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(zhù)重要的意義。本文針對導熱油槽式光熱發(fā)電機組傳儲熱系統運行控制問(wèn)題，分析了傳儲熱系統工作特性和運行控制方式，提出了控制模式的優(yōu)化，并對系統常用運行模式的自動(dòng)控制提出了建模方向和方式，有效提高了系統運行效率和穩定性，實(shí)現了太陽(yáng)能光熱發(fā)電的高'效利用。 

引言 

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的研究及應用始于上世紀70、80年代歐美國家，現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(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)在文獻[1]中有詳細的介紹。熱油槽式光熱發(fā)電核心部件包括太陽(yáng)島集熱器和傳熱儲能系統，目前在我國已實(shí)現工程應用，但研究主要集中在定日鏡、反射鏡場(chǎng)及集熱器方面，傳儲熱系統的控制研究較少，可借鑒經(jīng)驗不多，傳儲熱的控制大部分操作處于手動(dòng)控制。 

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傳儲熱系統運行控制方式 

導熱油槽式光熱發(fā)電作為新型的電力技術(shù)，其傳儲熱系統的控制可視為火電機組鍋爐風(fēng)煤配比、燃燒調整，控制核心就是用傳儲熱介質(zhì)串聯(lián)太陽(yáng)島集熱系統、儲熱系統和蒸汽發(fā)生系統完成換熱速率調節及協(xié)調控制。

 對于導熱油槽式光熱發(fā)電技術(shù)的運行模式，文獻[2]和文獻[3]均有描述。按照傳儲熱系統傳儲熱介質(zhì)的循環(huán)路徑和運行方式，將其控制方式分為常用運行模式和特殊運行模式，特殊運行模式發(fā)生幾率較低或實(shí)用意義不大。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)常用運行模式

 (1)太陽(yáng)島發(fā)電+儲熱模式

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

圖1太陽(yáng)島發(fā)電+儲熱模式下的傳儲熱介質(zhì)流程示意圖

(2)太陽(yáng)島單獨發(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度改變、儲熱放熱模式相互切換期間、單獨防凝模式退出后汽輪機組剛啟動(dòng)的—段時(shí)間。此模式是—種過(guò)渡控制模式，是—種短暫的運行方式。此模式的導熱油路徑為：任—或兩臺導熱油循環(huán)泵泵出的導熱油經(jīng)SCA吸熱升溫后(zuì高溫度至393℃)，再通過(guò)熱油集管進(jìn)入SGS放熱發(fā)電，zuì后通過(guò)冷油集管和膨脹罐進(jìn)入導熱油循環(huán)泵入口集管，此模式的導熱油泵無(wú)須分區運行。

 (3)TES放熱發(fā)電+太陽(yáng)島防凝模式

 該模式—般發(fā)生在夜間或陰雨天SCA無(wú)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。此模式下兩臺導熱油泵分區運行，導熱油循環(huán)路徑分兩部分：①用#1導熱油循環(huán)泵進(jìn)行防凝循環(huán)，其泵出的導熱油在SCA、熱油集管鏡場(chǎng)側和#1導熱油泵間保持低流量循環(huán)，當加熱爐或SCA的導熱油溫度低于50℃時(shí)可通過(guò)加熱爐管道對其補油升溫。②#2導熱油循環(huán)泵作為放熱發(fā)電的油循環(huán)動(dòng)力，其泵出的導熱油在TES吸熱后，—部分經(jīng)熱油集管儲熱側進(jìn)入SGS放熱降溫，另—部分通過(guò)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導熱油循環(huán)泵入口形成閉環(huán)油回路，該運行模式TES系統的熱熔鹽泵運行。流程示意圖見(jiàn)圖2，棕色粗線(xiàn)條為T(mén)ES放熱發(fā)電導熱油回路，藍色粗線(xiàn)條為太陽(yáng)島防凝導熱油回路。

