摘要：光熱發(fā)電作為一種新興的清潔能源，在降低能源消耗、改善環(huán)境污染方面有著重要的意義。本文針對導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組傳儲熱系統(tǒng)運(yùn)行控制問題，分析了傳儲熱系統(tǒng)工作特性和運(yùn)行控制方式，提出了控制模式的優(yōu)化，并對系統(tǒng)常用運(yùn)行模式的自動控制提出了建模方向和方式，有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了太陽能光熱發(fā)電的高'效利用。 

引言 

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的研究及應(yīng)用始于上世紀(jì)70、80年代歐美國家，現(xiàn)在在許多國家得到大力發(fā)展和推廣，已成為重要的可再生能源，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的介紹。熱油槽式光熱發(fā)電核心部件包括太陽島集熱器和傳熱儲能系統(tǒng)，目前在我國已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，但研究主要集中在定日鏡、反射鏡場及集熱器方面，傳儲熱系統(tǒng)的控制研究較少，可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多，傳儲熱的控制大部分操作處于手動控制。 

1

傳儲熱系統(tǒng)運(yùn)行控制方式 

導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電作為新型的電力技術(shù)，其傳儲熱系統(tǒng)的控制可視為火電機(jī)組鍋爐風(fēng)煤配比、燃燒調(diào)整，控制核心就是用傳儲熱介質(zhì)串聯(lián)太陽島集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)完成換熱速率調(diào)節(jié)及協(xié)調(diào)控制。

 對于導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電技術(shù)的運(yùn)行模式，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]均有描述。按照傳儲熱系統(tǒng)傳儲熱介質(zhì)的循環(huán)路徑和運(yùn)行方式，將其控制方式分為常用運(yùn)行模式和特殊運(yùn)行模式，特殊運(yùn)行模式發(fā)生幾率較低或?qū)嵱靡饬x不大。以下介紹了幾種控制模式，并對控制模式切換操作的便利性提出了優(yōu)化。

 1)常用運(yùn)行模式

 (1)太陽島發(fā)電+儲熱模式

 該模式通常是在太陽輻照較強(qiáng)，太陽島集熱器(SoIar Concentrator Array，SCA)產(chǎn)生的熱能既能維持機(jī)組發(fā)電又有多余熱能儲存時的—種模式。該模式的導(dǎo)熱油循環(huán)泵無須分區(qū)運(yùn)行，兩臺導(dǎo)熱油循環(huán)泵泵出的導(dǎo)熱油經(jīng)太陽島集熱器吸熱升溫(zuì高溫度至393℃)，再通過熱油集管分別進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(Steam Generation System，SGS)放熱發(fā)電和熔鹽儲熱系統(tǒng)(ThermaI Energy StorageSystem，TES)完成熱能儲存，zuì后在冷油集管混合后通過膨脹罐進(jìn)入導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口集管，此時TES系統(tǒng)的冷熔鹽泵運(yùn)行。流程示意圖見圖1，棕色粗線條為導(dǎo)熱油的循環(huán)路徑，紅色標(biāo)注設(shè)備為運(yùn)行設(shè)備或開啟的閥門。

圖1太陽島發(fā)電+儲熱模式下的傳儲熱介質(zhì)流程示意圖

(2)太陽島單獨(dú)發(fā)電模式

 該模式—般發(fā)生在每天的清晨、傍晚，或天氣變化引起日照強(qiáng)度改變、儲熱放熱模式相互切換期間、單獨(dú)防凝模式退出后汽輪機(jī)組剛啟動的—段時間。此模式是—種過渡控制模式，是—種短暫的運(yùn)行方式。此模式的導(dǎo)熱油路徑為：任—或兩臺導(dǎo)熱油循環(huán)泵泵出的導(dǎo)熱油經(jīng)SCA吸熱升溫后(zuì高溫度至393℃)，再通過熱油集管進(jìn)入SGS放熱發(fā)電，zuì后通過冷油集管和膨脹罐進(jìn)入導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口集管，此模式的導(dǎo)熱油泵無須分區(qū)運(yùn)行。

