孙玉庆，张新海

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原 030001)

0 引言

太阳能热发电系统与常规火力发电系统的工作原理基本相同，两种系统的汽轮机发电部分则基本一样，都是利用过热蒸汽驱动汽轮发电机组发电。

光热发电不同于火电机组，由于单机容量比较小，最大发电功率为80 MW，其冷端空冷系统配置规模比较小，不同的空冷系统（直冷、间冷、机械通风等）对光热发电量的影响均不一样，需要对比及优化，从中选择适宜光热发电的空冷系统配置。

空冷系统的运行背压直接影响着光热系统的发电量，主机背压越低，光热机组的发电量就越高，但空冷规模配置需要增大，如何找到一个最佳经济点，即以最低的空冷系统运行背压（比较后最合理的），来获得最大的机组发电量，需要对机组的运行背压进行优化。若场地允许一定量的空冷系统耗水量，可对空冷系统+湿冷进行组合配置优化，例如直冷+蒸汽式直冷等，有利于提高光热发电的效率，降低初投资。对光热发电空冷系统选择和优化配置的研究具有重要意义。

1 光热发电概述

目前，太阳能光热发电在技术上和经济上可行的有太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电、太阳能抛物槽式热发电、太阳能线性菲涅尔式热发电几种方式。

在上述几种技术中，抛物面槽式领先一步。截至2010年，全球已投入运行的光热装机容量达988.65 MW，其中，槽式占94.57%，塔式次之，占4.37%。据我国电力规划，2020年要实现3000 MW光热发电装机的最低目标，市场规模将超过千亿元。

2 空冷系统的型式

电站空冷技术是一种节水型发电技术，它采用翅片管式的空冷散热器，用环境空气来冷凝汽轮机的排汽。空冷技术不但可以大大增加选址的灵活性，避免水资源的大量消耗等环境方面的诸多负面影响，而且可以避免采用水冷系统时冷却塔水雾气团使空气能见度下降所带来的反射镜光学效率下降问题。

2.1 空冷系统概述

目前，在火电中采用的空冷系统分为两种系统，即直接空冷系统和间接空冷系统。间冷系统和直冷系统在技术上都是成熟的，在国内外电站都得到广泛的应用[1]。

2.2 空冷系统的选择

2.2.1 设计参数确定

设计参数确定如表1、2、3所示。

2.2.2 空冷系统配置

不同空冷系统最佳配置结果如表4所示。

2.2.3 空冷系统方案经济性比较

不同空冷系统经济性结果如表5所示。

表1 汽机基础参数

表2 空冷系统优化基础数据

表3 典型年气温小时数

表4 不同空冷系统最佳配置结果列表（1台机组）

表5 不同空冷系统经济比较表 万元

从表5看出，若汽机排汽单独设置空冷系统，采用混凝式间冷系统较优，年总费用较小，次之为表面式间冷系统，再次之为直冷系统方案，其中总投资最小方案为直接空冷系统方案。

对于塔式光热发电，间冷系统十分适合，尤其是混凝式间冷系统。可利用集热塔兼顾空冷塔的功能，不用再单独设空冷塔。此塔结构采用钢结构塔型，便于施工和安装，不但减小了初投资，而且节省了大量耗电，使机组多发电。散热器垂直布置于集热塔（空冷塔） 四周；对于槽式、蝶式和菲涅尔式光热发电，采用间冷系统，往往受厂址边界和全厂总体布置的限制，例如场地为狭长型，无论空冷塔（采用混凝式塔高为160 m，采用表面式塔高175 m） 布置于聚光集热子系统的东侧或西侧，均存在光线遮挡，影响光照时间，且塔越高，遮挡越多，同时不利于全厂的总体灵活布置。间冷系统散热器管束的最佳流速为1.0～1.5 m/s，而采用常规间冷系统散热器管束流速比较低仅为0.4～0.7 m/s，当机组运行背压比较低时，需要的间冷系统配置规模比较大，极易造成散热器在冬季运行时发生冻裂事故。因此不建议采用间冷系统，宜采用直接空冷系统。其中直接空冷系统不存在炉后风的影响，且布置更灵活，而机力通风+表面式间冷系统耗电量比直冷系统多。