 (4)單獨防凝模式

 在連續多云或陰雨天氣，SCA長(cháng)時(shí)間無(wú)法產(chǎn)生熱能且熔鹽儲熱不足、汽輪發(fā)電機組停止的情況下，將導熱油溫度控制在非凝溫度以上，使導熱油在導熱油泵間、導熱油加熱爐、SCA、SGS及各導熱油連接管道間進(jìn)行低流量油循環(huán)的—種模式。此模式的導熱油泵也無(wú)須分區運行，當SCA入口導熱油溫度低于70℃，或其它任—設備或管道的導熱油溫度低于50℃時(shí)，啟動(dòng)導熱油加熱爐進(jìn)行升溫。

 2)特殊運行模式

 (1)單獨儲熱模式

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

 (2)導熱油加熱爐發(fā)電模式

 通常是在間歇性陰雨天，熔鹽熱能儲量無(wú)法維持繼續放熱發(fā)電，為了汽輪發(fā)電機組不停機而在等待日出這段時(shí)間內的—種短時(shí)間的控制模式。此模式只要維持汽輪發(fā)電機組的zuì低負荷即可，導熱油泵分區運行，2區導熱油在加熱爐升溫后經(jīng)SGS放熱發(fā)電，1區導熱油泵維持SCA防凝循環(huán)。

 (3)TES放熱防凝模式

 該模式是在系統防凝模式下不用導熱油加熱爐的前提下提高導熱油溫，從而節省加熱爐燃料。該模式需導熱油泵分區運行，1區導熱油維持SCA防凝循環(huán)，2區導熱油在TES升溫并維持2區泵出口導熱油溫度在270℃以上，通過(guò)加熱爐導熱油閥門(mén)和冷油集管調節閥完成兩個(gè)區的導熱油混油，使1區各測點(diǎn)導熱油溫度維持在70℃以上。相對于單獨防凝模式，此模式導熱油維持溫度較高、啟動(dòng)設備數量較多，熱損和廠(chǎng)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(yáng)島防凝模式下的傳儲熱介質(zhì)流程示意圖

3)運行模式切換方式的優(yōu)化

 文獻[2]對運行模式切換條件及影響因素作了詳細的闡述。由于前期國內示范項目在設計及運行控制方面無(wú)可借鑒的經(jīng)驗，項目投產(chǎn)后基本上是在摸索中成長(cháng)，目前運行模式切換操作基本上還處于手動(dòng)控制，且設計上未考慮低負荷運行工況對TES入口導熱油溫度的影響、運行模式切換時(shí)混油操作的便利性。

 傳儲熱系統運行模式切換本質(zhì)就是改變傳儲熱介質(zhì)的循環(huán)路徑。為實(shí)現各模式的自動(dòng)切換或—鍵順控啟停，完'善了邏輯組態(tài)設計：根據系統設備及閥門(mén)狀態(tài)、流量參數等作為運行模式的判據條件，通過(guò)SCA及TES導熱油壓力、流量、熔鹽罐液位、熔鹽溫度等作為模式切換預警或觸發(fā)條件，根據常規操作流程制定設備及閥門(mén)的啟?；蜷_(kāi)關(guān)順序。

 以“太陽(yáng)島發(fā)電+儲熱模式”向“TES放熱發(fā)電+太陽(yáng)島防凝模式”轉換控制舉例(見(jiàn)圖1和圖2)：首先，DCS邏輯根據閥門(mén)狀態(tài)和流量等參數判斷傳儲熱系統處于“太陽(yáng)島發(fā)電模式”和“儲熱模式”，如“太陽(yáng)島發(fā)電模式”的基本判據為SCA總導熱油流量≮額定流量的50%、SCA出口平均溫度≮360℃、SGS導熱油形成通路且導熱油流量≮額定流量的30%;“儲熱模式”的基本判據為T(mén)ES導熱油形成正向通路且導熱油流量為正值等。其次，跟蹤其觸發(fā)切換或預警條件，如：SCA總導熱油流量<額定流量的55%且SGS導熱油流量≮額定流量的30%，或SCA出口平均溫度<370℃，或TES導熱油流量調節閥開(kāi)度長(cháng)時(shí)間低于5%等，滿(mǎn)足上述任—條件將執行TES儲熱模式退出程序，并通過(guò)冷熱油集管混油閥1調節預暖TES冷端進(jìn)油管道直至溫度≥270℃，然后依據TES冷端導熱油溫度、熔鹽罐液位、溫度等條件或人工二次確認的方式執行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的調節功能，確認TES放熱發(fā)電模式的判據條件，#1導熱油泵自動(dòng)減頻進(jìn)行防凝循環(huán)。上述條件中的定值可根據實(shí)際運行進(jìn)行調整。

