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塔(ta)式光熱電站吸熱塔(ta)高(gao)度優化分析

作者：張思遠，周治，任亞軍，王(wang)迎春

吸熱(re)塔(ta)(ta)是塔(ta)(ta)式光熱(re)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)聚光集熱(re)系(xi)統中的(de)最(zui)(zui)主要(yao)(yao)(yao)的(de)構(gou)筑(zhu)物，也是光熱(re)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)中最(zui)(zui)高(gao)的(de)構(gou)筑(zhu)物，結(jie)構(gou)總高(gao)度(du)(du)一(yi)般均超過(guo)150m。吸熱(re)塔(ta)(ta)多采用鋼(gang)或混凝土高(gao)聳結(jie)構(gou)，不同于(yu)煙囪(cong)和(he)電(dian)(dian)(dian)視塔(ta)(ta)等高(gao)聳結(jie)構(gou)，主要(yao)(yao)(yao)表現在結(jie)構(gou)質量(liang)、剛度(du)(du)分布不均勻(yun)，在結(jie)構(gou)上部(bu)(bu)需要(yao)(yao)(yao)布置多個設(she)備層(ceng)。吸熱(re)塔(ta)(ta)建設(she)的(de)主要(yao)(yao)(yao)難(nan)點(dian)是在保證電(dian)(dian)(dian)站(zhan)安全生(sheng)產運(yun)行(xing)要(yao)(yao)(yao)求（剛度(du)(du)滿(man)足塔(ta)(ta)頂設(she)備正常(chang)運(yun)行(xing)要(yao)(yao)(yao)求、內部(bu)(bu)空間滿(man)足交通和(he)設(she)備管線布置要(yao)(yao)(yao)求等）的(de)基礎上控制建造(zao)成(cheng)本,并兼(jian)具標(biao)志性構(gou)筑(zhu)物的(de)美觀外形。為實現塔(ta)(ta)式光熱(re)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)的(de)高(gao)效運(yun)行(xing)，需要(yao)(yao)(yao)合理設(she)計吸熱(re)塔(ta)(ta)的(de)高(gao)度(du)(du)以達到電(dian)(dian)(dian)站(zhan)效率(lv)和(he)建設(she)成(cheng)本的(de)平衡(heng)。

本(ben)文以中國西北某(mou)省70萬m2鏡(jing)場的(de)塔(ta)(ta)式(shi)光(guang)熱(re)(re)(re)電站為(wei)例(li)，從效(xiao)率(lv)和(he)經濟性兩(liang)方面(mian)入手，應用(yong)中國電建西北勘(kan)測設(she)計研究院有(you)限公司自主研發的(de)性能評估(gu)軟件(jian)對吸熱(re)(re)(re)塔(ta)(ta)高(gao)度(du)(du)相關的(de)鏡(jing)場效(xiao)率(lv)和(he)綜合收益(yi)進行了分析研究，旨在(zai)提出吸熱(re)(re)(re)塔(ta)(ta)高(gao)度(du)(du)優化的(de)基本(ben)思路，為(wei)塔(ta)(ta)式(shi)光(guang)熱(re)(re)(re)電站設(she)計中吸熱(re)(re)(re)塔(ta)(ta)高(gao)度(du)(du)的(de)優化選取提供參考。

1吸熱塔(ta)高度建模分析

1.1塔(ta)高與(yu)鏡場效率的關系

吸熱(re)(re)塔(ta)高度與定日鏡場(chang)、當地(di)氣象條件密(mi)切相(xiang)(xiang)關。在(zai)鏡場(chang)面積不變(bian)(bian)的(de)情(qing)況(kuang)下，隨著吸熱(re)(re)塔(ta)高度的(de)增加，鏡場(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)率會有變(bian)(bian)化。鏡場(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)率作為電站效(xiao)(xiao)(xiao)率的(de)重要組成部分，主要涉及余弦效(xiao)(xiao)(xiao)率、陰影(ying)和遮擋效(xiao)(xiao)(xiao)率、大氣衰減效(xiao)(xiao)(xiao)率和截斷效(xiao)(xiao)(xiao)率，與風速(su)相(xiang)(xiang)關的(de)定日鏡停機(ji)策略、吸熱(re)(re)器控制策略等。

（1）固定塔高(gao)鏡場效率(lv)分析(xi)

