浅谈塔式太阳能光热发电站性能试验

浅谈塔式太阳能光热发电站性能试验

罗 凯,许 涛,刘海明,刘 刚

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

[摘 要] 针对太阳能光热发电将光热转换成电能且具有电能输出可控的优点，从考核指标、试验方法、试验仪器等方面阐述了塔式太阳能光热发电站性能试验的内容与方法，对如何开展该类型电站的性能考核具有一定的指导意义。

[关键词] 太阳能；光热发电；性能试验

0 引言

我国具有丰富的太阳能资源，随着国家“十三五”能源规划的推进，可再生、清洁环保的太阳能发电得到大力发展。

光伏发电和光热发电是主要的太阳能发电方式。与将太阳光直接转化成电能的光伏发电不同，光热发电是先将太阳光转换成可以储存的热能，再将热能转换为电能的过程。与间歇性的光伏发电相比，光热发电拥有经济高效的储热、电能稳定输出、调峰能力突出等优势，成为当前国内弃风、弃光严峻形势下令人瞩目的焦点。

2013年，国内首个商业化运营的塔式太阳能电站中控德令哈10 MW电站并网发电。2016年，国家能源局正式发布《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，大力推进太阳能光热发电产业化发展，首批示范项目共20个、总计装机1 350 MW。其中塔式电站项目9个，单机容量在50～135 MW之间，总装机达到685 MW，集中在青海、甘肃、新疆、河北等地。

随着太阳能光热发电站示范项目的商业投产，电站的性能验收工作陆续开展，而目前国内还没有一套完善的考核标准。本文借鉴多年相关工作经验，系统性阐述了太阳能光热发电站性能试验的内容与方法，抛砖引玉。

1 简介

塔式太阳能光热发电站是目前国内主要建成投产的光热发电站类型，由塔式聚光集热系统、储热系统、蒸汽发生系统、汽轮发电机组组成。聚光集热系统主要由定日镜场和放置在吸热塔上的表面式吸热器构成。吸热器将太阳辐射热能传递到吸热、储热的介质熔盐，熔盐将热能储存在冷、热双罐中与蒸汽发生系统构成热储存交换。蒸汽发生系统采用过热蒸汽发生器，参数与再热式空冷纯凝汽轮发电机组匹配。图1是以熔盐循环为视角的发电站结构简图。

发电站有三种运行模式：充热模式、纯发电模式、充热且发电模式。

2 试验目的

试验依据供应商提供的设备及系统的性能保证模型、曲线、热平衡图、热力计算说明、气象环境等资料，考核光热发电机组投产后聚光集热系统、储热系统、蒸汽发生系统、汽轮发电机组的各主要指标是否满足设计要求和达到供应商提供的性能保证值。

图1 太阳能光热发电站结构简图
Fig.1 Structural diagram of solar thermal power station

“发电能力计算软件”或“性能模型软件”是进行性能考核的重要依据，必须由供应商详细完整地提供。

按照《火电机组启动验收性能试验导则》，采用ASME相关标准执行性能试验。

3 考核指标

太阳能光热发电站主要考核指标见表1。

表1 太阳能光热发电站主要考核指标
Tab.1 Main assessment indexes of solar thermal power station

序号名称1 2 3 4 5聚光集热系统储热系统蒸汽发生器汽轮发电机组电站全厂指标光电转换效率聚光集热系统效率吸热器额定热功率和最大热功率有效储热时间换热效率汽轮机热耗额定出力、最大出力和最小出力典型日能力发电量年外供电量

