徐灿君 张 岗 曾 勇 黄 静 廖 锷 兰春旭 姜铁骝 张立栋，4

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司；2.新华水力发电有限公司；3.东北电力大学能源与动力工程学院；4.东北电力大学油页岩综合利用教育部工程研究中心）

太阳能是未来发展潜力最大的清洁能源之一［1］。 太阳能聚光集热发电和太阳能光伏发电具有碳排放量趋近于零的特点。 相比于光伏发电，光热发电具有光电转化率高、与燃煤电站和电网匹配性好、外加蓄热系统可完全解耦发电、稳定性好、调峰能力强及灵活等优点，是未来一种重要的发电形式，具有良好的发展前景［2］。太阳能聚光集热是将太阳辐射能转换成热能，储存到蓄热介质中用来发电的技术，但是各地气候具有多样性，四季光照时间和光照强度都不稳定，太阳能集热器的蓄热速率与其接收到的辐射强度直接相关［3］。 因此，地理位置是一个关键问题，每个地理区域都有不同的气候，此外这种气候决定的大气条件会影响收集器的效率［4］。近年来，蓄热技术逐渐成熟，蓄热装置可以进一步解决光热的波动性对汽轮机系统负荷的影响，光电项目为了保障供电的连续和稳定， 就需要使汽轮机持续运行，保证发电稳定［5］。因此，研究光热发电系统汽轮机的运行时间和集热器集热量对参与电厂调峰有重大意义。

光热发电技术近年来得到了应用和完善。 光热发电技术增加蓄热罐可以克服光伏发电的昼发夜停现象，使光热发电系统具有变负荷调控能力，响应频率可达每分钟最大负荷的1/5，同时，光热发电也具有一定的爬坡能力［6～9］。依据电厂运行策略进行灵活性调节，可提高新能源接入电网的灵活性。 李慧等总结了光热发电的原理，探究了光热衔接汽轮机系统并向发展的互补关系［10］。Qin J Y等通过太阳能辅助发电 （Solar Assisted Power Generation，SAPG） 研究太阳能与火电厂进行联合发电的最经济、最有效的途径，它利用太阳能加热给水并代替汽轮机抽汽，提高了发电效率［11］。 Liu G L 等通过DNI、太阳能倍数（Solar Multiple，SM）、热能储存（Thermal Energy Storage，TES）大小和调度分数（Dispatch Fractional，DF）建立系统模型，调节以上几个数据来提高对太阳能的利用率和发电量［12］。 曹瑞峰等利用Fluent对熔盐罐内的熔盐流动进行模拟， 总结了其动态特性，该结果对熔盐罐的运行有一定的指导意义［13］。董海鹰等通过使用光热电站辅助供热，根据火电机组的特性及其调峰能力的变化和不同时间段的负荷变化，指定其热电联产的运行策略，对光热电站进行调节，达到提高系统经济性的目的［14］。 耿直等通过对4个典型节气（春分、夏至、秋分、冬至）集热特性的研究和分析得出春分时逐时热电转化效率和发电输出较高，秋分时全系统的热电转化率较优［15］。 还有一些学者对光热电站的发电量、运行特性及参与火电站的调峰等方面做出优化分析，进一步提高光热电站发电效率［16～18］。

笔者利用EBSILON热力平衡软件搭建从集热到汽轮机运行的热力计算仿真模型，对某地区实际案例进行模拟，对春分、夏至、秋分、冬至4个节气的集热器集热量和光热电站最大连续运行时间、发电量进行分析和研究，为火电厂和电网的运行策略和调峰提供参考。

1 系统建模

如图1所示， 光热发电机组主要由集热系统、蓄热系统和汽轮机系统组成。集热系统和蓄热系统中管道内为熔盐介质； 汽轮机系统主要由主蒸汽系统、抽气系统、辅助蒸汽系统、给水系统、凝结水系统、高压加热疏水及放气系统、低压加热器疏水及放气系统等组成。 本光热发电汽轮机系统有8级抽气，3台高压加热器，4台低压加热器， 在三级抽气管路上设置外置式蒸汽冷却器，以达到增加回热效率，降低热量消耗的作用。