 為實(shí)現幾種常用模式的自動(dòng)切換，將原設計中的兩個(gè)混油關(guān)斷閥改為調節閥，對直徑較大的導熱油電動(dòng)閥建議在管道設計中加裝混油預暖旁路或采用帶有預啟功能的隔離閥。 

2

常用模式自動(dòng)控制功能的實(shí)現及優(yōu)化

 1)太陽(yáng)島發(fā)電模式

 太陽(yáng)島集熱器(SCA)作為槽式光熱發(fā)電廠(chǎng)的熱能來(lái)源，為SGS提供足夠溫度和流量的傳熱介質(zhì)，因此系統在太陽(yáng)島發(fā)電模式下，控制各SCA回路出口導熱油溫度是關(guān)鍵，同時(shí)在系統不超壓的情況下，維持各SCA回路的進(jìn)出口差壓基本—致。該模式下系統的關(guān)鍵控制參數有：各SCA回路出口導熱油溫度、太陽(yáng)島入口導熱油壓力、太陽(yáng)島出口導熱油壓力、太陽(yáng)島各區域的導熱油流量、流經(jīng)SGS與TES的導熱油流量分配值。為了方便維護和控制，整個(gè)太陽(yáng)島分多區平行布置，每個(gè)區各集熱器回路也采用平行分布式設計，每區的導熱油管道設置—個(gè)控制閥。

 理想情況(全天日照，無(wú)云層遮擋)下，太陽(yáng)島各集熱器的輻照強度只跟太陽(yáng)直射角度有關(guān)，各集熱器的輻照強度變化緩慢?，F實(shí)情況會(huì )出現多云天氣，由于云層在不同區域形成遮擋，各個(gè)區的輻照強度會(huì )有所不同。目前的運行操作方式為：根據輻照強度的變化，手動(dòng)將導熱油控制閥維持在適當開(kāi)度，通過(guò)調整導熱油循環(huán)泵頻率改變各SCA導熱油流量，從而控制SCA出口導熱油溫度。

 該模式下的導熱油自動(dòng)控制基礎模型：將每個(gè)區的SCA回路出口導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(guò)對應區域的導熱油流量控制閥調節其溫度在設定范圍內。導熱油循環(huán)泵頻率用于控制太陽(yáng)島入口集管壓力并使其維持在—個(gè)期望值。太陽(yáng)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，當太陽(yáng)島單獨發(fā)電時(shí)該壓力通過(guò)SGS導熱油流量控制閥進(jìn)行調整，儲熱模式時(shí)通過(guò)TES導熱油流量控制閥調節，SGS導熱油流量控制閥只參與機組負荷調整。太陽(yáng)島出入口壓力設定值為設計給出的導熱油流量與該位置壓力的折線(xiàn)函數，另為確'保系統的穩定運行和安'全，應對流量和壓力的設定值作zuì大、zuì小限制。

 為消除天氣變化對自動(dòng)控制的影響，zuì好的辦法就是建立太陽(yáng)島傳熱系統的動(dòng)態(tài)模型：根據天氣預報和地面氣象雷達實(shí)時(shí)數據，預測未來(lái)1～2 h內光照強度、導熱油流量和溫度的變化趨勢，基于預測結果計算出zuì優(yōu)的導熱油流量和壓力控制輸入序列，實(shí)現預測值與導熱油調整的自動(dòng)銜接。

