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徐二樹：系統仿真技術在太陽能熱發電中的應用
來源：光熱聯盟 | 0評論 | 5340查看 | 2017-09-07 17:08:00    
       太陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)(re)(re)發(fa)電技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)商業化發(fa)展，主(zhu)要(yao)考慮的(de)(de)是成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)的(de)(de)問題(ti)。完(wan)全依賴實(shi)驗方法進行太陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)(re)(re)發(fa)電設備的(de)(de)結構(gou)設計(ji)和(he)產(chan)品(pin)(pin)研(yan)(yan)發(fa)，成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)高，實(shi)驗周期長，且不(bu)利于快(kuai)速占據市場(chang)先(xian)機和(he)提升技(ji)(ji)術(shu)附加效益(yi)。仿真(zhen)技(ji)(ji)術(shu)作為工(gong)(gong)程化研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)一項(xiang)重要(yao)工(gong)(gong)作內容(rong)，保證了在降低試驗成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)的(de)(de)同(tong)時加快(kuai)產(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)。國家863計(ji)劃(hua)——太陽(yang)(yang)能(neng)槽式集熱(re)(re)(re)發(fa)電技(ji)(ji)術(shu)研(yan)(yan)究(jiu)與示(shi)范主(zhu)題(ti)項(xiang)目“槽式集熱(re)(re)(re)、發(fa)電系(xi)統試驗平臺(tai)研(yan)(yan)究(jiu)及(ji)示(shi)范系(xi)統”課題(ti)負(fu)責(ze)人，中國科(ke)學院電工(gong)(gong)研(yan)(yan)究(jiu)所徐二樹研(yan)(yan)究(jiu)員在第三屆中國太陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)(re)(re)發(fa)電大會(hui)作了《系(xi)統仿真(zhen)技(ji)(ji)術(shu)在太陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)(re)(re)發(fa)電中的(de)(de)應用(yong)》的(de)(de)報告，相關發(fa)言內容(rong)整(zheng)理如下：

　　一、太陽能熱發電系統比傳統燃煤火力發電系統更為復雜

　　太陽能熱發電是將太陽能轉換為熱能，然后經過換熱產生蒸汽進行發電的技術。目前主流的太陽能熱發電主要有四種形式：槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式。

   ;   圖：中科院電工所研究員徐(xu)二(er)樹在第三(san)屆中國太陽能(neng)熱發電大會進行報告(gao)

　　太陽能熱發電系統比傳統燃煤火力發電系統更為復雜。太陽能熱發電系統是一個涉及多學科領域的復雜系統，光-熱-電能量轉換是多物理過程耦合，具有強烈非線性，非穩態的特征；能流輸入存在間歇性，強烈非穩定。由于包含蒸汽發生器、儲熱系統以及輔助鍋爐，因此從運行模式上來說，比傳統燃煤火電站更為復雜。


　　圖：槽式太陽能熱發電系統原理圖

　    二、太陽(yang)能(neng)熱發電系統如何才能(neng)達到投資方的預期(qi)目標？

　　設計建設太陽能熱發電系統能否達到投資方的預期目的，發電量、技術方案和關鍵設備的性能等都是我們需要關注問題。除此以外，系統運維尤為關鍵。

　　對于系統運維，我提出一個“全工況”的概念，即：設計的太陽能熱發電系統是否能夠“全工況運行”。另外，太陽能熱發電系統是否能夠“安全、靈活操控”和培養高水平的運行管理人員，對太陽能熱發電電站的安全經濟運行也是非常重要的。

　　1、全工況運行

　　圖：全工況運行流程

　　系統除了冷態啟動，溫態啟動，熱態啟動，正常停機，緊急停機外，還要考慮蒸汽發生系統的預熱等輔助運行過程、一些故障工況以及多種運行模式之間如何切換。設計太陽能熱發電系統應該滿足這些要求。

