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系统仿真是解决当前太阳能热发电设计、控制策略优化和运维等问题的重要手段
[2017-09-12]
  太阳能热发电技术的商业化发展,主要考虑的是成本的问题。完全依赖实验方法进行太阳能热发电设备的结构设计和产品研发,成本高,实验周期长,且不利于快速占据市场先机和提升技术附加效益。仿真技术作为工程化研究的一项重要工作内容,保证了在降低试验成本的同时加快产品的研发。国家863计划——太阳能槽式集热发电技术研究与示范主题项目“槽式集热、发电系统试验平台研究及示范系统”课题负责人,中国科学院电工研究所徐二树研究员在国家光热联盟发起主办的第三届中国太阳能热发电大会作了《系统仿真技术在太阳能热发电中的应用》的报告,相关发言内容整理如下:
图:中科院电工所研究员徐二树在第三届中国太阳能热发电大会进行报告
一、太阳能热发电系统比传统燃煤火力发电系统更为复杂
  太阳能热发电是将太阳能转换为热能,然后经过换热产生蒸汽进行发电的技术。目前主流的太阳能热发电主要有四种形式:槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。
  太阳能热发电系统比传统燃煤火力发电系统更为复杂。太阳能热发电系统是一个涉及多学科领域的复杂系统,光-热-电能量转换是多物理过程耦合,具有强烈非线性,非稳态的特征;能流输入存在间歇性,强烈非稳定。由于包含蒸汽发生器、储热系统以及辅助锅炉,因此从运行模式上来说,比传统燃煤火电站更为复杂。
图:槽式太阳能热发电系统原理图
二、太阳能热发电系统如何才能达到投资方的预期目标?
  设计建设太阳能热发电系统能否达到投资方的预期目的,发电量、技术方案和关键设备的性能等都是我们需要关注问题。除此以外,系统运维尤为关键。
  对于系统运维,我提出一个“全工况”的概念,即:设计的太阳能热发电系统是否能够“全工况运行”。另外,太阳能热发电系统是否能够“安全、灵活操控”和培养高水平的运行管理人员,对太阳能热发电电站的安全经济运行也是非常重要的。
 1、全工况运行
图:全工况运行流程
  系统除了冷态启动,温态启动,热态启动,正常停机,紧急停机外,还要考虑蒸汽发生系统的预热等辅助运行过程、一些故障工况以及多种运行模式之间如何切换。设计太阳能热发电系统应该满足这些要求。
2、安全灵活操控
  从操控性方面来说一定要灵活。我们课题组在1MW槽式导热油太阳能热发电项目设计的时候就面临这样的问题。如何制定控制策略?就聚光场来说,维持出口油温在设计值还是集热场得热量最大?聚光场出口油温达到多少时,进入蒸汽发生系统?在什么工况下,储热系统进行充放热经济性最好?最关键的控制参量有哪些?如何控制?不同气象条件下,运行模式如何切换?控制算法的比选及可行性?等等,这样的问题如何在系统设计过程中给出确切答案?
3、提高运行管理人员的水平
  运行人员的水平直接影响发电站安全经济性,美国联邦能源部“安全性专题报告”指出:电站的可靠性可以由改善设计和加强维护来改善,但这只占提高可靠性的20%—30%,另外70%—80%依靠运行人员。据美国核安全信息中心统计:“沸水堆事故的1/8,压水堆事故的1/6是由运行人员的误操作引起的。因此来说,高水平的运行人员对电站的安全,经济运行起着至关重要作用。太阳能热发电系统安全经济运行也不例外。太阳能热发电在我国刚刚起步,随着20个示范项目的实施,需要高水平的运行人员。我们如何得到高水平的运行管理人员呢?
