摘要：文章主要对槽式光热发电站的工艺系统运行特点进行分析，研究交流保安电源系统的负荷特性及其电源接线设计。总结了槽式光热发电站交流保安电源设计中几个关键要素。
关键词：槽式光热发电站；保安电源；负荷特性；电源接线
Research on Security Power System of Trough-Type CSP POWER PLANT
Ai Dongmei
（CPECC，NWEPDI，Shanxi，Xi'an，710075）
Abstract：The paper mainly analyzes the operation characteristics of the process system of the trough-type CSP Power Plant, study the load characteristics and powersingle line diagram of emergency power supply system. Finally, Several key elements in design of the emergencypower supply system fortrough-type CSP Power Plant are summarized.
Key words: Trough-Type CSP Power plant; Emergency power system;Load characteristics;The single line diagram
引言
随着我国经济的快速发展，能源短缺及生态环境恶化问题备受关注，实行绿色低碳发展已成为发电行业的大势所趋。太阳能光热发电技术因其发电过程绿色环保、无有害污染排放物、可连续稳定发电和易于电网调度等众多优势，已成为可再生能源发电领域开发应用的热点，主要形式有槽式、塔式、碟式（盘式）、菲涅尔式四种系统。
目前国内光热发电站行业设计标准尚在编制阶段。在厂用电气系统设计时主要依据《火力发电厂厂用电设计技术规程》执行。由于光热发电站的工艺系统、布置及运行特点与火电厂有较大差异，交流保安电源系统的设计不能照搬火电厂的方案。如何合理设置交流保安电源系统，对确保太阳能光热发电站在厂用电失去时安全停机和快速恢复生产，具有重要的工程应用价值。
在此，本文以某槽式系统工程应用为例，对光热发电系统交流保安电源系统的设计特点进行研究探讨。
1槽式光热发电站系统概况
槽式太阳能热发电系统又称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，主要由聚光集热系统（镜场）、储热系统、换热系统、发电系统等部分组成。是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，聚焦太阳直射光，加热真空集热管里面的工质（导热油或熔盐），产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。储热系统工质为熔盐，通过热交换器实现储放热。
相对于常规火电工程而言，聚光集热系统（镜场）、集热系统及储热换热系统是太阳能热发电站的特有工艺系统，其保安负荷特性不同于常规火力发电厂的要求。
1.1工艺系统概况
以某槽式熔盐太阳能热发电站为例，单台50MW电站由集热场区、储换热区和常规发电岛区组成。每台机组的集热场区由152条熔盐回路组成，储换热区包含两列熔盐储罐（两个冷熔盐储罐和两个热熔盐储罐）和两列换热器（蒸发器、过热器、再热器等），集热、储热、换热都用同一种介质——熔盐，工作温度在290℃-550℃之间，将实现储热时长15小时。常规岛区包含一套50MW的汽轮发电机组及相关辅机设备。主机采用直接空冷方式，辅机采用机力通风冷却方式。
工艺系统配置简要示意如（图1）：
2 交流保安负荷研究
2.1有关规程规定
拟发布的专用规范《槽式太阳能光热发电站设计规范》中，关于保安电源的规定如下：“交流站用电系统应设置交流保安电源。交流保安电源的电压和中性点的接地方式应与全站交流高压或低压站用电一致。交流保安电源应采用快速起动的柴油发电机组或满足快速起动要求的燃气内燃机组。”对于其站用电的负荷分类暂无明确阐述，实际设计时参照DL/T 5153-2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》执行。
