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塔式光熱(re)電站(zhan)吸(xi)熱(re)塔高度優化分析

作者：張思遠，周治，任亞軍(jun)，王迎(ying)春

吸熱(re)塔(ta)(ta)是(shi)塔(ta)(ta)式(shi)光(guang)熱(re)電(dian)站(zhan)聚光(guang)集熱(re)系統中(zhong)的(de)(de)最(zui)主要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)構(gou)(gou)筑(zhu)物(wu)(wu)，也是(shi)光(guang)熱(re)電(dian)站(zhan)中(zhong)最(zui)高的(de)(de)構(gou)(gou)筑(zhu)物(wu)(wu)，結(jie)(jie)構(gou)(gou)總高度(du)(du)一般均(jun)超過150m。吸熱(re)塔(ta)(ta)多(duo)采用鋼或混(hun)凝土高聳(song)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，不(bu)同(tong)于煙囪和電(dian)視塔(ta)(ta)等高聳(song)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，主要(yao)(yao)(yao)表現在結(jie)(jie)構(gou)(gou)質量、剛(gang)度(du)(du)分布不(bu)均(jun)勻，在結(jie)(jie)構(gou)(gou)上(shang)部需要(yao)(yao)(yao)布置(zhi)多(duo)個設(she)(she)備(bei)層。吸熱(re)塔(ta)(ta)建設(she)(she)的(de)(de)主要(yao)(yao)(yao)難點(dian)是(shi)在保證電(dian)站(zhan)安全生產運行(xing)要(yao)(yao)(yao)求（剛(gang)度(du)(du)滿足(zu)塔(ta)(ta)頂(ding)設(she)(she)備(bei)正常運行(xing)要(yao)(yao)(yao)求、內部空間滿足(zu)交(jiao)通和設(she)(she)備(bei)管(guan)線布置(zhi)要(yao)(yao)(yao)求等）的(de)(de)基礎(chu)上(shang)控(kong)制建造成(cheng)本,并兼具標志性構(gou)(gou)筑(zhu)物(wu)(wu)的(de)(de)美(mei)觀外形。為(wei)實現塔(ta)(ta)式(shi)光(guang)熱(re)電(dian)站(zhan)的(de)(de)高效運行(xing)，需要(yao)(yao)(yao)合(he)理設(she)(she)計吸熱(re)塔(ta)(ta)的(de)(de)高度(du)(du)以達(da)到電(dian)站(zhan)效率和建設(she)(she)成(cheng)本的(de)(de)平衡。

本文以中(zhong)國西北某省70萬m2鏡(jing)場(chang)(chang)的塔(ta)(ta)式光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)站為例(li)，從效率(lv)和經濟性(xing)兩方面入手，應用中(zhong)國電(dian)(dian)建西北勘(kan)測(ce)設(she)(she)計研(yan)究院有限公司自主研(yan)發的性(xing)能評(ping)估軟件對(dui)吸熱(re)(re)塔(ta)(ta)高(gao)度相關的鏡(jing)場(chang)(chang)效率(lv)和綜合收益進行了分析研(yan)究，旨(zhi)在提出吸熱(re)(re)塔(ta)(ta)高(gao)度優化(hua)的基本思路，為塔(ta)(ta)式光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)站設(she)(she)計中(zhong)吸熱(re)(re)塔(ta)(ta)高(gao)度的優化(hua)選取(qu)提供參(can)考。

1吸(xi)熱塔高(gao)度(du)建模分析(xi)

1.1塔高與鏡場效率(lv)的關(guan)系(xi)

吸(xi)熱塔(ta)高(gao)(gao)度與(yu)定日鏡場(chang)(chang)、當地氣(qi)象條件密切(qie)相關(guan)。在鏡場(chang)(chang)面積不變的情(qing)況下(xia)，隨著吸(xi)熱塔(ta)高(gao)(gao)度的增加(jia)，鏡場(chang)(chang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)會有(you)變化。鏡場(chang)(chang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)作為電(dian)站效(xiao)率(lv)(lv)(lv)的重要組成部分，主要涉及余弦效(xiao)率(lv)(lv)(lv)、陰影和遮(zhe)擋(dang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)、大氣(qi)衰減(jian)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)和截斷效(xiao)率(lv)(lv)(lv)，與(yu)風(feng)速相關(guan)的定日鏡停機策(ce)(ce)略、吸(xi)熱器(qi)控制(zhi)策(ce)(ce)略等。