　　2、安全靈活操控

　　從操控性方面來說一定要靈活。我們課題組在1MW槽式導熱油太陽能熱發電項目設計的時候就面臨這樣的問題。如何制定控制策略？就聚光場來說，維持出口油溫在設計值還是集熱場得熱量最大？聚光場出口油溫達到多少時，進入蒸汽發生系統？在什么工況下，儲熱系統進行充放熱經濟性最好？最關鍵的控制參量有哪些？如何控制？不同氣象條件下，運行模式如何切換？控制算法的比選及可行性？等等，這樣的問題如何在系統設計過程中給出確切答案？

　　3、提高運行管理人員的水平

　　運行人員的水平直接影響發電站安全經濟性，美國聯邦能源部“安全性專題報告”指出：電站的可靠性可以由改善設計和加強維護來改善，但這只占提高可靠性的20%—30%，另外70%—80%依靠運行人員。據美國核安全信息中心統計：“沸水堆事故的1/8，壓水堆事故的1/6是由運行人員的誤操作引起的。因此來說，高水平的運行人員對電站的安全，經濟運行起著至關重要作用。太陽能熱發電系統安全經濟運行也不例外。太陽能熱發電在我國剛剛起步，隨著20個示范項目的實施，需要高水平的運行人員。我們如何得到高水平的運行管理人員呢？

　　針對上述問題，我們的答案利用太陽能熱發電仿真機來解決太陽能熱發電面臨的上述問題。

　　三、仿真系統的構成

　　20多年前，我國火電機組從亞臨界到超臨界飛躍就是通過仿真機來提升運行人員技術水平的。

　　圖：仿真系統的構成

　　按照傳統來說，仿真機的構成就是由硬件和軟件系統來構成，但現在來說，電站整個系統構成把整個操作盤去掉了現在的仿真機主要是由計算機硬件構成，軟件包括支撐系統、模型軟件、通信軟件、操作界面的DCS仿真軟件。

　　圖：STAR-90仿真平臺的主要技術特點

　　我們采用的仿真平臺是Star-90，適合石油化工系統、核電系統、火電系統和太陽能熱發電系統等行業仿真機的開發。設備模型庫從上世紀70年代到現在一直在豐富，而且是開源的，可以編寫自己的程序。該仿真平臺具有豐富的教練員臺功能，可以進行靈活操作。

　　四、太陽能熱發電系統仿真平臺的開發

　　我們的仿真平臺是怎么做的呢？我以八達嶺1MW的槽式系統為例做說明，我們先根據電站的系統構成，先進行系統的劃分，在編寫所有的傳熱換熱工質物性計程序，在此基礎上，采用模塊化的建模方法，對每個設備，每個環節建立它的通用模型，再利用流體網絡把它連接結在一起，就構成主體模型。

　　圖：八達嶺槽式太陽能熱發電電站仿真機技術路線

　　圖：DCS操控界面

　　我們在開發界面，相當DCS界面，對運行過程中的設備進行組態，與建立的太陽能熱發電系統仿真模型聯合在一起，就構成了能夠模擬整個電站運行和故障工況的仿真平臺。

　　圖：1MW槽式太陽能熱發電系統全工況仿真平臺

　　五、利用太陽能熱發電仿真平臺解決問題

　　在電站建設初期，我們如何用仿真解決哪些設計方面的問題？就是用開發的仿真機進行所有預想的操作，比如，整個系統的啟停操作、運行模式切換、一些輔助運行操作和一些典型的事故工況，來發現問題，優化系統設計。

　　圖：用仿真機對太陽能熱發電整體系統和各子系統的功能實現驗證

　　我用中科院電工所八達嶺1MW塔式電站簡單舉個例子，這是“十一五”的科技項目。在前期設計時，我們在儲熱系統出口設計有一個鍋爐，目的是保證進入汽輪機前的蒸汽參數要達到額定參數。該儲能系統是兩級儲能，蒸汽蓄熱器是出來的飽和蒸汽，通過上面的導熱油加熱進行加熱，到達過熱蒸汽。在設計之初，我們的出發點是通過一個鍋爐地來保證來自儲熱系統的蒸汽參數為額定參數。但通過仿真結果發現，在儲熱系統出口的加熱器存在一定的問題，發現它是一個多余的設備，
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