中電建西北院：塔式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景

趙智剛001 2020-05-14

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2019年9月19日，中電建青海共和50MW太陽能熱發(fā)電項目并網(wǎng)發(fā)電，這是我國首批太陽能熱發(fā)電示范項目中第三座并網(wǎng)發(fā)電的熔鹽塔式太陽能光熱電站，也是中國電建集團(tuán)首個自主投資、設(shè)計和建設(shè)的太陽能熱發(fā)電項目。該項目總占地面積2.12平方公里，采用近3萬面20平米定日鏡，吸熱器中心標(biāo)高210米，選用二元熔鹽作為傳儲熱介質(zhì)，溫度參數(shù)是290/565℃，儲熱時長6小時，汽輪機選用超高壓、一次再熱、雙缸雙轉(zhuǎn)速、直接空冷凝汽式汽輪機，額定功率50MWe。

圖：中電建青海共和50MW熔鹽塔式光熱電站

中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司（簡稱中電建西北院）是該項目EPC總包方，并與中國電建集團(tuán)所屬水電顧問公司共同投資。

4月30日下午，中電建西北院項目設(shè)總、高級工程師王曉博士作客國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟與中國可再生能源學(xué)會太陽能熱發(fā)電專委會開展的『太陽能光熱說』公益講堂第3期直播節(jié)目。他以中電建青海共和50MW塔式太陽能光熱電站工程實踐為核心，在線分享了“塔式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景”。

王曉博士介紹說：塔式太陽能光熱電站的一個顯著優(yōu)勢和特點是可以使用高溫熔融鹽進(jìn)行儲熱。一方面，與鋰電池、鉛酸電池等相比，熔融鹽具有無污染、成本低，不衰減（不受循環(huán)次數(shù)限制），安全及可靠等優(yōu)點；另一方面，由于儲熱環(huán)節(jié)的存在，太陽能光熱電站具有電力調(diào)度自由、出力特性平滑等特點。

中電建共和50MW太陽能熱發(fā)電項目的工程設(shè)計全面應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)多專業(yè)、多軟件、多數(shù)據(jù)的數(shù)字化集成和三維深化協(xié)同設(shè)計，為項目高質(zhì)量、高效率建設(shè)提供了技術(shù)層面的保證。

中電建西北院的創(chuàng)新團(tuán)隊，面向電站系統(tǒng)的能量傳遞過程開展系統(tǒng)性研究工作。進(jìn)行了太陽圓盤能量分布仿真，建立全場坐標(biāo)系，實現(xiàn)定日鏡坐標(biāo)和吸熱器坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。并揭示了我國西北部環(huán)境條件下，鏡場中不同區(qū)域典型定日鏡的高度角、方位角區(qū)間分布情況。

結(jié)合各類邊界條件，研究基于實際工況的鏡場各分項光學(xué)效率計算方法，面向鏡場系統(tǒng)效率計算的難點問題，將改進(jìn)的多邊形鏈表法與光線追跡法結(jié)合，使得算法的時間復(fù)雜度大幅降低；可在保證準(zhǔn)確率的前提下，大幅節(jié)約計算時間。

針對鏡場與吸熱器的耦合問題，中電建西北院開展了定日鏡光斑成形規(guī)律及吸熱器熱流密度分布研究，并以計算仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，對吸熱器功率、吸熱塔結(jié)構(gòu)外形、鏡場排布等進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。并在前述研究的基礎(chǔ)上，采用機理建模的方法建立了塔式光熱電站各主要設(shè)備的靜態(tài)和動態(tài)模型，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法，建立了運行邊界條件的預(yù)測模型，研發(fā)出塔式光熱電站性能評估和預(yù)測仿真軟件平臺。同時，完善了鏡場精度的檢測和基于實際運行結(jié)果的模型修正流程。

中電建西北院將工程建設(shè)與信息技術(shù)深度融合打造數(shù)字化工程，并在示范項目的建設(shè)過程中充分利用BIM技術(shù)。利用BIM技術(shù)建立與真實物理電站對應(yīng)的數(shù)字化虛擬電站，將實體工程的每一個部位、設(shè)備、管線對象化、虛擬化并形成數(shù)字資產(chǎn)，為數(shù)字化建設(shè)、移交、運維提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大大提高了施工效率，并保證了施工過程的可靠性。王曉博士說。

據(jù)悉，該示范項目已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、自動監(jiān)視以及自動保護(hù)，同時移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代前沿信息技術(shù)正在加速與能源工程創(chuàng)新融合，電站建設(shè)運維正在由數(shù)字化走向智能化。

為提升電站數(shù)字化水平，中電建西北院以三維模型和虛擬現(xiàn)實為載體，進(jìn)行統(tǒng)一檔案的統(tǒng)一管理；并根據(jù)三維模型，進(jìn)行仿真培訓(xùn)和虛擬巡視。

對于太陽能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用，王曉認(rèn)為，太陽能熱發(fā)電技術(shù)可以以多種發(fā)電的混合匹配，如當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的塔式+槽式，光熱+光伏，光熱+多種新能源互補等方式，同時拓展到不同的應(yīng)用場景，如，光熱+氫能，太陽能煤油，光熱+海水淡化等。

在演講中，王曉博士也提到了太陽能熱發(fā)電的技術(shù)革新。如，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可以充分利用塔式太陽能熱發(fā)電的高聚光比與高溫優(yōu)勢；吸熱、儲熱介質(zhì)工作溫度進(jìn)一步提升，如利用液態(tài)金屬吸熱、鐵基復(fù)合蓄熱材料儲熱；進(jìn)一步將發(fā)電系統(tǒng)的工作溫度提高到700℃以上，大幅度提升太陽能溫度利用區(qū)間，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，實現(xiàn)整體發(fā)電系統(tǒng)的高效、清潔、能源梯級利用。

根據(jù)研究，太陽能熱發(fā)電全生命周期二氧化碳排放極低〔約17g/（kW·h）〕，是真正環(huán)境友好型技術(shù)，同時也是電網(wǎng)友好型可再生能源發(fā)電形式；不僅是節(jié)能減排的重要手段之一，同時也是解決當(dāng)前可再生能源發(fā)電波動性對電網(wǎng)安全性影響問題，能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。