鏡(jing)場(chang)效率與塔高(gao)、鏡(jing)場(chang)面積、當(dang)地(di)光資源(yuan)等多種因素有(you)關(guan)。為研究塔高(gao)與鏡(jing)場(chang)效率的關(guan)系，首先將(jiang)吸熱塔高(gao)度設置(zhi)為固定(ding)值200m，并將(jiang)光熱電站建模邊的界條件輸入中國電建西北(bei)勘測設計研究院有(you)限公司自主研發的鏡(jing)場(chang)布置(zhi)軟件，采(cai)用(yong)最大密度布置(zhi)與仿生型布置(zhi)組合定(ding)日鏡(jing)場(chang)排布專利技術，生成相應的鏡(jing)場(chang)布置(zhi)具體如圖(tu)1所示(shi)。

圖1鏡場布置圖

根(gen)據以上的(de)鏡(jing)場布置，利用(yong)自主研發(fa)的(de)鏡(jing)場光學效(xiao)率軟件，對鏡(jing)場余弦效(xiao)率、陰(yin)影遮擋效(xiao)率、大氣衰減(jian)效(xiao)率和(he)截斷(duan)效(xiao)率分別進行分析(xi)。

圖2-圖5分別為鏡場的余弦效率、陰影和遮擋效率、大氣衰減效率、截斷效率分布

圖6鏡場年均效率分布

?從鏡場(chang)效率的分布(bu)圖可以看出(chu)，越靠(kao)近吸熱塔(ta)的區域(yu)，鏡場(chang)效率越高。而塔(ta)高的變化將會影(ying)響鏡場(chang)的整體布(bu)置(zhi)，從而影(ying)響鏡場(chang)高效區域(yu)的定日鏡數量。

（2）不同塔高鏡場效率(lv)分析

根據項目邊界條件，對吸熱(re)塔(ta)高度(du)為150m～210m區間(jian)，步長為10m的(de)7種(zhong)塔(ta)高進行(xing)分(fen)析(xi)。使用(yong)自主研(yan)發的(de)鏡場優化(hua)軟件，生(sheng)成對應塔(ta)高的(de)優化(hua)鏡場，并對其鏡場效(xiao)率進行(xing)分(fen)析(xi)研(yan)究，具體分(fen)析(xi)結果如圖7所示。

圖7塔高與鏡場效率的關系

從圖7可以看(kan)出，基于項目的邊界條件，隨著吸(xi)熱塔高度(du)的增加(jia)，鏡(jing)場效率(lv)也會隨之(zhi)提升，并(bing)且提升幅度(du)隨著塔高的增加(jia)逐漸趨(qu)于平緩(huan)。

1.2塔(ta)高與發電(dian)量(liang)的關系(xi)

根據(ju)以上7種塔高，將相(xiang)應的邊界(jie)條件(jian)和技術參數(shu)輸入圖8所示的性能評(ping)估軟件(jian)中，形成對應塔式光熱電站系統配置方(fang)案，并對各方(fang)案的年發電量進行模擬測算。

圖8塔式光熱系統性能評估軟件界面

計算得到的各配置(zhi)方(fang)案年發電量(liang)見(jian)圖9。

圖9塔高與發電量的關系

從(cong)圖9可以得到(dao)，隨(sui)著吸(xi)熱(re)塔(ta)(ta)(ta)高度的增加(jia)(jia)，塔(ta)(ta)(ta)式光熱(re)電(dian)站的年集熱(re)量增加(jia)(jia)，使得年發電(dian)量也隨(sui)之(zhi)增加(jia)(jia)，但是增加(jia)(jia)幅度隨(sui)著塔(ta)(ta)(ta)高的增加(jia)(jia)逐(zhu)步平緩(huan)。

2吸熱塔建(jian)造經濟性(xing)分析

隨著吸熱(re)塔(ta)(ta)高度的變化(hua)(hua)，吸熱(re)塔(ta)(ta)的造價、塔(ta)(ta)內(nei)設備(bei)的造價、聚光集熱(re)系統的運行(xing)成本及發(fa)電收入(ru)同樣會發(fa)生變化(hua)(hua)，以下(xia)對吸熱(re)塔(ta)(ta)的建造成本和(he)對應收入(ru)分(fen)別進行(xing)分(fen)析。

2.1建(jian)設及(ji)運行成本分析

（1）建設成本分析

吸(xi)熱(re)塔的主要建設(she)成本主要包括土(tu)建費用(yong)、電伴熱(re)費用(yong)、管(guan)道費用(yong)和(he)熔(rong)鹽泵費用(yong)等，以下分(fen)別(bie)進行分(fen)析。

經測(ce)算，隨(sui)著塔高(gao)的增(zeng)加(jia)，吸(xi)熱塔的土建費用會隨(sui)之增(zeng)加(jia)，具體變化趨勢(shi)如圖10所示。

