塔式光熱電站吸熱塔高度優(yōu)化分析

作者：張思遠(yuǎn)，周治，任亞軍，王迎春

吸熱塔是塔式光熱電站聚光集熱系統(tǒng)中的最主要的構(gòu)筑物，也是光熱電站中最高的構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)總高度一般均超過150m。吸熱塔多采用鋼或混凝土高聳結(jié)構(gòu)，不同于煙囪和電視塔等高聳結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分布不均勻，在結(jié)構(gòu)上部需要布置多個(gè)設(shè)備層。吸熱塔建設(shè)的主要難點(diǎn)是在保證電站安全生產(chǎn)運(yùn)行要求（剛度滿足塔頂設(shè)備正常運(yùn)行要求、內(nèi)部空間滿足交通和設(shè)備管線布置要求等）的基礎(chǔ)上控制建造成本,并兼具標(biāo)志性構(gòu)筑物的美觀外形。為實(shí)現(xiàn)塔式光熱電站的高效運(yùn)行，需要合理設(shè)計(jì)吸熱塔的高度以達(dá)到電站效率和建設(shè)成本的平衡。

本文以中國(guó)西北某省70萬m2鏡場(chǎng)的塔式光熱電站為例，從效率和經(jīng)濟(jì)性兩方面入手，應(yīng)用中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司自主研發(fā)的性能評(píng)估軟件對(duì)吸熱塔高度相關(guān)的鏡場(chǎng)效率和綜合收益進(jìn)行了分析研究，旨在提出吸熱塔高度優(yōu)化的基本思路，為塔式光熱電站設(shè)計(jì)中吸熱塔高度的優(yōu)化選取提供參考。

1吸熱塔高度建模分析

1.1塔高與鏡場(chǎng)效率的關(guān)系

吸熱塔高度與定日鏡場(chǎng)、當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)。在鏡場(chǎng)面積不變的情況下，隨著吸熱塔高度的增加，鏡場(chǎng)效率會(huì)有變化。鏡場(chǎng)效率作為電站效率的重要組成部分，主要涉及余弦效率、陰影和遮擋效率、大氣衰減效率和截?cái)嘈?，與風(fēng)速相關(guān)的定日鏡停機(jī)策略、吸熱器控制策略等。

（1）固定塔高鏡場(chǎng)效率分析

鏡場(chǎng)效率與塔高、鏡場(chǎng)面積、當(dāng)?shù)毓赓Y源等多種因素有關(guān)。為研究塔高與鏡場(chǎng)效率的關(guān)系，首先將吸熱塔高度設(shè)置為固定值200m，并將光熱電站建模邊的界條件輸入中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司自主研發(fā)的鏡場(chǎng)布置軟件，采用最大密度布置與仿生型布置組合定日鏡場(chǎng)排布專利技術(shù)，生成相應(yīng)的鏡場(chǎng)布置具體如圖1所示。

圖1鏡場(chǎng)布置圖

根據(jù)以上的鏡場(chǎng)布置，利用自主研發(fā)的鏡場(chǎng)光學(xué)效率軟件，對(duì)鏡場(chǎng)余弦效率、陰影遮擋效率、大氣衰減效率和截?cái)嘈史謩e進(jìn)行分析。

圖2-圖5分別為鏡場(chǎng)的余弦效率、陰影和遮擋效率、大氣衰減效率、截?cái)嘈史植?br/>

圖6鏡場(chǎng)年均效率分布

?從鏡場(chǎng)效率的分布圖可以看出，越靠近吸熱塔的區(qū)域，鏡場(chǎng)效率越高。而塔高的變化將會(huì)影響鏡場(chǎng)的整體布置，從而影響鏡場(chǎng)高效區(qū)域的定日鏡數(shù)量。

（2）不同塔高鏡場(chǎng)效率分析

根據(jù)項(xiàng)目邊界條件，對(duì)吸熱塔高度為150m～210m區(qū)間，步長(zhǎng)為10m的7種塔高進(jìn)行分析。使用自主研發(fā)的鏡場(chǎng)優(yōu)化軟件，生成對(duì)應(yīng)塔高的優(yōu)化鏡場(chǎng)，并對(duì)其鏡場(chǎng)效率進(jìn)行分析研究，具體分析結(jié)果如圖7所示。