DL/T 5153-2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》规定：在发生全厂停电或在单元机组失去厂用电时，为了保证机组的安全停运，或者为了防止危及人身安全等原因，应在停电时继续由交流保安电源供电的负荷，称为交流保安负荷。
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图1
对于200MW以下的火力发电机组，常规是没有保安电源的需求的，但根据槽式太阳能热发电站中换热系统、热储能系统的工艺特性，需要在全站失电时保证部分负荷的继续运行，故应设置交流保安电源，以防止熔盐由于温度过低而凝结、报废，但这些系统设备在停电后并没有快速启动的要求，内燃机的启动时间完全能够满足需要。此外，槽式太阳能光热电站中的辅助燃料大多采用天然气，选择小型燃气内燃机组取代柴油机组可以实现燃料的共享利用，不需要再为柴油发电机组单独准备燃料，因此满足电站工艺系统启动要求的内燃机组和柴油发电机组均可作为光热电站的保安电源。
2.2太阳能热发电站的运行特点
太阳能热发电站主要工艺系统包括：
1）SGS（蒸汽发生系统）。SGS与火力发电厂的锅炉比较类似，主要负荷为启动加热器、热盐泵、疏盐泵和调温泵。
紧急疏盐系统正常工作状态下不运行，只有在计划停机或紧急停机时运行。紧急疏盐系统是光热发电站特有系统，常规火力发电厂的负荷没有此部分内容。
2）汽机系统。汽机系统与常规火电一样，正常工作状态下为满负荷运行。在启动时考虑部分辅机负荷。保安负荷有直流系统充电器、UPS、应急照明、交流润滑油油泵、顶轴油泵、盘车等。
3）辅助蒸汽系统。主要负荷为电加热器，正常工作状态仅考虑较少容量。只有在机组长时间停机或初次启动时，电加热器才满负荷运行。如无外部电源，需列入保安负荷。
4）给水系统。主要负荷为电动给水泵。如设置电动给水泵，正常工作状态为满负荷运行。在启动时低负荷运行，其他在机组正常运行时均长期连续运行。保安负荷有油站负荷。
5）消防系统。消防系统的设置与常规火电厂的负荷特性基本一致，可参考常规火电项目执行。通常其控制系统电源列入保安负荷。
6）电伴热系统。电伴热系统主要分为辅助电伴热系统、熔盐输送管路电伴热系统和吸热器电伴热系统。辅助电伴热在停机或启机的时候根据环境温度和设备需求运行。熔盐输送管路电伴热系统是光热发电站特有系统，常规火力发电厂的负荷没有此部分内容。
高温熔盐输送管路和熔盐储罐的保温、伴热和加热是防止熔盐凝固的重要技术措施。熔盐的反复凝固和再加热融化对管路、管件都有产生应力疲劳的影响。故不同于常规火力发电厂，光热电站的电伴热系统部分列入保安负荷。
7）暖通系统（HVAC）。暖通系统存在于主要建筑物。通风需求又分为正常和应急。
暖通系统的配置也依赖于环境温度，因此主控楼、常规辅助系统厂房暖通系统的配置和常规火电比较类似。储热系统属于光热发电项目特有的系统，熔盐罐的HVAC，即使汽轮发电机停止运行，但相关熔盐系统为满负荷运行。因此在设置暖通设备时，需要提高暖通设备的安全等级。尤其是熔盐罐的通风风机，为保证基础安全，需要按照保安负荷考虑。
8）熔盐系统。熔盐系统主要分为熔盐泵、熔盐罐和熔盐融化系统三个部分。熔盐泵的主要负荷为冷盐泵、调温泵、热盐泵及疏盐泵等。对于集热管里工质为熔盐的槽式电站，在白天熔盐罐储热及发电时，冷盐泵及热盐泵均运行；夜间利用熔盐罐熔盐发电时，热盐泵满负荷运行，冷盐泵小负荷运行，保证集热罐熔盐循环不凝固。熔盐系统是光热发电站特有系统，常规火力发电厂的负荷没有此部分内容。
熔盐罐的主要负荷为热熔盐罐电加热器和冷熔盐罐电加热器。这两种负荷正常情况都不运行，主要在长时间停机时需要考虑运行，保证罐内熔盐不凝固。
由于熔盐具有较高的凝固点，在冷态启动和传热系统中，熔盐的冻结将会引起集热管管路堵塞，严重时可导致集热管断裂。因此，在较长时间没有太阳或气温较低时，熔盐罐需配置电加热器、管路需配置辅助电伴热系统来维持熔盐的温度。同时熔盐的初始熔化，在系统冷启动时对管道、法兰和阀门等进行预热，确保熔盐通过时不产生大的温差应力，同时避免熔盐的凝固堵塞；在管道因故障造成熔盐冷却凝固后，用来加热凝固的熔盐，恢复管路畅通。考虑到外部电源失去的情况，熔盐系统电加热器及电伴热系统部分负荷宜采用保安电源系统供电。