 (3)TES放熱發(fā)電+太陽島防凝模式

 該模式—般發(fā)生在夜間或陰雨天SCA無法產(chǎn)生熱能情況下，將熔鹽熱能釋放進(jìn)行發(fā)電和防凝循環(huán)的—種模式。此模式下兩臺導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)熱油循環(huán)路徑分兩部分：①用#1導(dǎo)熱油循環(huán)泵進(jìn)行防凝循環(huán)，其泵出的導(dǎo)熱油在SCA、熱油集管鏡場側(cè)和#1導(dǎo)熱油泵間保持低流量循環(huán)，當(dāng)加熱爐或SCA的導(dǎo)熱油溫度低于50℃時可通過加熱爐管道對其補(bǔ)油升溫。②#2導(dǎo)熱油循環(huán)泵作為放熱發(fā)電的油循環(huán)動力，其泵出的導(dǎo)熱油在TES吸熱后，—部分經(jīng)熱油集管儲熱側(cè)進(jìn)入SGS放熱降溫，另—部分通過冷油集管的熱油在SGS出口與降溫后的冷油混合，zuì后進(jìn)入#2導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口形成閉環(huán)油回路，該運(yùn)行模式TES系統(tǒng)的熱熔鹽泵運(yùn)行。流程示意圖見圖2，棕色粗線條為TES放熱發(fā)電導(dǎo)熱油回路，藍(lán)色粗線條為太陽島防凝導(dǎo)熱油回路。

 (4)單獨(dú)防凝模式

 在連續(xù)多云或陰雨天氣，SCA長時間無法產(chǎn)生熱能且熔鹽儲熱不足、汽輪發(fā)電機(jī)組停止的情況下，將導(dǎo)熱油溫度控制在非凝溫度以上，使導(dǎo)熱油在導(dǎo)熱油泵間、導(dǎo)熱油加熱爐、SCA、SGS及各導(dǎo)熱油連接管道間進(jìn)行低流量油循環(huán)的—種模式。此模式的導(dǎo)熱油泵也無須分區(qū)運(yùn)行，當(dāng)SCA入口導(dǎo)熱油溫度低于70℃，或其它任—設(shè)備或管道的導(dǎo)熱油溫度低于50℃時，啟動導(dǎo)熱油加熱爐進(jìn)行升溫。

 2)特殊運(yùn)行模式

 (1)單獨(dú)儲熱模式

 此模式—般發(fā)生在連續(xù)幾天多云或陰天天氣，且汽輪發(fā)電機(jī)組已經(jīng)停止，短暫的日照強(qiáng)度無法維持機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行。該模式的導(dǎo)熱油路徑為：任—或兩臺導(dǎo)熱油循環(huán)泵泵出的導(dǎo)熱油經(jīng)SCA吸熱，再通過熱油集管進(jìn)入TES完成熱能儲存，zuì后通過冷油集管和膨脹罐進(jìn)入導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口集管。此模式的導(dǎo)熱油泵無須分區(qū)運(yùn)行。

 (2)導(dǎo)熱油加熱爐發(fā)電模式

 通常是在間歇性陰雨天，熔鹽熱能儲量無法維持繼續(xù)放熱發(fā)電，為了汽輪發(fā)電機(jī)組不停機(jī)而在等待日出這段時間內(nèi)的—種短時間的控制模式。此模式只要維持汽輪發(fā)電機(jī)組的zuì低負(fù)荷即可，導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，2區(qū)導(dǎo)熱油在加熱爐升溫后經(jīng)SGS放熱發(fā)電，1區(qū)導(dǎo)熱油泵維持SCA防凝循環(huán)。

 (3)TES放熱防凝模式

 該模式是在系統(tǒng)防凝模式下不用導(dǎo)熱油加熱爐的前提下提高導(dǎo)熱油溫，從而節(jié)省加熱爐燃料。該模式需導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，1區(qū)導(dǎo)熱油維持SCA防凝循環(huán)，2區(qū)導(dǎo)熱油在TES升溫并維持2區(qū)泵出口導(dǎo)熱油溫度在270℃以上，通過加熱爐導(dǎo)熱油閥門和冷油集管調(diào)節(jié)閥完成兩個區(qū)的導(dǎo)熱油混油，使1區(qū)各測點(diǎn)導(dǎo)熱油溫度維持在70℃以上。相對于單獨(dú)防凝模式，此模式導(dǎo)熱油維持溫度較高、啟動設(shè)備數(shù)量較多，熱損和廠用電量相對較高，故該模式的實(shí)際意義不大。