（1）固定塔高鏡場(chang)效率分析

鏡(jing)(jing)場(chang)(chang)效率(lv)與塔(ta)(ta)高(gao)(gao)、鏡(jing)(jing)場(chang)(chang)面積、當(dang)地光資(zi)源等多種因(yin)素有關。為(wei)(wei)研(yan)究塔(ta)(ta)高(gao)(gao)與鏡(jing)(jing)場(chang)(chang)效率(lv)的(de)關系，首先將(jiang)吸熱塔(ta)(ta)高(gao)(gao)度設置(zhi)為(wei)(wei)固定(ding)值200m，并將(jiang)光熱電站建模邊的(de)界(jie)條件(jian)輸(shu)入中國電建西北勘(kan)測設計研(yan)究院有限公司自主研(yan)發的(de)鏡(jing)(jing)場(chang)(chang)布置(zhi)軟件(jian)，采用最(zui)大密度布置(zhi)與仿生型布置(zhi)組合(he)定(ding)日(ri)鏡(jing)(jing)場(chang)(chang)排布專利技術，生成相應的(de)鏡(jing)(jing)場(chang)(chang)布置(zhi)具(ju)體如圖1所示(shi)。

圖1鏡場布置圖

根據(ju)以上的(de)(de)鏡(jing)(jing)場布(bu)置，利(li)用自主研發(fa)的(de)(de)鏡(jing)(jing)場光學效率(lv)軟件，對鏡(jing)(jing)場余(yu)弦效率(lv)、陰影(ying)遮擋效率(lv)、大(da)氣衰減效率(lv)和(he)截斷效率(lv)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(jing)場效(xiao)率的(de)(de)分(fen)布圖可以看出(chu)，越靠近吸熱塔(ta)的(de)(de)區域，鏡(jing)場效(xiao)率越高(gao)。而塔(ta)高(gao)的(de)(de)變化將會(hui)影(ying)響鏡(jing)場的(de)(de)整體布置(zhi)，從而影(ying)響鏡(jing)場高(gao)效(xiao)區域的(de)(de)定日鏡(jing)數(shu)量。

（2）不同(tong)塔高鏡(jing)場(chang)效率分析

根據項目(mu)邊界條件(jian)，對(dui)(dui)吸(xi)熱塔高度(du)為(wei)(wei)150m～210m區間，步(bu)長為(wei)(wei)10m的(de)7種塔高進行(xing)分(fen)析。使用自主(zhu)研(yan)發的(de)鏡(jing)場優(you)化軟件(jian)，生成對(dui)(dui)應塔高的(de)優(you)化鏡(jing)場，并(bing)對(dui)(dui)其鏡(jing)場效(xiao)率進行(xing)分(fen)析研(yan)究，具體分(fen)析結(jie)果(guo)如圖7所示。

圖7塔高與鏡場效率的關系

從圖7可以看出，基(ji)于(yu)項目的邊界條件，隨著(zhu)吸熱塔(ta)高度(du)的增加(jia)，鏡場效率也會(hui)隨之提升，并且提升幅度(du)隨著(zhu)塔(ta)高的增加(jia)逐漸趨于(yu)平緩。

1.2塔高與發電量的(de)關系(xi)

根據以上7種塔高(gao)，將(jiang)相(xiang)應的(de)邊界條件(jian)和(he)技術參數輸入圖8所示的(de)性能評(ping)估軟件(jian)中，形(xing)成對應塔式光熱電站系統配置方(fang)案，并(bing)對各方(fang)案的(de)年發(fa)電量進行模(mo)擬測算(suan)。

圖8塔式光熱系統性能評估軟件界面

計算得到的(de)各配置方(fang)案年發電量見圖9。

圖9塔高與發電量的關系

從圖9可以得到，隨(sui)著吸(xi)熱(re)塔高(gao)度(du)的(de)增加，塔式(shi)光熱(re)電(dian)站的(de)年集熱(re)量增加，使得年發電(dian)量也隨(sui)之增加，但是增加幅(fu)度(du)隨(sui)著塔高(gao)的(de)增加逐(zhu)步平緩。

2吸(xi)熱塔建造(zao)經(jing)濟性分析

隨著吸(xi)(xi)熱(re)(re)塔高度的(de)變(bian)化(hua)，吸(xi)(xi)熱(re)(re)塔的(de)造(zao)價(jia)、塔內設備的(de)造(zao)價(jia)、聚光集(ji)熱(re)(re)系(xi)統(tong)的(de)運行成(cheng)(cheng)本(ben)及(ji)發電收(shou)入同樣會發生變(bian)化(hua)，以下對吸(xi)(xi)熱(re)(re)塔的(de)建造(zao)成(cheng)(cheng)本(ben)和對應收(shou)入分(fen)別進行分(fen)析。

2.1建設及運行成本分析

（1）建設成本分析

吸熱(re)塔(ta)的主要建設成本主要包(bao)括土建費(fei)(fei)用、電伴熱(re)費(fei)(fei)用、管道費(fei)(fei)用和熔(rong)鹽泵(beng)費(fei)(fei)用等，以下分(fen)別進行(xing)分(fen)析(xi)。