4 试验方法

4.1 光电转换效率试验

光电转换效率是指定日镜场接收的总能量经过反射、吸热、储热、换热、蒸汽发生及透平转换到电能的效率，是发电量与定日镜场接收的太阳法向直接辐射能之比。

光电转换效率需要考核两个指标，即设计工况光电转换效率和年均光电转换效率。

设计工况光电效率=光热效率×储热效率×换热效率×汽轮发电机组效率

年均光电效率=[年实际发电量 ∕（年DNI×镜场面积）]×100%

4.1.1 光热效率

光热效率是吸热器内传热介质获得的总能量与入射在集热场采光口面积的太阳法向直接辐射能之比。光热效率计算公式为

式中：Mj1为吸热器入口熔盐流量（kg/s）；A1r为镜场有效工作定日镜的总采光面积（m2）；Tj3为吸热器入口熔盐温度（K）；Tj4为吸热器出口熔盐温度（K）；Cpj3为入口熔盐温度对应的比热（kJ/kg·K）；Cpj4为出口熔盐温度对应比热（kJ/kg·K）。

4.1.2 储热效率

储热效率指储罐对外输出的能量与输出的能量和储罐散热损失之和的比值。储热效率计算公式为

式中：△h为冷盐和热盐的焓差（kJ/kg）；Mh为热盐流量（kg/s）；Ploss,TSS为储热系统的散热损失（kW）。

4.1.3 换热效率

换热效率指换热系统汽水侧吸收热量与熔盐侧释放热量的比值。换热效率计算公式为

式中：Mj2为换热器给水流量（kg/s）；hj1为给水焓值（kJ/kg）；hj2为过热器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Mj3为再热器蒸汽流量（kg/s）；hj3为再热器入口蒸汽焓值（kJ/kg）；hj4为再热器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Msh5为热盐罐出口熔盐流量（kg/s）；Tsh6为热盐罐出口熔盐温度（K）；Tsh7为冷盐罐入口熔盐温度（K）；Cpsh6为热盐罐出口熔盐比热（kJ/kg·K）；Cpsh7为冷盐罐入口熔盐比热（kJ/kg·K）。

4.2 聚光集热系统效率试验

通过聚光集热系统的能量平衡来试验测试该系统的效率，常采用两种不同的试验进行设备效率的验收。

4.2.1 额定充能试验

该试验用于比较太阳能吸热器的实际热平衡与保证热平衡的热功率的关系。

性能保证值=吸热器热功率(测量)∕吸热器热功率(保证)

吸热器热功率(测量)=熔盐的质量流量×(熔盐出口焓—熔盐入口焓)

吸热器热功率(保证)=DNI×聚焦定日镜×单个定日镜面积×镜场反射率×镜场效率×吸热器效率

其中：DNI为需要测量太阳法向直接辐射能（W/m2）；聚焦定日镜为在试验期间聚焦在吸热器上的定日镜的平均数量；镜场反射率、镜场效率、吸热器效率均由供应商提供，不用测量。

4.2.2 年际能量试验

进行一年能量试验是为了评估吸热器在一年期间内总的热能吸收状况。

保证值应通过下式计算：

保证率考核年=吸热器吸收能量(实际运行)∕吸热器吸收能量(保证值)×100%

在满足以下工况时试验：

（1）吸热器在性能考核期吸收的能量应计算为在性能考核期运行期间每10 min吸热器吸收能量的总和。吸收能量应计算为熔盐的焓差乘以每10 min的平均熔盐质量流量，再进行功率和能量的转化。

（2）吸热器吸收的能量（保证值）应当由供应商提供的镜场和吸热器系统的性能保证模型给出。该性能模型给出包含系统每10 min能量输出，包括诸如聚焦定日镜的数量、吸收功率、熔盐流量和温度等值。该性能模型的输入是在每10 min保证期内测量的气象条件。

4.3 吸热器热功率试验

试验在电站充热且发电模式下进行。吸热器最大热功率试验需要在定日镜场调整到吸热器采光口获得最大的太阳法向直接辐射能的情况下进行。

4.4 储热能力试验

储热能力可以用有效储热时间定量。

试验在电站纯发电模式下进行。热熔盐罐液位达到能量储满时的设计液位，聚光集热系统停运，汽轮机在额定工况下连续运行到储罐液位下降到最低设计液位，等效发电小时数不低于保证时间。

