太陽能光熱發電汽輪機及技術特點探析

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摘要：隨著科研投入力度加大，社會各方面技術都有了顯著進步，汽輪機的研究也越來越成熟。目前太陽能光熱發電汽輪機已經面世，光熱發電即是將熱功率轉化為發電的技術，將太陽能轉化為電能，此種汽輪機主要包括兩個部分：一是熱功率轉換，二是光熱轉換部分。在此簡要介紹太陽能光熱發電汽輪機的形成發展以及現今國內外的應用情況，探討分析它的主要技術特點，總結出提升運行效率和性能的措施，展望此種技術的未來前景，為以后的相關研究提供些許參考。

關鍵詞：太陽能；光熱發電；汽輪機；技術

隨著環保理念逐漸深入人心，人們越來越注重保護環境。現今國家加大力度保護各種不可再生資源，開始探索利用可再生資源的技術，太陽能就現今而言，開發前景十分廣闊，目前太陽能憑借高效、環保、穩定等優點的存在，較其他能源有較多的優勢，深受人們的青睞，隨著環保意識的提高，人們對可持續利用的能源研究力度加大，太陽能是其中的重點關注對象。在現今階段，光熱發電技術得到了大力發展推行，由于技術原因光熱發電仍存在不足，主要的關注重點是如何提升光熱轉換效率，通過前人的研究結果發現，熱功能轉換效率對光電轉換效率影響效果較為嚴重，在此加大對動力循環系統的研究，尤其是核心設備汽輪機的技術進行研究探索，對太陽能光熱發電汽輪機的未來發展有重要意義。

1太陽能光熱發電技術簡述

太陽能光熱發電是新能源利用的一個重要方向，主要是通過大規模的陣列拋物或者碟形鏡面將太陽能收集到集熱裝置中，對集熱介質進行加熱完成光熱轉換，通過換熱裝置提供蒸汽，結合汽輪機工藝做功，從而完成發電。采用太陽能光熱發電技術，可以代替硅晶光電轉換工藝，減少成本花費。另外，此種方式還具有一個較大的優勢，較其他能量轉換方式更便于使用，通過太陽能光熱發電技術可以利用太陽能，并將燒熱的水做好儲存工作，確保即使太陽落山后的幾個小時內汽輪機仍能繼續發電。通常按照熱量的收集方式，將太陽能光熱發電分為三種類型即槽式、塔式、碟式三種系統。目前，大部分商用化的太陽能光熱發電裝置都采用汽輪機作為動力循環裝置。太陽能發電中光電轉換效率是最重要的技術指標之一，熱功轉換效率在一定的聚光比下，會隨著集熱溫度的增加而增加，但集熱效率會隨之下降，所以在一定的聚光比和集熱溫度下，提高熱功的轉換效率，對于提高太陽能光熱發電系統效率有深遠影響，想要提高熱功轉換效率，這需要汽輪機制造技術的支持才可實現，因此應注重汽輪機的技術特點，進而提升汽輪機的制造水平。

2近年來太陽能光熱發電汽輪機的發展簡介

太陽能光熱發電汽輪機是工業汽輪機在太陽能發電領域的具體應用，近年來隨著光熱發電技術和汽輪機技術的逐漸成熟得到了很大的發展。現今國內外對太陽能光熱發電汽輪機的研究不斷加強，這些研究促進了汽輪機技術的改進創新發展。世界上第一個太陽能光熱發電站是SEGS，它的光熱電站的汽輪機供貨商主要以GE、西門子和MAN公司為主。目前國內的許多高校和科研單位也針對汽輪機設計方法和熱力系統優化方面進行鉆研。

3太陽能光熱發電汽輪機的技術特點

3.1太陽能光熱發電對汽輪機的要求

太陽能環保高效，取之不盡，但也會受到許多因素的制約，如晝夜變化、氣候問題、雨雪天氣等，所以為了提高汽輪機的使用效果，光熱發電技術對汽輪機提出了以下方面的要求：第一是啟動的速度，不能啟動時間太長；第二是汽輪機要具備頻發啟停以及快速變負荷的能力；第三是可以保持連續低負荷運行的狀態；第四要保證運行效率還需要確保及其安全運行；第五是控制系統要靈活方便，便于控制運行；第六是需要具備與集中式發電項適宜的高容量儲存能力。同時，為了滿足對于各種運行狀態的需要，太陽能光熱發電汽輪機與傳統的發電汽輪機對技術方面的要求有所不同，有自身的特殊要求。