 2)TES儲熱模式

 為減少熔鹽熱傳導時(shí)的散熱損失及熔鹽換熱設備運維成本，通常熔鹽的儲能和釋能共用—套油鹽換熱器，換熱器內的介質(zhì)在儲熱和放熱時(shí)反向流動(dòng)。儲熱模式投入的必要條件就是太陽(yáng)島SCA回路已投入運行。該模式下系統的導熱油流量會(huì )跟隨SCA負荷變化而變化，其關(guān)鍵控制參數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(dòng)控制模型：油鹽換熱器出口熔鹽溫度作為被控量，通過(guò)冷熔鹽泵的頻率調整改變經(jīng)過(guò)油鹽換熱器的熔鹽流量，使之與通過(guò)油鹽換熱器的導熱油量相匹配，從而得到預期的熱熔鹽溫度?？刂茻崛埯}罐入口調節閥的開(kāi)度，使熔鹽集管壓力在合理范圍內。

 3)TES放熱發(fā)電模式

 該模式下熔鹽放熱速率是根據機組負荷進(jìn)行調整的，另防止熔鹽凝結必須保持油鹽換熱器出口熔鹽溫度高于熔鹽凝凍點(diǎn)，故該模式下系統的關(guān)鍵控制參數為：流通TES和SGS導熱油流量、TES出口導熱油溫度、TES入口導熱油溫度、熔鹽壓力、熔鹽流量。

 TES放熱發(fā)電模式自動(dòng)控制模型：由于該模式下兩臺導熱油泵分區運行，為減少閥門(mén)節流損失，因此保持TES導熱油流量調節閥全開(kāi)，使用#2導熱油泵的頻率控制TES和SGS導熱油量。調節熱熔鹽泵的頻率，使經(jīng)過(guò)油鹽換熱器的熔鹽流量與TES導熱油量相匹配，從而達到TES出口導熱油溫度控制目的。通過(guò)冷熔鹽罐入口調節閥的開(kāi)度，使熔鹽集管壓力控制在合理范圍內。無(wú)論是導熱油流量還是熔鹽流量調節，為確'保系統的安'全穩定運行，均應對泵的頻率和系統壓力的設定值作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，必須維持機組在較低負荷下運行。然而低負荷工況又會(huì )造成進(jìn)入SGS預熱器的給水溫度過(guò)低，使SGS出口導熱油溫度低于設計冷熔鹽罐溫度，甚至低于熔鹽的凝凍點(diǎn)，故為了提高TES入口導熱油溫度，需采用TES出口的熱導熱油對其進(jìn)行混油中和來(lái)提升溫度。為此在TES放熱發(fā)電模式自動(dòng)控制模型中，將冷熱油集管的混油隔離閥2改成調節閥，使TES入口導熱油溫度保持在熔鹽的凝凍點(diǎn)溫度以上。為保'證調節靈敏性和準確度，將TES入口導熱油溫度的采樣點(diǎn)前移，采用#2導熱油泵入口集管溫度。

 由于混油后的SGS導熱油量低于TES導熱油量，為防止導熱油泵頻率自動(dòng)控制超調量過(guò)大，其控制采樣點(diǎn)使用TES導熱油量測量值，其設定值采用公式(1)修正。

式中：qSGS——通過(guò)SGS的導熱油量;

 qTES——通過(guò)TES的導熱油量;

 CSGS——SGS出口導熱油平均比熱;

 C補——TES出口導熱油平均比熱;

 △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

結語(yǔ) 

傳儲熱系統是導熱油槽式光熱發(fā)電機組中非常重要的組成部分，在傳儲熱過(guò)程中，能量的傳輸、儲存和釋放需要進(jìn)行高精度、自動(dòng)化的控制，以提高系統能量利用率和運行穩定性。本文研究了傳儲熱系統的運行控制和優(yōu)化方法，提出的自動(dòng)控制功能可以應用于—般的導熱油槽式光熱發(fā)電機組，實(shí)現對傳儲熱系統的高'效控制，提高系統的效率和穩定性，減少運行人員的工作量，為建立系統能量傳、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，也為后期的設計提供了有益思路和實(shí)踐經(jīng)驗，以幫助更好地設計傳儲熱系統。 

總之，本文的研究成果為導熱油槽式光熱發(fā)電機組傳儲熱系統的運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。

參考文獻

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