4.5 蒸汽发生器换热效率试验

按照ASME PTC4—2013中对蒸汽发生器性能考核的相关规定，采用能量输入-输出法进行效率计算，可参考公式（3）。

4.6 典型日能力发电量试验

能力发电量是指供应商提供的“发电能力计算软件”或“性能模型软件”，根据光资源、气象数据以及热力参数等，计算得到单位时间（秒、分、时、日、年）的发电量和系统运行时间等数据。

典型日定为春分、夏至、秋分、冬至四个阶段前后。试验分别在春分、夏至、秋分、冬至前1天0点到后1天24点，进行72 h的连续发电能力考核。考核前、后记录冷、热熔盐罐液位以修正储热差值对应的发电量。以典型日发电量偏差作为考核指标。

典型日发电量偏差=典型日能力发电量-典型日实际发电量

典型日实际发电量=连续3 d实际发电量+考核前后液位偏差等效电量

4.7 年外供电量试验

年外供电量也称作机组年净发电量，计算公式如下：

年外供电量=年实际发电量-年实际厂用电量

年实际发电量指发电机组全年实际发出的电量总和，用发电机出口电能表或功率表数据统计，年实际厂用电量用各个厂用电系统的电能表或功率表统计。

年外供电量修正包括两部分，一是DNI偏差引起的发电量偏差，一是调度限制出力负荷引起的发电量偏差。

（1）DNI偏差引起的发电量偏差

年外供电量偏差DNI（kW·h）=年能力发电量-年实际发电量

年能力发电量由“发电能力计算软件”计算日能力发电量，以某一约定日开始，累计日历年的电量构成；年实际发电量为年发电量累计，以发电机出口功率表数据为准。

（2）调度限制负荷发电量偏差

按日统计调度限制负荷的发电量偏差，累计构成年调度限制负荷发电量修正值。

日发电量考核修正值=日能力发电量-日实际发电量-热熔盐罐等效发电量

其中，热熔盐罐等效发电量为当日00：00到24：00点实际热熔盐罐中的储热能量的差值。通过统计热熔盐罐液位差和冷热盐罐的焓差，算出储热量对应的等效发电量。

4.8 汽轮机热耗及出力试验

汽轮机热耗试验、出力试验参考燃煤电站进行，在此不另外说明。

5 试验仪器

除了使用常规燃煤电站的汽轮机和发电机试验仪器，如温度计、流量计、电能表、功率表等以外，试验还有两个重要测量仪器。一个是安装在太阳能吸热器熔盐管路入口处和热熔盐罐出口处的高温超声波流量计（含温度测量模块），其作用是用来测量熔盐的温度和质量流量；另一个是日射强度计，用来测量DNI值。

另外，试验可以采用现场已安装的仪表作为测量仪器，比如安装在冷、热熔盐罐上的液位计，以及现场的气象站仪表，但这些仪表必须在试验前校准合格并指示准确。

6 结语

太阳能光热发电以其电能可控的优点在我国新能源发电领域将会占有越来越大的比重，尤其在我国西北地区市场前景广阔。本文简要地介绍了塔式太阳能光热发电站的主要性能考核指标及性能试验的内容与方法，可为今后开展太阳能光热发电站的性能考核提供参考。

The Performance Test of Tower-Type Solar Thermal Power Plant

LUO Kai，XU Tao，LIU Haiming，LIU Gang
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

[Abstract]Solar thermal power generation converts light heat into electricity that is controllable as advantage.The contents and methods of performance test of tower-type solar thermal power plants are introduced from aspects of appraisal index,test method and instruments,which has cer⁃tain guiding significance on how to carry out the performance tests for power plants of this type.

[Key words]solar;solar thermal power;performance test

[中图分类号]TM615

[文献标志码]A

[文章编号]1006-3986(2016)11-0040-03

DOI:10.19308/j.hep.2016.11.009

[收稿日期]2016-10-18

[作者简介] 罗 凯（1983），男，湖北武汉人，硕士，高级工程师。