槽式太陽能熱發(fā)電站集熱場安裝布置淺析

0 引言

由于化石燃料面臨枯竭，且環(huán)境問題日益嚴(yán)重，人們對于清潔可再生能源的關(guān)注度日益增強(qiáng)。眾所周知，太陽能是取之不竭、用之不盡的潔凈自然能源。為了從源頭上解決環(huán)境污染和能源枯竭這兩大難題，太陽能的開發(fā)利用已上升至重要的戰(zhàn)略地位。國內(nèi)外利用聚光集熱太陽能熱發(fā)電技術(shù)去彌補(bǔ)或替代化石燃料的發(fā)電缺口，以緩解日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，并具備了商業(yè)化發(fā)展的條件，將會(huì)越來越得到專家學(xué)者和社會(huì)各界的認(rèn)同與高度重視。

從目前國際上采用聚光集熱太陽能熱發(fā)電技術(shù)的項(xiàng)目來看，在槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式等太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，槽式、塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用相對成熟。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)最為成熟，占太陽能熱發(fā)電總裝機(jī)容量的91%以上[1]。因此，重點(diǎn)研究槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱場安裝布置問題，優(yōu)化電站集熱場集熱器的平面布置方案，不僅有利于電站的安全運(yùn)行，還有助于降低工程投資，具有十分重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

在槽式太陽能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)中，對整個(gè)集熱場設(shè)備進(jìn)行管道布置是電站設(shè)計(jì)的核心之一。在國內(nèi)目前還缺少相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的背景下，結(jié)合筆者工作實(shí)踐，并借鑒學(xué)習(xí)國內(nèi)外同類型機(jī)組成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，本文針對在槽式太陽能熱發(fā)電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)中集熱場集熱器設(shè)備和管道的安裝布置，以及其他設(shè)備設(shè)施的整體布局，進(jìn)行了拋磚引玉的分析探討，希望借此與諸位專家學(xué)者一道，共同提高我國槽式太陽能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，以便更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 全廠區(qū)集熱場安裝總布置方案的基本原則及具體操作

1.1 全廠區(qū)集熱場安裝總布置基本原則

槽式太陽能熱發(fā)電站集熱場集熱器的平面規(guī)劃布局，除參考GB 50049-2011《小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》的技術(shù)要求外，還要根據(jù)所選廠址的自然條件、太陽能熱電站廠區(qū)總體規(guī)劃、集熱場集熱器的特點(diǎn)和施工運(yùn)行條件等，綜合考慮熱機(jī)、電氣、熱控、水工、化學(xué)、土建、總圖等專業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再確定[2]。

集熱場的布置需滿足光熱熱載體(導(dǎo)熱油) 換熱工藝流程的要求，應(yīng)結(jié)合集熱場集熱器的特點(diǎn)，做到布局緊湊適當(dāng)，集熱器之間的導(dǎo)熱油管道連接整齊，且閥門便于操作、維護(hù)。在導(dǎo)熱油被加熱后流經(jīng)一系列的油汽(油水)換熱器時(shí)，力求按照流經(jīng)的先后順序統(tǒng)籌考慮這些設(shè)備的總體布置，以盡量減少設(shè)備和管道之間的交叉布置，盡量避免倒流及增加工程量等現(xiàn)象的出現(xiàn)。綜合考慮汽輪發(fā)電機(jī)組各系統(tǒng)的技術(shù)要求，做到集熱場導(dǎo)熱油系統(tǒng)與汽機(jī)熱力系統(tǒng)的布置相協(xié)調(diào)，既要流程合理、技術(shù)先進(jìn)，又要做到巡回檢查通道暢通，為運(yùn)行安全和操作維護(hù)方便等創(chuàng)造條件。

1.2 全廠集熱場安裝總布置方案的具體操作

1.2.1 集熱場總規(guī)劃

在槽式太陽能熱發(fā)電站項(xiàng)目中，廠區(qū)常規(guī)由綜合生產(chǎn)辦公區(qū)域和集熱場區(qū)域兩部分組成。太陽能熱發(fā)電站綜合辦公區(qū)域包括綜合生產(chǎn)辦公樓、汽輪發(fā)電機(jī)組廠房、集中控制室、升壓站、屋外配電裝置、空氣壓縮機(jī)室、水工系統(tǒng)及設(shè)施、水處理系統(tǒng)及設(shè)施、生活區(qū)等。集熱場區(qū)域，通常主要包括集熱器、導(dǎo)熱油循環(huán)油泵房、膨脹溢油系統(tǒng)裝置、熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)裝置、輔助熱源系統(tǒng)裝置、污油處理裝置設(shè)施、過熱器系統(tǒng)設(shè)備、蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)備、高壓加熱器系統(tǒng)設(shè)備、再熱器系統(tǒng)設(shè)備等[3]。85 MW太陽能熱發(fā)電站集熱場區(qū)域布置圖如圖1所示。

