塔式光熱電站功率預(yù)測分析

王曉兵 全明福

摘 要：塔式光熱發(fā)電作為一種穩(wěn)定、綠色的新能源電力產(chǎn)業(yè)，太陽能光熱發(fā)電成為目前國家重點(diǎn)支持和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。配備足夠儲熱容量的塔式光熱發(fā)電站相較光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以平抑外部多變氣象條件擾動，輔以光熱電站功率預(yù)測系統(tǒng)等科學(xué)的運(yùn)行模式后，太陽能熱發(fā)電站可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，因此，被看作最有前景的可再生能源利用技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：塔式、光熱、光功率、預(yù)測

前言

在光熱電站運(yùn)行過程中，由于太陽直射輻射的隨機(jī)變化和光熱電站的動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，光熱電站的發(fā)電功率往往會出現(xiàn)較大波動，甚至停機(jī)。如果能夠?qū)μ栔鄙漭椛浜凸鉄犭娬驹谖磥硪欢螘r(shí)間內(nèi)的發(fā)電功率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，可避免機(jī)組負(fù)荷的大幅度變化，提高電站出力的穩(wěn)定性，延長電站設(shè)備的運(yùn)行壽命。

塔式光熱電站功率預(yù)測

塔式光熱電站功率預(yù)測系統(tǒng)是以獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，鏡場運(yùn)行數(shù)據(jù)，吸熱器能流密度，儲換熱系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等模塊數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)電站短期、超短期和中長期的功率預(yù)測及上報(bào)，最終滿足電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的需要，下面就光熱電站功率預(yù)測主要模塊及功能做以下分析。

氣象監(jiān)測與預(yù)報(bào)模塊：采集當(dāng)前電站運(yùn)行所需的關(guān)鍵氣象參數(shù)，數(shù)據(jù)來自氣象監(jiān)測站。氣象參數(shù)主要包含：直接輻射、水平總輻射、散射輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、氣壓等。將采集的氣象數(shù)據(jù)各參量分析，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練，預(yù)測未來時(shí)間段內(nèi)的氣象輻射度趨勢。

氣象數(shù)據(jù)預(yù)測校正模塊是將氣象監(jiān)測及預(yù)報(bào)模塊和氣象預(yù)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，依據(jù)鏡場的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的變化率，各輻照度頻率分布等參數(shù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法校正氣象變化，得到修正后的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

歷史氣象數(shù)據(jù)庫模塊模塊是將氣象儀和氣象預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，實(shí)現(xiàn)對歷史日、月和設(shè)定區(qū)間的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性統(tǒng)計(jì)、輻照度頻率分布、氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)等。

鏡場運(yùn)行監(jiān)測模塊：鏡場由液壓驅(qū)動部分將定日鏡驅(qū)動，根據(jù)特有的算法角度跟蹤太陽，將太陽光反射到吸熱器上，是太陽能系統(tǒng)的集熱部件，它的功能是接收到的已聚焦的太陽輻射能量，轉(zhuǎn)換為熱能。本模塊監(jiān)測集熱場運(yùn)行參數(shù)，如鏡面旋轉(zhuǎn)夾角，鏡面工作狀態(tài)、集熱器溫度、集熱器壓力等參數(shù)。

（1）主反射鏡面輻射能

集熱系統(tǒng)接收到的太陽輻射能Qin為

式中：

I為太陽輻射強(qiáng)度;

A為主反射鏡的聚光面積;

（2）集熱場的熱效率η

式中：

m（t）為t時(shí)刻集熱器進(jìn)口導(dǎo)熱介質(zhì)流量函數(shù)，kg;

Cp1（t）為t時(shí)刻集熱器入口工質(zhì)溫度對應(yīng)的比熱，J/（kg·℃）;

T1（t）為t時(shí)刻集熱器入口溫度，℃;

Cp2（t）為t時(shí)刻集熱器出口工質(zhì)溫度對應(yīng)的比熱，J/（kg·℃）;

T2（t）為t時(shí)刻集熱器出口溫度，℃;

I（t）為t時(shí)刻法向直接輻射量，kWh/m2;

儲換熱系統(tǒng)預(yù)測模塊：儲熱系統(tǒng)由儲熱材料、容器、溫度、流量、壓力測量控制儀器、泵或風(fēng)機(jī)、電機(jī)、閥門管道、支架及絕熱材料構(gòu)成的儲存并可提供熱能，加熱蒸汽發(fā)生器，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電及泄漏探測，內(nèi)置燃料，液體攪拌，容器內(nèi)填放材料和排泄等組成的材料。本模塊根據(jù)當(dāng)前儲換熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行儲能容量預(yù)測。獲取儲熱器溫度、集熱場輸入功率、換熱器溫度和流量，計(jì)算儲熱罐儲能的實(shí)時(shí)值，預(yù)測儲熱罐儲能趨勢。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)預(yù)測模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行工況主要參數(shù)，根據(jù)蒸汽壓力、溫度、流量等關(guān)鍵參數(shù)建模預(yù)測蒸汽出力曲線。因此，根據(jù)蒸汽參數(shù)的變化（溫度、壓力、流量）趨勢，可以預(yù)測出蒸汽流量曲線。

汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)預(yù)測模塊：汽輪發(fā)電機(jī)組的核心包含蒸汽輪機(jī)、冷凝器、發(fā)電機(jī)等。本模塊包含：

（1）汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測功能

汽輪機(jī)組將高溫、高壓蒸汽具有的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成機(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，這是一種復(fù)雜系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，必須及時(shí)排除，否則會對機(jī)組發(fā)電功率造成嚴(yán)重影響。汽輪機(jī)組常見的振動故障（轉(zhuǎn)子不平衡故障、轉(zhuǎn)子動靜摩擦故障、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中故障等）。

（2）發(fā)電設(shè)備效率出力預(yù)測功能

發(fā)電機(jī)作為電站運(yùn)行中的重要設(shè)備之一，對電站的運(yùn)行質(zhì)量有很大影響，因此，電站運(yùn)行過程中必須要積極加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)故障的檢測和排除。主要包含：對發(fā)電機(jī)組溫度上升情況、冷卻介質(zhì)情況、電流、電壓等工況監(jiān)測，采用發(fā)電機(jī)組歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測出力效率。

根據(jù)汽輪機(jī)內(nèi)功率和蒸汽參數(shù)有如下關(guān)系：

式中：

pi為內(nèi)功率，MW;

G為蒸汽流量，t/h;

Δhi為比焓，KJ/kg;

ηri為汽輪機(jī)內(nèi)效率。

光熱電站發(fā)電功率預(yù)測模塊：模塊主要實(shí)現(xiàn)電站短期、超短期和中長期的光功率預(yù)測計(jì)算，以及參數(shù)配置管理、誤差分析、預(yù)測對比等功能。

電站運(yùn)行模式優(yōu)化模塊：本模塊是從氣象、功率模塊獲取電站當(dāng)前運(yùn)行主要參數(shù)，預(yù)測未來發(fā)電趨勢，結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)度指令數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得出未來一定時(shí)間內(nèi)電站需要采取的最優(yōu)發(fā)電和工作模式。

綜上所述，塔式光熱功率預(yù)測系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間是相輔相成，塔式光熱電站發(fā)電功率預(yù)測模塊是核心。通過以上模塊對太陽直射輻射和光熱電站在未來一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)電功率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，可避免機(jī)組負(fù)荷的大幅度變化，提高電站出力的穩(wěn)定性，延長電站設(shè)備的運(yùn)行壽命。

參考文獻(xiàn)：

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