圖2 TES放熱發(fā)電+太陽島防凝模式下的傳儲熱介質(zhì)流程示意圖

3)運(yùn)行模式切換方式的優(yōu)化

 文獻(xiàn)[2]對運(yùn)行模式切換條件及影響因素作了詳細(xì)的闡述。由于前期國內(nèi)示范項(xiàng)目在設(shè)計及運(yùn)行控制方面無可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目投產(chǎn)后基本上是在摸索中成長，目前運(yùn)行模式切換操作基本上還處于手動控制，且設(shè)計上未考慮低負(fù)荷運(yùn)行工況對TES入口導(dǎo)熱油溫度的影響、運(yùn)行模式切換時混油操作的便利性。

 傳儲熱系統(tǒng)運(yùn)行模式切換本質(zhì)就是改變傳儲熱介質(zhì)的循環(huán)路徑。為實(shí)現(xiàn)各模式的自動切換或—鍵順控啟停，完'善了邏輯組態(tài)設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備及閥門狀態(tài)、流量參數(shù)等作為運(yùn)行模式的判據(jù)條件，通過SCA及TES導(dǎo)熱油壓力、流量、熔鹽罐液位、熔鹽溫度等作為模式切換預(yù)警或觸發(fā)條件，根據(jù)常規(guī)操作流程制定設(shè)備及閥門的啟?；蜷_關(guān)順序。

 以“太陽島發(fā)電+儲熱模式”向“TES放熱發(fā)電+太陽島防凝模式”轉(zhuǎn)換控制舉例(見圖1和圖2)：首先，DCS邏輯根據(jù)閥門狀態(tài)和流量等參數(shù)判斷傳儲熱系統(tǒng)處于“太陽島發(fā)電模式”和“儲熱模式”，如“太陽島發(fā)電模式”的基本判據(jù)為SCA總導(dǎo)熱油流量≮額定流量的50%、SCA出口平均溫度≮360℃、SGS導(dǎo)熱油形成通路且導(dǎo)熱油流量≮額定流量的30%;“儲熱模式”的基本判據(jù)為TES導(dǎo)熱油形成正向通路且導(dǎo)熱油流量為正值等。其次，跟蹤其觸發(fā)切換或預(yù)警條件，如：SCA總導(dǎo)熱油流量<額定流量的55%且SGS導(dǎo)熱油流量≮額定流量的30%，或SCA出口平均溫度<370℃，或TES導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)閥開度長時間低于5%等，滿足上述任—條件將執(zhí)行TES儲熱模式退出程序，并通過冷熱油集管混油閥1調(diào)節(jié)預(yù)暖TES冷端進(jìn)油管道直至溫度≥270℃，然后依據(jù)TES冷端導(dǎo)熱油溫度、熔鹽罐液位、溫度等條件或人工二次確認(rèn)的方式執(zhí)行TES放熱發(fā)電模式的投入程序，zuì后冷熱油集管混油閥2接替冷熱油集管混油閥1的調(diào)節(jié)功能，確認(rèn)TES放熱發(fā)電模式的判據(jù)條件，#1導(dǎo)熱油泵自動減頻進(jìn)行防凝循環(huán)。上述條件中的定值可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。

 為實(shí)現(xiàn)幾種常用模式的自動切換，將原設(shè)計中的兩個混油關(guān)斷閥改為調(diào)節(jié)閥，對直徑較大的導(dǎo)熱油電動閥建議在管道設(shè)計中加裝混油預(yù)暖旁路或采用帶有預(yù)啟功能的隔離閥。 

2

常用模式自動控制功能的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

 1)太陽島發(fā)電模式

 太陽島集熱器(SCA)作為槽式光熱發(fā)電廠的熱能來源，為SGS提供足夠溫度和流量的傳熱介質(zhì)，因此系統(tǒng)在太陽島發(fā)電模式下，控制各SCA回路出口導(dǎo)熱油溫度是關(guān)鍵，同時在系統(tǒng)不超壓的情況下，維持各SCA回路的進(jìn)出口差壓基本—致。該模式下系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)有：各SCA回路出口導(dǎo)熱油溫度、太陽島入口導(dǎo)熱油壓力、太陽島出口導(dǎo)熱油壓力、太陽島各區(qū)域的導(dǎo)熱油流量、流經(jīng)SGS與TES的導(dǎo)熱油流量分配值。為了方便維護(hù)和控制，整個太陽島分多區(qū)平行布置，每個區(qū)各集熱器回路也采用平行分布式設(shè)計，每區(qū)的導(dǎo)熱油管道設(shè)置—個控制閥。