3 直接空冷系统运行背压的优化

光热发电不同于火电机组，1 d中温度最高时段为12:00—16:00点之间，如图1所示，机组负荷相应时段发电量最高，如图2所示。在环境温度高温时段，机组想要发更多的电，一种措施为直冷空冷系统风机110%转速运行，另一种措施为增加散热面积及风机风量，最终都将导致耗电量增多。如何确定合理的夏季环境温度和设计背压，既能满足业主多发电的需求，又不至于多发出的电量与风机额外增加的功耗相抵消，白白做无用功，甚至多发出的电量还不够风机额外增加的功耗，将得不偿失。

图1 夏季7月某1 d中气温变化趋势示意图

图2 夏季7月某1 d中机组负荷变化趋势示意图

表6 直接空冷系统配置优化比较表

从表6可以看出，夏季环境温度为26℃时，对应的直接空冷系统配置为最优。利用环境温度26℃的直冷系统规模反算机组满发时（环境温度32℃）设计背压为10 kPa，这时的直接空冷系统配置是最合理的。不是机组设计背压越低，对机组运行越有利，而是空冷配置规模和机组的设计背压存在一个最佳经济点。

直接空冷系统控制灵活，防冻性能较好，度夏措施较多，通过采用各种措施，噪音控制能够满足要求；在夏季运行时可以满足排汽冷却需要（夏季环境温度26℃及以下时段，不满小时数为367 h，可使机组运行背压达到8 kPa，等同于夏季环境温度32℃及以下时段，不满小时数为0 h，可使机组运行背压达到10 kPa）；在冬季运行时，为防止散热器发生冻裂，机组运行最低背压宜维持在8 kPa左右；同时，采用钢筋混凝土框架支撑，与采用传统的钢桁架+空冷支柱支撑相比，可减少投资费用，由于空冷平台高度不高约20 m，若今后为缩短施工进度，空冷散热器支撑平台可采用钢支撑结构（国内和国外均有投运工程）。本工程在冬季运行时，排汽流量将减少，通过阀门隔离、变频控制风机组等措施，可以灵活控制冷却能力，以满足不同的蒸汽流量及背压控制要求；在冬季运行时，可满足机组频繁启停的防冻需要（直冷可按需提供风机投运数量及转速）。

4 结论

直冷系统、常规间冷系统（表凝式、混凝式）、机力通风间接空冷方案比较得出，采用混凝式间冷系统年总费用最小，次之为表面式间冷系统，再次之为直冷系统方案，其中总投资最小方案为直接空冷系统方案。

对于塔式光热发电，间冷系统十分适合，尤其是混凝式间冷系统。可利用集热塔兼顾空冷塔的功能，不用再单独设空冷塔；对于槽式、蝶式和菲涅尔式光热发电，采用间冷系统，受厂址边界和塔高（混凝式塔高为160 m，表面式塔高175 m）的限制，不利于全厂的总体灵活布置。采用常规间冷系统散热器管束流速比较低仅为0.4～0.7 m/s，由于机组背压比较低，需要的间冷系统配置规模比较大，极易造成散热器在冬季运行时发生冻裂事故。因此，若机组背压比较低，不建议采用常规间冷系统，宜采用直接空冷系统。

光热发电不同于常规火电机组，1 d中温度最高时段为12点到16点之间，光热机组负荷相应时段发电量最高，因此，直接空冷配置规模和机组的设计背压存在一个最佳经济点。建议直接空冷系统的设计背压取值在10 kPa为宜，夏季环境温度取值典型年的最高温度，可满足机组满发出力的需求。