圖10吸熱塔高度與土建費用的關系

與此(ci)同時，塔高(gao)增(zeng)(zeng)加也會(hui)使吸(xi)熱器升高(gao)，這樣會(hui)使得對應(ying)的(de)電伴熱、熔鹽管道、熔鹽泵(beng)等設備造(zao)價的(de)增(zeng)(zeng)加。對以上成本進行綜合考慮，可以得到不同塔高(gao)下吸(xi)熱塔的(de)建造(zao)成本，如表(biao)1所(suo)示。

表1不(bu)同塔高下的(de)建(jian)設成本(ben)

通(tong)過分(fen)析可(ke)知，隨(sui)著吸(xi)熱(re)塔高度的(de)增(zeng)加，土建成(cheng)本(ben)與塔高基(ji)本(ben)呈指數關系，而電(dian)伴熱(re)、熔鹽管道、熔鹽泵造價成(cheng)本(ben)與塔高呈線(xian)性關系。

（2）運行成本分析

吸熱(re)塔高度增加(jia)(jia)引(yin)起的運行(xing)成本(ben)增加(jia)(jia)主要為(wei)熔(rong)(rong)鹽(yan)泵負荷增加(jia)(jia)的電費，熔(rong)(rong)鹽(yan)泵用(yong)電費用(yong)按0.5元/kWh計算，經分析可知(zhi)塔式光熱(re)電站25a運行(xing)期內由于熔(rong)(rong)鹽(yan)泵用(yong)電量變化導(dao)致增加(jia)(jia)的運行(xing)成本(ben)為(wei)70.89萬元/10m，與吸熱(re)塔高度成線性關系。

2.2收入分析

吸熱塔高度增加的(de)(de)相關收入(ru)，主要為(wei)提升的(de)(de)發(fa)電(dian)量電(dian)費收入(ru)。將塔式(shi)光熱電(dian)站25年運行(xing)(xing)期發(fa)電(dian)量增加的(de)(de)收入(ru)，折算至(zhi)電(dian)站建成后第一年，并將上網(wang)電(dian)價按0.3元/kWh、0.6元/kWh、0.9元/kWh三檔進行(xing)(xing)分析，不同(tong)塔高下增加的(de)(de)發(fa)電(dian)收入(ru)如表2所示。

表2不同塔高下的發電收入(ru)

2.3吸熱(re)塔高度(du)選取

將塔高變化(hua)引(yin)起的成(cheng)本和(he)收入變化(hua)進行匯(hui)總，如表3所(suo)示。

表3不同塔高下(xia)的成(cheng)本(ben)收(shou)入匯總

通過(guo)分析可知(zhi)，在吸熱(re)(re)塔高(gao)(gao)度逐漸增加的(de)過(guo)程中，針對不同的(de)上(shang)網電(dian)價(jia)，收入和成本均呈增加的(de)趨勢，而收入增加的(de)程度隨塔高(gao)(gao)的(de)增加逐步放緩。在吸熱(re)(re)塔高(gao)(gao)度為180m時，三檔電(dian)價(jia)下電(dian)站綜合(he)(he)收益的(de)增加金(jin)額(e)均達到了最(zui)大值(zhi)，而在塔高(gao)(gao)超過(guo)180m后(hou)，綜合(he)(he)收益的(de)增加金(jin)額(e)逐漸減少。因此，在進行塔式光熱(re)(re)電(dian)站的(de)設(she)計時，應根據項目的(de)邊界條件和具體要求，合(he)(he)理確(que)定(ding)吸熱(re)(re)塔高(gao)(gao)度。

綜上所述，隨著吸(xi)熱(re)(re)(re)塔高(gao)(gao)度(du)的(de)增加，鏡場(chang)效率增加帶來(lai)的(de)收益(yi)(yi)和(he)吸(xi)熱(re)(re)(re)塔高(gao)(gao)度(du)增加付(fu)出的(de)成本之(zhi)差會逐漸變(bian)小(xiao)。基于項目的(de)邊界條件(jian)，在(zai)吸(xi)熱(re)(re)(re)塔高(gao)(gao)度(du)為180m時，綜合收益(yi)(yi)最高(gao)(gao)，但不同(tong)電(dian)(dian)價下的(de)綜合收益(yi)(yi)相差較(jiao)大。在(zai)進行塔式光熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)站設(she)計(ji)的(de)過(guo)程中，可采用此(ci)方法確定吸(xi)熱(re)(re)(re)塔高(gao)(gao)度(du)，以提高(gao)(gao)項目的(de)經濟(ji)性。