圖7塔高與鏡場(chǎng)效率的關(guān)系

從圖7可以看出，基于項(xiàng)目的邊界條件，隨著吸熱塔高度的增加，鏡場(chǎng)效率也會(huì)隨之提升，并且提升幅度隨著塔高的增加逐漸趨于平緩。

1.2塔高與發(fā)電量的關(guān)系

根據(jù)以上7種塔高，將相應(yīng)的邊界條件和技術(shù)參數(shù)輸入圖8所示的性能評(píng)估軟件中，形成對(duì)應(yīng)塔式光熱電站系統(tǒng)配置方案，并對(duì)各方案的年發(fā)電量進(jìn)行模擬測(cè)算。

圖8塔式光熱系統(tǒng)性能評(píng)估軟件界面

計(jì)算得到的各配置方案年發(fā)電量見圖9。

圖9塔高與發(fā)電量的關(guān)系

從圖9可以得到，隨著吸熱塔高度的增加，塔式光熱電站的年集熱量增加，使得年發(fā)電量也隨之增加，但是增加幅度隨著塔高的增加逐步平緩。

2吸熱塔建造經(jīng)濟(jì)性分析

隨著吸熱塔高度的變化，吸熱塔的造價(jià)、塔內(nèi)設(shè)備的造價(jià)、聚光集熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本及發(fā)電收入同樣會(huì)發(fā)生變化，以下對(duì)吸熱塔的建造成本和對(duì)應(yīng)收入分別進(jìn)行分析。

2.1建設(shè)及運(yùn)行成本分析

（1）建設(shè)成本分析

吸熱塔的主要建設(shè)成本主要包括土建費(fèi)用、電伴熱費(fèi)用、管道費(fèi)用和熔鹽泵費(fèi)用等，以下分別進(jìn)行分析。

經(jīng)測(cè)算，隨著塔高的增加，吸熱塔的土建費(fèi)用會(huì)隨之增加，具體變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10吸熱塔高度與土建費(fèi)用的關(guān)系

與此同時(shí)，塔高增加也會(huì)使吸熱器升高，這樣會(huì)使得對(duì)應(yīng)的電伴熱、熔鹽管道、熔鹽泵等設(shè)備造價(jià)的增加。對(duì)以上成本進(jìn)行綜合考慮，可以得到不同塔高下吸熱塔的建造成本，如表1所示。

表1不同塔高下的建設(shè)成本

通過分析可知，隨著吸熱塔高度的增加，土建成本與塔高基本呈指數(shù)關(guān)系，而電伴熱、熔鹽管道、熔鹽泵造價(jià)成本與塔高呈線性關(guān)系。

（2）運(yùn)行成本分析

吸熱塔高度增加引起的運(yùn)行成本增加主要為熔鹽泵負(fù)荷增加的電費(fèi)，熔鹽泵用電費(fèi)用按0.5元/kWh計(jì)算，經(jīng)分析可知塔式光熱電站25a運(yùn)行期內(nèi)由于熔鹽泵用電量變化導(dǎo)致增加的運(yùn)行成本為70.89萬元/10m，與吸熱塔高度成線性關(guān)系。

2.2收入分析

吸熱塔高度增加的相關(guān)收入，主要為提升的發(fā)電量電費(fèi)收入。將塔式光熱電站25年運(yùn)行期發(fā)電量增加的收入，折算至電站建成后第一年，并將上網(wǎng)電價(jià)按0.3元/kWh、0.6元/kWh、0.9元/kWh三檔進(jìn)行分析，不同塔高下增加的發(fā)電收入如表2所示。

表2不同塔高下的發(fā)電收入

2.3吸熱塔高度選取

將塔高變化引起的成本和收入變化進(jìn)行匯總，如表3所示。

表3不同塔高下的成本收入?yún)R總

通過分析可知，在吸熱塔高度逐漸增加的過程中，針對(duì)不同的上網(wǎng)電價(jià)，收入和成本均呈增加的趨勢(shì)，而收入增加的程度隨塔高的增加逐步放緩。在吸熱塔高度為180m時(shí)，三檔電價(jià)下電站綜合收益的增加金額均達(dá)到了最大值，而在塔高超過180m后，綜合收益的增加金額逐漸減少。因此，在進(jìn)行塔式光熱電站的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的邊界條件和具體要求，合理確定吸熱塔高度。

綜上所述，隨著吸熱塔高度的增加，鏡場(chǎng)效率增加帶來的收益和吸熱塔高度增加付出的成本之差會(huì)逐漸變小?；陧?xiàng)目的邊界條件，在吸熱塔高度為180m時(shí)，綜合收益最高，但不同電價(jià)下的綜合收益相差較大。在進(jìn)行塔式光熱電站設(shè)計(jì)的過程中，可采用此方法確定吸熱塔高度，以提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。