1.2.2 布置方案簡介

1)槽式拋物鏡面聚光集熱器說明。本文所述的槽式拋物鏡面聚光集熱器[4]元件的開口直徑為5.83 m，單個(gè)鏡面元件的有效面積為74.80 m2。集熱器元件的外型長為12.36 m，布置相對標(biāo)高為4.5 m[5]。1個(gè)集熱器單元由12個(gè)集熱器元件構(gòu)成，其鏡面有效面積為897.50 m2，總有效長度為148.32 m。1個(gè)集熱器循環(huán)回路由4個(gè)集熱器單元構(gòu)成，其鏡面有效面積為3590 m2，總有效長度為 593.28 m。

圖1 85 MW太陽能熱發(fā)電站集熱場區(qū)域布置圖

2)槽式拋物鏡面聚光集熱器的安裝布置方式。槽式拋物鏡面聚光集熱器的安裝布置通常有水平南北向布置、水平東西向布置，以及水平南北和東西向混合布置。其安裝布置方式的選取除了需要滿足集熱場的吸熱最為有利外，還需考慮：①當(dāng)太陽能熱發(fā)電站地處中高緯度且為純凝汽式發(fā)電機(jī)組時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用水平南北向布置方式，比如，西班牙安德索50 MW槽式太陽能熱發(fā)電站就采用的這種布置方式。②當(dāng)太陽能熱發(fā)電站地處中高緯度且為供熱式發(fā)電機(jī)組時(shí)，在冬季兼顧供熱，宜采用水平東西向布置方式，比如，美國內(nèi)華達(dá)州 50 MW Solar One 槽式熱發(fā)電廠的集熱器就是采用的這種布置方式；通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，也可采用水平南北向和東西向混合式布置方式，比如，西班牙南部阿爾梅里中型槽式太陽能熱發(fā)電站就是采用了南北向和東西向混合的布置方式。③當(dāng)太陽能熱發(fā)電站地處低緯度時(shí)，太陽光入射角大，采用水平南北向布置或東西向布置均能達(dá)到設(shè)計(jì)效果，因考慮到簡化跟蹤系統(tǒng)，建議采用水平東西向布置[6-7]。從國外成功的槽式太陽能熱發(fā)電工程分析可知，各種布置方式各有利弊，本文中集熱場集熱器的安裝布置方式采用東西向布置。

3)為防止前排單元集熱器對后排單元集熱器造成遮擋，相鄰前后排之間或集熱器與建筑物之間應(yīng)留有足夠的間距。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，一般的確定原則是：冬至日9:00～15:00的時(shí)間段內(nèi)，槽式拋物鏡面聚光集熱器不應(yīng)被遮擋。

4)圖1中的85 MW槽式太陽能熱發(fā)電站集熱場由624個(gè)集熱器單元組成，每個(gè)集熱器單元的安裝長度約為159.32 m。每個(gè)集熱器循環(huán)回路安裝總長度約為637 m，采用雙U形布置形式。集熱場集熱器采用東西向布置，集熱器之間行間距約為 18 m。

整個(gè)集熱場集熱器回路分4個(gè)區(qū)布置。集熱場導(dǎo)熱油母管采用枝狀結(jié)構(gòu)布置，每個(gè)區(qū)域均設(shè)置南北向運(yùn)維檢修主通道，集熱器單元之間的行間距均滿足運(yùn)維檢修通道要求。集熱場導(dǎo)熱油冷母管、熱母管沿主通道方向，通過地下管溝(或隧道)與儲(chǔ)熱系統(tǒng)和高溫過熱器、低溫過熱器、蒸汽發(fā)生器、高壓加熱器、高溫再熱器、低溫再熱器等換熱設(shè)備相連。集熱器單元之間的連接管道采用地下管溝布置，進(jìn)入集熱器單元的導(dǎo)熱油關(guān)斷閥均安裝在立管上便于操作的高度。

汽機(jī)房及集中控制室、生產(chǎn)辦公樓、屋內(nèi)外配電裝置室、水工系統(tǒng)及設(shè)施區(qū)、水處理系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施區(qū)等，均布置在電站廠區(qū)西北角。

