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徐二樹：系統(tǒng)仿真技術(shù)在太陽能熱發(fā)電中的應(yīng)用

來源：光熱聯(lián)盟 | 0評論 | 5918查看 | 2017-09-07 17:08:00

太陽能熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展，主要考慮的是成本的問題。完全依賴實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行太陽能熱發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研發(fā)，成本高，實(shí)驗(yàn)周期長，且不利于快速占據(jù)市場先機(jī)和提升技術(shù)附加效益。仿真技術(shù)作為工程化研究的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容，保證了在降低試驗(yàn)成本的同時加快產(chǎn)品的研發(fā)。國家863計(jì)劃——太陽能槽式集熱發(fā)電技術(shù)研究與示范主題項(xiàng)目“槽式集熱、發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺研究及示范系統(tǒng)”課題負(fù)責(zé)人，中國科學(xué)院電工研究所徐二樹研究員在第三屆中國太陽能熱發(fā)電大會作了《系統(tǒng)仿真技術(shù)在太陽能熱發(fā)電中的應(yīng)用》的報(bào)告，相關(guān)發(fā)言內(nèi)容整理如下：

　　一、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃煤火力發(fā)電系統(tǒng)更為復(fù)雜

　　太陽能熱發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，然后經(jīng)過換熱產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)。目前主流的太陽能熱發(fā)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二樹在第三屆中國太陽能熱發(fā)電大會進(jìn)行報(bào)告

　　太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃煤火力發(fā)電系統(tǒng)更為復(fù)雜。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是一個涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，光-熱-電能量轉(zhuǎn)換是多物理過程耦合，具有強(qiáng)烈非線性，非穩(wěn)態(tài)的特征；能流輸入存在間歇性，強(qiáng)烈非穩(wěn)定。由于包含蒸汽發(fā)生器、儲熱系統(tǒng)以及輔助鍋爐，因此從運(yùn)行模式上來說，比傳統(tǒng)燃煤火電站更為復(fù)雜。

　　圖：槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

　 二、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)如何才能達(dá)到投資方的預(yù)期目標(biāo)？

　　設(shè)計(jì)建設(shè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)能否達(dá)到投資方的預(yù)期目的，發(fā)電量、技術(shù)方案和關(guān)鍵設(shè)備的性能等都是我們需要關(guān)注問題。除此以外，系統(tǒng)運(yùn)維尤為關(guān)鍵。

　　對于系統(tǒng)運(yùn)維，我提出一個“全工況”的概念，即：設(shè)計(jì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是否能夠“全工況運(yùn)行”。另外，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是否能夠“安全、靈活操控”和培養(yǎng)高水平的運(yùn)行管理人員，對太陽能熱發(fā)電電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也是非常重要的。

　　1、全工況運(yùn)行

　　圖：全工況運(yùn)行流程

　　系統(tǒng)除了冷態(tài)啟動，溫態(tài)啟動，熱態(tài)啟動，正常停機(jī)，緊急停機(jī)外，還要考慮蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的預(yù)熱等輔助運(yùn)行過程、一些故障工況以及多種運(yùn)行模式之間如何切換。設(shè)計(jì)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)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(dǎo)熱油太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值還是集熱場得熱量最大？聚光場出口油溫達(dá)到多少時，進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)？在什么工況下，儲熱系統(tǒng)進(jìn)行充放熱經(jīng)濟(jì)性最好？最關(guān)鍵的控制參量有哪些？如何控制？不同氣象條件下，運(yùn)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(tǒng)設(shè)計(jì)過程中給出確切答案？

　　3、提高運(yùn)行管理人員的水平

　　運(yùn)行人員的水平直接影響發(fā)電站安全經(jīng)濟(jì)性，美國聯(lián)邦能源部“安全性專題報(bào)告”指出：電站的可靠性可以由改善設(shè)計(jì)和加強(qiáng)維護(hù)來改善，但這只占提高可靠性的20%—30%，另外70%—80%依靠運(yùn)行人員。據(jù)美國核安全信息中心統(tǒng)計(jì)：“沸水堆事故的1/8，壓水堆事故的1/6是由運(yùn)行人員的誤操作引起的。因此來說，高水平的運(yùn)行人員對電站的安全，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要作用。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也不例外。太陽能熱發(fā)電在我國剛剛起步，隨著20個示范項(xiàng)目的實(shí)施，需要高水平的運(yùn)行人員。我們?nèi)绾蔚玫礁咚降倪\(yùn)行管理人員呢？