此外，熔盐泵如果故障失电也会造成传输系统的的运转失常，因此熔盐泵也需要采用保安电源系统供电。
9）镜场及集热器。镜场是槽式太阳能发电站吸收太阳能以加热储热工质，然后经集热管道将能量输送到动力岛的部分。该部分是整个电站的能量来源。镜场的能量收集是靠槽式反射镜和集热器来完成。镜场反射镜需实时改变角度，以便将太阳辐射聚焦在集热器集热管上加热储热工质，以捕捉更多的太阳能。镜场是光热发电站特有系统，常规火力发电厂的负荷没有此部分内容。
镜场的主要负荷为反射镜追踪系统的驱动机构及镜场集热管电伴热系统。驱动系统正常由UPS电源供电，厂用电失电或当遇到恶劣天气（如大风）时，反射镜需恢复到初始安全位置。镜场电伴热系统部分需采用保安电源，电源可由电站保安电源系统统一考虑，或者在镜场单独设移动式柴油发电机电源。
2.3保安负荷统计
根据以上工艺设备运行情况分析研究，太阳能热发电站低压交流保安负荷统计如下：
交流保安负荷统计如下：
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3 交流保安电源接线研究
根据槽式太阳能热发电站的机组容量，以及系统配置情况，结合镜场的电源接口要求，可采用以下两种交流保安电源接线方案：
3.1保安电源接线方案一
采用一套6kV柴油发电机组作为事故保安电源，设一个6kV保安段。
根据工艺系统设几台保安变压器，电源均取自6kV保安段。
根据工艺系统划分，全厂保安PC可设置如下：BOP保安PC 段、储换热区保安PC段、启动电加热保安PC段。
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本方案适用于以下类型工程：
1）镜场分包商提出的保安电源接口为6kV；
2）有大于等于200kW以上的电动机需保安电源供电；
3）发电机组容量较大，保安负荷计算值较大，需配置大容量柴油发电机组 (一般按1800KW及以上)及多台保安变压器时。
3.2 保安电源接线方案二
采用一套380V柴油发电机组作为事故保安电源，设一个380V保安PC段。
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全厂设1台保安变压器，向保安PC段提供正常工作电源。
根据工艺系统划分，全厂保安MCC可设置如下：BOP保安MCC 段、储换热区保安MCC段、启动电加热MCC段等。
本方案适用于以下类型工程：
1）镜场面积较小，采用380V保安电源接口； 200kW以下的电动机需保安电源供电；或者不需要保安电源时；2）200kW以下的电动机需保安电源供电；3）发电机组容量小，保安负荷计算值较小，需配置容量小于1800KW柴油发电机组时。
4 结论
经研究分析，槽式太阳能热发电站工艺系统中，熔盐系统、紧急疏盐系统、熔盐输送管路和吸热器电伴热系统、熔盐罐的通风负荷、镜场系统等均为常规的火力发电厂所没有的系统，其保安负荷范围明显区别于常规火力发电厂。在设计时注意根据实际情况列入保安电源系统供电，以保证电站安全可靠运行。
槽式太阳能热发电站的保安电源配置方案可如下配置：
设置一套紧急柴油发电机系统，由一台或多台柴油发电机组成，具体设置台数由经济比较后决定。柴油发电机组电压根据具体工程的机组容量规模、分包商接口要求，以及保安负荷计算结果，可选取6kV或380V。
紧急柴油发电机只用于保证电厂安全停机的重要基本负荷供电，不考虑黑启动容量，不能保证机组在失去外部电源的情况下启动或保持运行。柴油发电机组选型方法可参考火力发电厂有关规定。
交流保安电源接线提出两种典型设计方案，根据具体工程情况选用：
方案一：采用一套6kV柴油发电机组作为事故保安电源，设一个6kV保安段，其正常工作电源由6kV工作段提供。根据工艺系统设几台保安变压器及若干段保安PC、若干段保安MCC。
方案二：采用一套380V柴油发电机组作为事故保安电源，设一个380V保安PC段，其正常工作电源由6kV工作段经低压变提供。设一台保安变压器、一段保安PC、若干段保安MCC。
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论文作者:艾冬梅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
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