3.2光熱發電汽輪機技術特點

（1）加強負荷變化適應能力。光照條件隨著時間和氣候改變會受到影響，所以對于負荷波動適應能力具有較高要求，充分提高太陽能的利用率，光熱發電汽輪機需要在運行過程中可以升降符合，同時在夜晚缺乏光照，一般儲熱條件不足的電站會停止運行，所以對于機組提出了啟停能力要求。汽輪機在進行多次啟停，同時隨著負荷波動增加的狀態下，會導致閥門和轉子產生較高熱應力，處于疲勞運行狀態，最終影響汽輪機的使用壽命。（2）中置變速箱的高低速一次再熱機組。汽輪機會受到應用集熱量和出口溫度的影響。當汽輪機的初參數較低時容量也小，此時，主蒸汽過熱度會相應減少，主蒸汽容積流量也會隨之減少，限制主蒸汽壓力，當排氣濕度過大時，汽輪機的葉片也會受到水蝕影響，減緩流通效率。另外，當容積流量較小時，需要更多的多級高轉速和小焓降方式應用，來確保不同級別的速度均處在最佳狀態。因此，需要多加注意的是，中置變速箱不可以設置到汽輪機中，應用多級高轉速和小焓降設計方案后，可以提升動力循環系統，同時，對變速箱也存在一定的損害。（3）軸向排氣。現今光熱發電汽輪機為了降低排汽損失，多采用軸向排氣方式，此種方式可以提高機組的效率，其次通過滑動方式將凝汽器模塊與基礎之間緊密連接，確保壓軸承箱在任何情況下，它的流通部件動靜中心相對位置不會發生改變，同時實現壓軸承箱獨立落地，進而減少因轉子和靜子零件之間的摩擦、震動等，降低兩者之間通過接觸產生的危險隱患。（4）組裝運行維護簡單，運行可靠。現今的光熱發電汽輪機為了滿足運輸及安裝的便利程度，多采用模塊結構設計。另外由于工作環境多位于荒漠、缺水地區等環境惡劣的地方，這部分地區太陽能資源更加便于收集，所以基本上采用的均為空冷凝汽式汽輪機，再根據實際需要，采用適應機組背壓變化范圍、排汽容積流量大特點的部件。在運行環境惡劣的地方，通常大部分光熱發電站由于需要，都會每天進行啟停操作。因此需要確保機組可以實現ATC運行模式，另外為了光熱發電站的運行質量維持穩定，很多機組都配備了壽命評估系統，針對機組的使用情況給出建議，以實際數據作為依據，針對機組部件的相關因素做好計算，主要計算機組部件蠕變和生命周期內應力疲勞值，根據得出的結果對設備的剩余使用時間進行評估，及時監督幾組的整體情況，進而保證設備可靠安全穩定的運行。

4光熱發電汽輪機未來發展趨勢

4.1在整體系統優化中的作用

通常傳統的汽輪機多是根據集熱場出口溫度確定自身初參數，這種方式并沒有充分發揮應有的作用，在整個太陽能光熱發電系統優化中，需要從整體角度出發，以總體效率和經濟水平為最終依據。隨著系統集成優化技術的發展，在未來會綜合考慮儲熱等因素的影響，加強儲熱因素對汽輪機影響左右的研究，做好儲熱因素對汽輪機初參數和集熱場出口溫度的優化工作，加強對于集成儲熱系統中光熱轉換與熱功能轉換技術的重視，重視整體優化技術的研究，加強對光熱系統設計研究的探索。

4.2機組容量

汽輪機容量增加，可以提高熱功轉換過程的效率。目前，世界上太陽能光熱發電汽輪機的單機容量約為130MW，但仍有提高的空間。太陽能光熱發電汽輪機的容量增加，代表著太陽能光熱發電站需要更多的面積容納基礎建設，意味著聚光鏡和換熱器之間的距離增加，同時余力的變大，會帶來光熱轉換效率下降的后果。

4.3負荷適應性

汽輪機為了配合光熱發電站的技術需要，滿足光熱發電快速啟停和負荷的要求，多數都是采用較大的通流動靜間隙，過大的流通間隙，在一定程度上降低了流通效率。同時，汽輪機的汽缸和閥門多采用薄壁結構，這種薄壁結構由于自身的特點，會一定程度上限制壓力和容量的提升。隨著未來的科技水平的發展進步，越來越多的技術會應用在光熱發電領域，儲熱技術在光熱發電領域的應用也會越來越廣泛。依靠儲熱系統對熱量的快速吸納和釋放，保證汽輪機符合要求可以平穩過渡，這在一定程度上可以減緩汽輪機的負荷變化速率，并通過將汽輪機的負荷與太陽光照強度解耦，降低機組啟停和變換負荷時的熱應力、熱膨脹和熱變形，提高汽輪機的使用壽命。不斷加強光熱發電系統控制技術的研究，從制造、儲熱技術等多方面降低太陽能光熱發電對汽輪機啟停和負荷變化速度的要求，這是光熱發電系統未來優化研究的主要方向。

4.4自動控制技術

太陽能光熱發電站多數建立在不適宜人群居住之地，多數位置偏遠，常常是沙漠等地區。干旱缺水的環境特點決定了發電站的機組采用直接空冷方式。同時，惡劣的氣候條件也對機組的監測和自動化控制水平提出了更高的要求，需要在設計發電站是做好統籌規劃工作，根據實際情況，結合互聯網的強大功能，運用智慧電廠、智能電網等發展理念，創造太陽能光熱發電系統設計的新局面，另外，隨著自動化技術的進步，在未來一鍵啟停、遠程操控是發展的必然趨勢。

5結語

隨著現今地球環境問題日益嚴重，資源壓力日益增加，開發新能源已經迫在眉睫，目前，太陽能以其清潔、高效的特點成為人們的研究重點，太陽能光熱發電系統的研發為環境資源保護問題帶來了新的方向，同時，對設備的制造技藝也提出了更高的要求，為汽輪機的未來發展帶來了更多的挑戰，目前，經過多年的研究探索，集熱過程已經取得了重大進步，現在的主要任務是集成優化動力循環過程，當前的動力循環研究現狀還需要提高，需要投入更多的關注，除此之外，加強汽輪機制造設計方面的研究，進而確保太陽能光熱發電的安全性、可靠性，促進太陽能光熱發電系統性能全面提升。

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作者:王健強 祝昌貴 張書啟 單位:中國電建集團江西省電力建設有限公司