  针对上述问题,我们的答案利用太阳能热发电仿真机来解决太阳能热发电面临的上述问题。

三、仿真系统的构成
  20多年前,我国火电机组从亚临界到超临界飞跃就是通过仿真机来提升运行人员技术水平的。
图:仿真系统的构成
  按照传统来说,仿真机的构成就是由硬件和软件系统来构成,但现在来说,电站整个系统构成把整个操作盘去掉了现在的仿真机主要是由计算机硬件构成,软件包括支撑系统、模型软件、通信软件、操作界面的DCS仿真软件。
图:STAR-90 仿真平台的主要技术特点
  我们采用的仿真平台是Star-90,适合石油化工系统、核电系统、火电系统和太阳能热发电系统等行业仿真机的开发。设备模型库从上世纪70年代到现在一直在丰富,而且是开源的,可以编写自己的程序。该仿真平台具有丰富的教练员台功能,可以进行灵活操作。

四、太阳能热发电系统仿真平台的开发
  我们的仿真平台是怎么做的呢?我以八达岭1MW的槽式系统为例做说明,我们先根据电站的系统构成,先进行系统的划分,在编写所有的传热换热工质物性计程序,在此基础上,采用模块化的建模方法,对每个设备,每个环节建立它的通用模型,再利用流体网络把它连接结在一起,就构成主体模型。
图:八达岭槽式太阳能热发电电站仿真机技术路线
图:DCS操控界面
  我们在开发界面,相当DCS界面,对运行过程中的设备进行组态,与建立的太阳能热发电系统仿真模型联合在一起,就构成了能够模拟整个电站运行和故障工况的仿真平台。
图:1MW 槽式太阳能热发电系统全工况仿真平台
 五、利用太阳能热发电仿真平台解决问题
  在电站建设初期,我们如何用仿真解决哪些设计方面的问题?就是用开发的仿真机进行所有预想的操作,比如,整个系统的启停操作、运行模式切换、一些辅助运行操作和一些典型的事故工况,来发现问题,优化系统设计。
图:用仿真机对太阳能热发电整体系统和各子系统的功能实现验证
  我用中科院电工所八达岭1MW塔式电站简单举个例子,这是“十一五”的科技项目。在前期设计时,我们在储热系统出口设计有一个锅炉,目的是保证进入汽轮机前的蒸汽参数要达到额定参数。该储能系统是两级储能,蒸汽蓄热器是出来的饱和蒸汽,通过上面的导热油加热进行加热,到达过热蒸汽。在设计之初,我们的出发点是通过一个锅炉地来保证来自储热系统的蒸汽参数为额定参数。但通过仿真结果发现,在储热系统出口的加热器存在一定的问题,发现它是一个多余的设备,对系统的运行带来了非常大的麻烦。原因在哪里?这个锅炉的产汽量为8吨,启动时间为40分钟,不能满足汽轮机的进汽要求。因此从表面上来看是满足要求的,但是在实际运行过程中发现是有问题的,因此,我们在后期进行了系统优化,取掉了储热系统出口的锅炉。
  另外前期设计汽轮机时,我们的要求是额定参数进气,但是通过仿真运行,发现太阳能在运行过程中达到额定参数的时候是不容易的,即使能达到,时间段比较短,发电小时数并不多,因此在设备订货的时候,把汽轮机从额定参数改成滑参数运行,大大提高了系统运行的灵活性,也增加了发电的小时数,因此,这是我们在塔式电站设计的时候,通过仿真机对塔式热发电系统进行了优化设计。
  针对系统灵活,也就是控制系统来说,我们通过仿真机对参数之间的相互耦合关系,他们相互的影响,我们也可以做一些实验,对控制系统的设计,或者说一些参数的选择进行了优化。
图:控制系统建模的过程
  一次大型事故带来的损失造成停机2天,对50MW的机组1.15元/kWh电价来简单计算,损失可能达到276万元。因此,优秀运行人员不光是按照操作规程,进行简单地操作,而是在紧急、危机情况下,做出正确的判断、采取合理的措施,尽量减少故障、事故带来的损失。可以通过仿真机对太阳能热发电站的运行人员进行培训,通过反复的启停操作、关键过程操作,反事故演练,可以快速提高运行人员的操作技术水平。
图:中科院电工所利用八达岭1MW槽式电站项目培训运行管理人员
图:1MW槽式太阳能热发电系统全工况仿真机
图:1MW槽式太阳能热发电系统全工况仿真机
  中科院电工所针对延庆1MW塔式太阳能热发电系统开发了相应的仿真平台;针对延庆1MW槽式太阳能热发电系统开发了相应的仿真平台;同时针对熔融盐塔式太阳能热发电系统开发了相应设备动态仿真模型,经过近10年的科研积累,具有开发塔式、槽式太阳能热发电系统仿真机的能力。
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