在汽機(jī)房與導(dǎo)熱油循環(huán)泵房之間，布置有高溫過熱器等油汽(水)換熱裝置區(qū)，沿西向東依次露天布置有高溫過熱器、低溫過熱器、蒸汽發(fā)生器、高壓加熱器、高溫再熱器、低溫再熱器油汽(水)換熱裝置等。

導(dǎo)熱油循環(huán)泵房布置在廠區(qū)的北側(cè)中間偏東的位置，泵房內(nèi)布置有4臺(tái)循環(huán)泵、2臺(tái)溢油泵。緊鄰泵房西側(cè)布置有膨脹溢油系統(tǒng)的膨脹緩沖油罐、導(dǎo)熱油溢油罐設(shè)備。泵房東側(cè)布置有儲(chǔ)油罐、事故油罐、輔助熱源燃料儲(chǔ)罐、污油處理設(shè)施區(qū)，再向東布置有儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)備。導(dǎo)熱油循環(huán)泵房北側(cè)布置有空氣壓縮機(jī)房。

整個(gè)電站廠區(qū)東西方向?qū)捈s 1400 m，南北方向長約 1600 m，電站總占地 224 hm2。

2 集熱場安裝總布置時(shí)需注意的問題

1)槽式太陽能熱發(fā)電站的綜合辦公區(qū)域宜布置在廠區(qū)的上風(fēng)向或位于集熱場附近的位置，但需與集熱場分隔布置。由于導(dǎo)熱油存在污染，且存在易引燃著火等安全隱患，宜將主要建(構(gòu))筑物，如汽機(jī)房、機(jī)組集中控制室、屋外配電裝置、全廠空壓機(jī)室、水工系統(tǒng)及設(shè)施、水處理系統(tǒng)及設(shè)施相對獨(dú)立布置。生活設(shè)施獨(dú)立成塊布置。

2)槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱器循環(huán)回路之間應(yīng)留有足夠的安裝、檢修、吊裝空間，并留有清洗集熱器鏡面的汽車清洗通道。

3)槽式太陽能熱發(fā)電站場區(qū)集熱場平面布置設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，通過優(yōu)化平面布置，既要保證單元集熱器布置的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)，又要滿足工藝流程設(shè)計(jì)合理，還要保證運(yùn)行維護(hù)方便且節(jié)約用地。

4)確定槽式太陽能熱發(fā)電站的拋物鏡面單元集熱器之間的間距，通常需要先計(jì)算集熱器在一天中陰影長度的變化值，然后根據(jù)此值和檢修維護(hù)要求，綜合考慮氣象等諸多方面的因素，最后確定間距值。

太陽高度角的計(jì)算式為：

式中，φ為地理緯度，(? )；α為太陽高度角，(? )；δ為赤緯角，(? )；ω為太陽時(shí)角，(? )。

太陽方位角計(jì)算式為：

式中，γ為太陽方位角，(? )。

集熱器在太陽下的陰影總長度計(jì)算式為：

式中，h為前后排集熱器的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差，m；L0為集熱器的地面投影總長度，m。

集熱器的地面東西向投影長度L1計(jì)算式為：

集熱器的地面南北向投影長度L2計(jì)算式為：

3 結(jié)論

本文介紹了槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱場集熱器安裝布置時(shí)的基本原則。

1)槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱器安裝布置時(shí)，需將集熱器單元之間的間距計(jì)算分析之后，在滿足集熱器前后左右不遮擋和留有檢修通道的前提下，前后集熱器單元回路軸線距離應(yīng)盡量最小。集熱器循環(huán)回路采用U形布置，整個(gè)集熱場要盡量布置成正方形，最大限度節(jié)約用地。

2)大型槽式太陽能熱發(fā)電站的廠區(qū)布置規(guī)劃時(shí)，綜合辦公區(qū)域宜布置在廠區(qū)的上風(fēng)方向處，且集熱場區(qū)域宜分成幾個(gè)小區(qū)域進(jìn)行布置。

3)由于槽式太陽能熱發(fā)電站占地面積較大，在“五通一平”(一般包括：通水、通電、通路、通訊、通氣，平整土地)時(shí)，盡量使集熱場場地齊平，廠區(qū)宜為一個(gè)坡度。當(dāng)廠區(qū)南北向自然坡度≤2%時(shí)，集熱器可采用沿坡度方向的水平東西向布置；當(dāng)廠區(qū)南北向自然坡度＞2%或更大坡度時(shí)，應(yīng)采用多個(gè)臺(tái)階式布置[8]。