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

　　三、仿真系統(tǒng)的構(gòu)成

　　20多年前，我國火電機(jī)組從亞臨界到超臨界飛躍就是通過仿真機(jī)來提升運(yùn)行人員技術(shù)水平的。

　　圖：仿真系統(tǒng)的構(gòu)成

　　按照傳統(tǒng)來說，仿真機(jī)的構(gòu)成就是由硬件和軟件系統(tǒng)來構(gòu)成，但現(xiàn)在來說，電站整個系統(tǒng)構(gòu)成把整個操作盤去掉了現(xiàn)在的仿真機(jī)主要是由計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)成，軟件包括支撐系統(tǒng)、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(shù)特點(diǎn)

　　我們采用的仿真平臺是Star-90，適合石油化工系統(tǒng)、核電系統(tǒng)、火電系統(tǒng)和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)等行業(yè)仿真機(jī)的開發(fā)。設(shè)備模型庫從上世紀(jì)70年代到現(xiàn)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(jìn)行靈活操作。

　　四、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺的開發(fā)

　　我們的仿真平臺是怎么做的呢？我以八達(dá)嶺1MW的槽式系統(tǒng)為例做說明，我們先根據(jù)電站的系統(tǒng)構(gòu)成，先進(jìn)行系統(tǒng)的劃分，在編寫所有的傳熱換熱工質(zhì)物性計(jì)程序，在此基礎(chǔ)上，采用模塊化的建模方法，對每個設(shè)備，每個環(huán)節(jié)建立它的通用模型，再利用流體網(wǎng)絡(luò)把它連接結(jié)在一起，就構(gòu)成主體模型。

　　圖：八達(dá)嶺槽式太陽能熱發(fā)電電站仿真機(jī)技術(shù)路線

　　圖：DCS操控界面

　　我們在開發(fā)界面，相當(dāng)DCS界面，對運(yùn)行過程中的設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，與建立的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)仿真模型聯(lián)合在一起，就構(gòu)成了能夠模擬整個電站運(yùn)行和故障工況的仿真平臺。

　　圖：1MW槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全工況仿真平臺

　　五、利用太陽能熱發(fā)電仿真平臺解決問題

　　在電站建設(shè)初期，我們?nèi)绾斡梅抡娼鉀Q哪些設(shè)計(jì)方面的問題？就是用開發(fā)的仿真機(jī)進(jìn)行所有預(yù)想的操作，比如，整個系統(tǒng)的啟停操作、運(yùn)行模式切換、一些輔助運(yùn)行操作和一些典型的事故工況，來發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　圖：用仿真機(jī)對太陽能熱發(fā)電整體系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

　　我用中科院電工所八達(dá)嶺1MW塔式電站簡單舉個例子，這是“十一五”的科技項(xiàng)目。在前期設(shè)計(jì)時，我們在儲熱系統(tǒng)出口設(shè)計(jì)有一個鍋爐，目的是保證進(jìn)入汽輪機(jī)前的蒸汽參數(shù)要達(dá)到額定參數(shù)。該儲能系統(tǒng)是兩級儲能，蒸汽蓄熱器是出來的飽和蒸汽，通過上面的導(dǎo)熱油加熱進(jìn)行加熱，到達(dá)過熱蒸汽。在設(shè)計(jì)之初，我們的出發(fā)點(diǎn)是通過一個鍋爐地來保證來自儲熱系統(tǒng)的蒸汽參數(shù)為額定參數(shù)。但通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在儲熱系統(tǒng)出口的加熱器存在一定的問題，發(fā)現(xiàn)它是一個多余的設(shè)備，

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