图1 菲涅尔式聚光太阳能热发电系统的结构示意图

1.1 光热发电系统数学模型

1.1.1 集热系统

对于集热-吸热系统， 通过分析热力平衡可以得出集热器的运行温度Trun为：

在容积恒定条件下可得：

图2为光热电站数学模型的函数传递框图。其中，Q0为蒸汽的热耗量；FHP、FIP、FLP为高、 中、低压缸的机械功率比例系数，TmH、TmI、TmL为高、 中、低压缸的输出转矩；Pm为最终汽轮机的输出功率；Tm为最终汽轮机的输出转矩；ω为汽轮机的转速；C为比热；m为质量流量；TCH为汽门到高压缸的效应时间常数；TRH为高压缸到中压缸的效应时间常数；TCO为中压缸到低压缸的效应时间常数。

图2 光热电站函数传递框图

1.2 模型验证

根据汽轮机热平衡图在热耗率验收工况（Turbine Heat Acceptance，THA）的理论数据与模拟结果进行验证，结果列于表1。 由采用EBSILON建立光热发电站的模型图可知其计算结果与设计数据基本吻合，在误差允许范围内，满足理论分析的要求。

表1 光热电站THA工况下的模拟验证

2 仿真结果分析

2.1 蓄热量及蓄热特性

图3所示为4个典型节气日附近8天连续蓄热模拟太阳DNI变化与罐内熔盐量的变化情况。 该集热器在春分节气集熔盐量10 539.6 t，在夏至节气集熔盐量22 909.3 t，在秋分节气集熔盐量10 860.4 t，在冬至节气集熔盐量8 730.8 t。夏至日附近8天集热量相比春分、秋分、冬至节气呈现优势，多集熔盐量在10 000～14 000 t。

春分8天内， 可达到春季平均DNI的天数为3天，第3天的DNI接近晴天值，但第4天由于天气的影响导致DNI比第8天的小， 第7天DNI值较为稳定。由于最大的连续蓄热时间为15 h，根据图3a所示，判断第7、8天为春分时节的最大集热量，即第7、8两天连续15 h储存的熔盐量比其他时间多。

图3 4个典型节气连续蓄热特性

夏至连续8天蓄热， 其天气较好， 集热速率高，第1、2天DNI为典型夏季晴朗日，虽然之后天气情况变化导致DNI值连续波动， 致使蓄热时间减少，蓄热放缓，但整体的蓄热潜力比春季大一倍，连续蓄热量为春分时的2.17倍，即选择第1、2两天连续15 h为夏至最大连续集热。

秋分8天内，达平均DNI值的天数为4天，其总蓄热量与春季相差340 t，剔除极端天气，其天气情况与春季相似，但DNI波动性依然明显，熔盐蓄量也放缓，第7天为8天内DNI最好的天气，即选择第7、8天为连续15 h秋分最大连续集热。

冬至8天的前两天为雨雪极端天气， 除去极端天气外，天气情况和夏天类似，第3天开始稳定集热， 但由于环境温度较低和太阳DNI的降低导致蓄热量并不理想，甚至比天气不稳定的春季和秋季少2 000 t，热经济性全年最低。 根据图3d中所示趋势选择第3、4天连续15 h为冬至最大连续集热。

2.2 光热电站发电量及运行时间

图4为春分、夏至、秋分、冬至连续15 h最大储存熔盐量 （由最大蓄热熔盐量改成最大储存熔盐量），从图中可以看出春分最大连续熔盐量为4 172.150 t， 夏至最大连续熔盐量为4 802.497 t，秋分最大连续熔盐量为3 654.616 t， 冬至最大连续熔盐量为3 474.760 t。 即夏至蓄热效果最好，冬至蓄热效果最差，春分蓄热效果略好于秋分。

图4 4个节气15 h最大连续蓄热熔盐量

图5表示春分、夏至、秋分、冬至连续15 h集热曲线。 从图3b中红色圈中可以看出夏至DNI趋势较好没有明显波动。 图4中也显示夏至集热趋势最好，其他3个节气的DNI在图3中存在明显波动，其集热曲线也有明显的波动。