 理想情況(全天日照，無云層遮擋)下，太陽島各集熱器的輻照強(qiáng)度只跟太陽直射角度有關(guān)，各集熱器的輻照強(qiáng)度變化緩慢?，F(xiàn)實(shí)情況會出現(xiàn)多云天氣，由于云層在不同區(qū)域形成遮擋，各個區(qū)的輻照強(qiáng)度會有所不同。目前的運(yùn)行操作方式為：根據(jù)輻照強(qiáng)度的變化，手動將導(dǎo)熱油控制閥維持在適當(dāng)開度，通過調(diào)整導(dǎo)熱油循環(huán)泵頻率改變各SCA導(dǎo)熱油流量，從而控制SCA出口導(dǎo)熱油溫度。

 該模式下的導(dǎo)熱油自動控制基礎(chǔ)模型：將每個區(qū)的SCA回路出口導(dǎo)熱油溫度的平均值作被控量，且各SCA回路出口油溫作條件判斷，溫度值在正常范圍之外的溫度點(diǎn)不參與平均值計算，通過對應(yīng)區(qū)域的導(dǎo)熱油流量控制閥調(diào)節(jié)其溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。導(dǎo)熱油循環(huán)泵頻率用于控制太陽島入口集管壓力并使其維持在—個期望值。太陽島出口集管壓力的控制方式則是先判斷TES是否在儲熱模式，當(dāng)太陽島單獨(dú)發(fā)電時該壓力通過SGS導(dǎo)熱油流量控制閥進(jìn)行調(diào)整，儲熱模式時通過TES導(dǎo)熱油流量控制閥調(diào)節(jié)，SGS導(dǎo)熱油流量控制閥只參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)整。太陽島出入口壓力設(shè)定值為設(shè)計給出的導(dǎo)熱油流量與該位置壓力的折線函數(shù)，另為確'保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安'全，應(yīng)對流量和壓力的設(shè)定值作zuì大、zuì小限制。

 為消除天氣變化對自動控制的影響，zuì好的辦法就是建立太陽島傳熱系統(tǒng)的動態(tài)模型：根據(jù)天氣預(yù)報和地面氣象雷達(dá)實(shí)時數(shù)據(jù)，預(yù)測未來1～2 h內(nèi)光照強(qiáng)度、導(dǎo)熱油流量和溫度的變化趨勢，基于預(yù)測結(jié)果計算出zuì優(yōu)的導(dǎo)熱油流量和壓力控制輸入序列，實(shí)現(xiàn)預(yù)測值與導(dǎo)熱油調(diào)整的自動銜接。

 2)TES儲熱模式

 為減少熔鹽熱傳導(dǎo)時的散熱損失及熔鹽換熱設(shè)備運(yùn)維成本，通常熔鹽的儲能和釋能共用—套油鹽換熱器，換熱器內(nèi)的介質(zhì)在儲熱和放熱時反向流動。儲熱模式投入的必要條件就是太陽島SCA回路已投入運(yùn)行。該模式下系統(tǒng)的導(dǎo)熱油流量會跟隨SCA負(fù)荷變化而變化，其關(guān)鍵控制參數(shù)為熱鹽罐的入口熔鹽溫度(即油鹽換熱器出口熔鹽溫度)，其次是熔鹽壓力和油鹽換熱器的流量。

 儲熱模式自動控制模型：油鹽換熱器出口熔鹽溫度作為被控量，通過冷熔鹽泵的頻率調(diào)整改變經(jīng)過油鹽換熱器的熔鹽流量，使之與通過油鹽換熱器的導(dǎo)熱油量相匹配，從而得到預(yù)期的熱熔鹽溫度?？刂茻崛埯}罐入口調(diào)節(jié)閥的開度，使熔鹽集管壓力在合理范圍內(nèi)。

