸汽温度已经提高至553℃。

由文献[4]可知，增加蒸汽的温度不但能增加循环系统的效率，而且由于过热度的增加，蒸汽的比容量也会增加；增加再热器的加热可以改善排气干燥程度，降低汽轮机的排气和湿蒸汽损耗，进而改善汽轮机的热效率。

蒸汽温度-热耗变化曲线如图3 所示。从图3 可以看出，如果将主要蒸汽的温度提升到565℃以上，就能大大减少蒸汽的消耗，但这会对发动机的外缸、内缸、转子和阀门等部件的选择造成更大的压力。

图3 蒸汽温度-热耗变化曲线

2.7 主蒸汽压力

在总汽压和排气压力恒定的情况下，增加总汽压可以改善系统的循环热效率。在主蒸汽压升高到一定限度后，入口体积的变小和排气湿度的升高会使排汽的通气性能显著下降，这一下降的幅度会随入汽温度的升高而升高，400℃时的最大压力达到20MPa。和国内塔式熔盐光热器的进口蒸汽压力都极低的情况相比，上海电力公司在迪拜工程的塔式光热器的进口蒸汽压力达到了1.7MPa，达到了亚临界值。

主蒸汽压力-热耗变化曲线如图4 所示。由图4 可以看出，当主蒸汽压力增加1MPa 时，涡轮一侧的热消耗减少大约40kJ/（kW·h）。如果主蒸汽压力由1.4MPa 增加到1.7MPa，则汽轮机一侧的热消耗将减少大约120kJ/（kW·h）。但是随着汽轮机主蒸汽压强的增加，汽化系统、熔盐系统、汽轮机系统的承压设备和管道等的厚度都会增大，进而加大钢铁的消耗和工厂的电力消耗。

图4 主蒸汽压力-热耗变化曲线

目前，国内和国外的大部分光热电厂都采用轴向抽风方式。通过对汽轮机进行分析，发现在汽轮机中使用轴向排气可以显著减少蒸汽损耗，进而可使机组利用率提高0.25%~0.5%。我国现有的塔式光热电厂都是轴流形式。由于我国能源丰富，易被开发的区域多为西北风沙大、干旱缺水的地方，因此通常采用空气冷却式凝汽机，其排气压力可达8kPa。减少背压力可有助于减少涡轮一侧的热消耗。减少了1kPa 的反压蒸汽压，涡轮一侧的热消耗即减少30~40kJ/（kW·h），但会造成空冷岛成本的增加和电厂用电量的增长。因此必须从整体上对汽轮发电机组的排蒸汽压力进行技术和经济性研究，将投资、运行费用和综合收益考虑进去。

2.8 回热级数

如上所述，塔式熔盐光电设备的储存和传热媒介是含盐的，其在240℃以下会产生晶体，固化的温度达到220℃，因此在电厂的使用中要注意避免因熔盐凝结而引起的故障维修，降低设备的使用成本[5]。因此，在实际应用中，必须确保用245℃~260℃的热水与熔盐交换。对塔式熔盐光热发电场，Sie-Mens、GE 和MANTURBO 分别配备了2 台高加、1台除氧机和3 台低加设备。为了提升转换效率，上海汽轮机制造厂在玉门鑫能工程装备了3 台高加、1 台除氧器、3 台低加以及外部的汽水冷却器。经研究，如果采用1 段和外部段的水冷装置，可以使水轮机端的热耗量减少35kJ/（kW·h）。

太阳能光热电站利用了白天和晚上2 种不同类型的能源，但其储存时间是有限的，因此在夜间要进行长时间的低负载工作。根据传统的供热方式，在这种情况下供水的水温会下降。然而如果温度过高，则会引起盐块的凝结，造成操作上的困难。在低压条件下，为保持供水的水温，所有的设备都需要配备0 号高加。

2.9 回热级数

从文献[5]可以看出，为了改善整个工厂的循环热能，目前的热电厂都使用了给水和回热，而在光热电站中，为了取得更好整个电站的热回收效果，也使用了给水回热器。此外，提高循环串联能显著提高机组的热效率。

3 结语

该文提出了一种新型的塔式光热电厂的熔盐蓄热系统方案和总体布置方案，并对主要蒸汽参数和回热系统进行了优化和分析，得出如下结论。

为进一步改善塔式熔盐光热机组的工作性能，采取双缸方案，由于进蒸汽体积流量很小，因此可以采用高转速的高压气缸结构，以减少叶面损耗，进一步改善汽轮机的工作效率。

塔式熔盐光热机组在蒸汽温度和主蒸汽压强方面，可以将蒸汽温度提升到553℃，主蒸汽压强提升到亚临界值1.7MPa。如果随后的熔盐侧允许，可以将其提升到更高的参数值。