图5 4个节气连续15 h集热曲线

计算春分、夏至、秋分、冬至4节气15 h总集热量公式为：

其中，Q1、Q2、Q3、 …表示为每15 min的集热量。

根据上述公式计算可知春分15 h连续最大集热量为5.8×106kJ， 夏至15 h连续最大集热量为6.6×106kJ，秋分15 h 连续最大集热量为4.7×106kJ，冬至15 h连续最大集热量为4.1×106kJ。 即得到4个典型节气15 h最大连续为汽轮机提供运行的总能量。

笔者采用热耗的方法来评定汽轮机的性能，热耗Q0的计算公式为［20］：

Q0=G0hms+Grhrhrhr-Grhlhrhl+Gmahma+Gffhf-Gfwhfw-Gsshss-Grshrs（9）

式中 G0——主蒸汽流量，kg/h；

Gf——补充水流量，kg/h；

Gfw——最终给水流量，kg/h；

Gma——扩容蒸汽进入汽轮机的流量，kg/h；

Grhr——再热蒸汽流量，kg/h；

Grhl——高压缸排气流量，kg/h；

Grs——再热减温水流量，kg/h；

Gss——过热减温水流量，kg/h；

hf——补充水焓，kJ/kg；

hfw——最终给水焓，kJ/kg；

hma——扩容蒸汽进入汽轮机的焓，kJ/kg；

hms——主蒸汽焓，kJ/kg；

hrhl——高压缸排气焓，kJ/kg；

hrhr——再热蒸汽焓，kJ/kg；

hrs——再热减温水焓，kJ/kg；

hss——过热减温水焓，kJ/kg。

汽轮机运行时间T的计算公式为：

由图5可知春分、夏至、秋分、冬至4个节气的最大集热量， 根据某案例全解耦的运行方式，即可得出光热电站参与调峰的时间。 从图6可以得出在THA工况下，100%THA、75%THA、50%THA、30%THA（对应的发电功率为47.0、34.5、23.0、13.8 MW）工况下4个节气参与调峰的时间。 结合图6，根据国家电网和火力发电厂的需求改变工况，进行调峰调度，增加新能源的上网，减小传统能源消耗，即能达到节能环保效果。

图6 不同工况与运行时间的关系

分别如图7所示，15 h最大连续集热量供应汽轮机在100%THA、75%THA、50%THA、30%THA工况下4个典型节气的发电量， 春分时平均发电量为33 kW·h；夏至时平均发电量为38 kW·h；秋分时平均发电量为27 kW·h； 冬至时平均发电量为23 kW·h。 由此可以看出夏至连续15 h内的发电量最多，冬至最少。 从图7 中可以看出在30%THA工况下发电量显著下降， 充分说明在30%THA工况下的经济性较低。 所以汽轮机应尽量保持高负荷运行，提高其经济性。 根据火力发电厂的运行策略和光热电站的发电量，对光热发电进行上网，增加新能源的上网总量，减小化石能源消耗，对国家减小CO2排放的政策做出响应，达到保护环境的效果。

图7 不同工况与发电量间的关系

3 结论

3.1 依据4种节气的气象条件， 春分集热效率更高但气象条件不稳定， 夏至热效率低于春季，气象条件稳定，可利用蓄热时间较长，冬季的气象条件稳定但集热效率偏小，总体夏季的集热效果是最好的。

3.2 根据4个典型节气（春分、夏至、秋分、冬至）和某光热电站的全解耦运行模式，可以得出连续15 h的最大连续集热量和汽轮机在不同工况下的运行时间（即参与调峰时间）。4个典型节气15 h最大连续集热量可分别满足汽轮机在100%THA、75%THA、50%THA、30%THA工况下的运行时间和发电量。 在相同的工况下相同时间内夏至汽轮机的运行时间最长，春分运行时间略大于秋分运行时间，冬至运行时间最短。

3.3 由于4个典型节气运行时间不同， 夏至发电量最多，冬至发电量最少，冬至比夏至多发电约11 kW·h，在春分、夏至、秋分、冬至4个典型节气中汽轮机负荷低于50%时其发电量明显降低，经济性显著下降。 根据光热发电站运行时间及发电量充分配合电网调峰， 增加新能源的利用方式，为火电厂的发电系统改造提供参考。