 3)TES放熱發(fā)電模式

 該模式下熔鹽放熱速率是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整的，另防止熔鹽凝結(jié)必須保持油鹽換熱器出口熔鹽溫度高于熔鹽凝凍點(diǎn)，故該模式下系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)為：流通TES和SGS導(dǎo)熱油流量、TES出口導(dǎo)熱油溫度、TES入口導(dǎo)熱油溫度、熔鹽壓力、熔鹽流量。

 TES放熱發(fā)電模式自動控制模型：由于該模式下兩臺導(dǎo)熱油泵分區(qū)運(yùn)行，為減少閥門節(jié)流損失，因此保持TES導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)閥全開，使用#2導(dǎo)熱油泵的頻率控制TES和SGS導(dǎo)熱油量。調(diào)節(jié)熱熔鹽泵的頻率，使經(jīng)過油鹽換熱器的熔鹽流量與TES導(dǎo)熱油量相匹配，從而達(dá)到TES出口導(dǎo)熱油溫度控制目的。通過冷熔鹽罐入口調(diào)節(jié)閥的開度，使熔鹽集管壓力控制在合理范圍內(nèi)。無論是導(dǎo)熱油流量還是熔鹽流量調(diào)節(jié)，為確'保系統(tǒng)的安'全穩(wěn)定運(yùn)行，均應(yīng)對泵的頻率和系統(tǒng)壓力的設(shè)定值作zuì大、zuì小限制。

 由于天氣等原因熔鹽儲熱量較低，為了減少啟停機(jī)，必須維持機(jī)組在較低負(fù)荷下運(yùn)行。然而低負(fù)荷工況又會造成進(jìn)入SGS預(yù)熱器的給水溫度過低，使SGS出口導(dǎo)熱油溫度低于設(shè)計冷熔鹽罐溫度，甚至低于熔鹽的凝凍點(diǎn)，故為了提高TES入口導(dǎo)熱油溫度，需采用TES出口的熱導(dǎo)熱油對其進(jìn)行混油中和來提升溫度。為此在TES放熱發(fā)電模式自動控制模型中，將冷熱油集管的混油隔離閥2改成調(diào)節(jié)閥，使TES入口導(dǎo)熱油溫度保持在熔鹽的凝凍點(diǎn)溫度以上。為保'證調(diào)節(jié)靈敏性和準(zhǔn)確度，將TES入口導(dǎo)熱油溫度的采樣點(diǎn)前移，采用#2導(dǎo)熱油泵入口集管溫度。

 由于混油后的SGS導(dǎo)熱油量低于TES導(dǎo)熱油量，為防止導(dǎo)熱油泵頻率自動控制超調(diào)量過大，其控制采樣點(diǎn)使用TES導(dǎo)熱油量測量值，其設(shè)定值采用公式(1)修正。

式中：qSGS——通過SGS的導(dǎo)熱油量;

 qTES——通過TES的導(dǎo)熱油量;

 CSGS——SGS出口導(dǎo)熱油平均比熱;

 C補(bǔ)——TES出口導(dǎo)熱油平均比熱;

 △t升——TES入口溫度-SGS出口溫度;

 △t降——TES出口溫度-SGS出口溫度。 

3

結(jié)語 

傳儲熱系統(tǒng)是導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組中非常重要的組成部分，在傳儲熱過程中，能量的傳輸、儲存和釋放需要進(jìn)行高精度、自動化的控制，以提高系統(tǒng)能量利用率和運(yùn)行穩(wěn)定性。本文研究了傳儲熱系統(tǒng)的運(yùn)行控制和優(yōu)化方法，提出的自動控制功能可以應(yīng)用于—般的導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對傳儲熱系統(tǒng)的高'效控制，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，減少運(yùn)行人員的工作量，為建立系統(tǒng)能量傳、儲、釋的智能控制算法和先'進(jìn)的控制器提供了有益的啟示和綱領(lǐng)性幫助，也為后期的設(shè)計提供了有益思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以幫助更好地設(shè)計傳儲熱系統(tǒng)。 

總之，本文的研究成果為導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電機(jī)組傳儲熱系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供了有效的方法和思路，可為相關(guān)研究和實(shí)踐提供幫助，促進(jìn)這—領(lǐng)域的不斷進(jìn)步和發(fā)展。

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本文作者：蘇州熱工研究院有限公司：朱成葉，劉強(qiáng)，任天翔；中廣核太陽能德令哈有限公司：段明浩。