經測算(suan)，隨著塔高的增加(jia)，吸熱塔的土(tu)建(jian)費用會隨之增加(jia)，具體變化趨勢如圖10所示。

圖10吸熱塔高度與土建費用的關系

與此(ci)同時，塔(ta)高增(zeng)加也會使吸熱器升高，這(zhe)樣(yang)會使得對應的電伴(ban)熱、熔(rong)鹽管道(dao)、熔(rong)鹽泵等(deng)設備造(zao)價的增(zeng)加。對以(yi)上成本(ben)進行綜(zong)合考(kao)慮(lv)，可以(yi)得到不同塔(ta)高下吸熱塔(ta)的建造(zao)成本(ben)，如表(biao)1所示。

表1不同塔高(gao)下的建設成本

通過分析(xi)可知，隨(sui)著吸(xi)熱(re)塔(ta)高(gao)(gao)度的(de)增(zeng)加，土(tu)建成(cheng)本與塔(ta)高(gao)(gao)基(ji)本呈(cheng)指數關系，而(er)電(dian)伴熱(re)、熔鹽管道(dao)、熔鹽泵(beng)造價成(cheng)本與塔(ta)高(gao)(gao)呈(cheng)線性關系。

（2）運行成本分析

吸熱塔高度(du)增加引起的(de)運行(xing)成(cheng)本增加主要為熔(rong)鹽(yan)(yan)泵(beng)負(fu)荷(he)增加的(de)電(dian)費(fei)，熔(rong)鹽(yan)(yan)泵(beng)用(yong)(yong)電(dian)費(fei)用(yong)(yong)按0.5元/kWh計算，經分析可知塔式光熱電(dian)站(zhan)25a運行(xing)期(qi)內由于熔(rong)鹽(yan)(yan)泵(beng)用(yong)(yong)電(dian)量變(bian)化導致增加的(de)運行(xing)成(cheng)本為70.89萬(wan)元/10m，與吸熱塔高度(du)成(cheng)線(xian)性關系。

2.2收入分析

吸熱塔高(gao)度增(zeng)(zeng)加的相關收入(ru)，主要為提升(sheng)的發電(dian)(dian)(dian)量電(dian)(dian)(dian)費收入(ru)。將塔式光熱電(dian)(dian)(dian)站(zhan)25年運行(xing)期發電(dian)(dian)(dian)量增(zeng)(zeng)加的收入(ru)，折算至電(dian)(dian)(dian)站(zhan)建(jian)成后第一年，并將上網電(dian)(dian)(dian)價(jia)按0.3元/kWh、0.6元/kWh、0.9元/kWh三檔進(jin)行(xing)分(fen)析，不(bu)同塔高(gao)下增(zeng)(zeng)加的發電(dian)(dian)(dian)收入(ru)如表2所示(shi)。

表2不同塔(ta)高下(xia)的(de)發電收(shou)入

2.3吸熱塔高度選取

將塔高(gao)變化引(yin)起(qi)的成(cheng)本和收入變化進(jin)行匯總，如表3所(suo)示。

表3不(bu)同塔(ta)高下的成本收入匯總

通(tong)過(guo)分析可知，在(zai)吸(xi)熱(re)塔(ta)(ta)(ta)高(gao)度逐(zhu)漸增(zeng)加(jia)的過(guo)程中，針對(dui)不(bu)同的上網電(dian)價，收(shou)入和(he)(he)成本均(jun)呈增(zeng)加(jia)的趨勢，而收(shou)入增(zeng)加(jia)的程度隨塔(ta)(ta)(ta)高(gao)的增(zeng)加(jia)逐(zhu)步放緩。在(zai)吸(xi)熱(re)塔(ta)(ta)(ta)高(gao)度為(wei)180m時(shi)，三檔電(dian)價下電(dian)站(zhan)綜(zong)(zong)合收(shou)益的增(zeng)加(jia)金額均(jun)達到了(le)最大值(zhi)，而在(zai)塔(ta)(ta)(ta)高(gao)超過(guo)180m后，綜(zong)(zong)合收(shou)益的增(zeng)加(jia)金額逐(zhu)漸減少。因(yin)此，在(zai)進行塔(ta)(ta)(ta)式光熱(re)電(dian)站(zhan)的設計時(shi)，應根據項目的邊界條(tiao)件(jian)和(he)(he)具體要求，合理確定吸(xi)熱(re)塔(ta)(ta)(ta)高(gao)度。

綜上所述(shu)，隨著(zhu)吸熱(re)塔高度(du)的(de)增加(jia)，鏡(jing)場效率(lv)增加(jia)帶(dai)來的(de)收(shou)(shou)(shou)益和吸熱(re)塔高度(du)增加(jia)付出(chu)的(de)成本之(zhi)差(cha)會逐漸變小(xiao)。基于項目(mu)的(de)邊界條件，在吸熱(re)塔高度(du)為180m時，綜合收(shou)(shou)(shou)益最高，但不同電價(jia)下的(de)綜合收(shou)(shou)(shou)益相差(cha)較大。在進(jin)行塔式光熱(re)電站設計(ji)的(de)過程中，可采用此方法(fa)確(que)定吸熱(re)塔高度(du)，以(yi)提(ti)高項目(mu)的(de)經(jing)濟性。