房俊偉

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

在全球能源轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)下，可再生能源將成為能源市場(chǎng)的主角，占比達(dá)到80%以上。在可再生能源中，具有穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)特性的光熱發(fā)電會(huì)占有重要的一席之地。根據(jù)國(guó)家“十三五”規(guī)劃，我國(guó)2020年光熱發(fā)電量為500 MW～1 000 MW，2030年為3 000 MW～6 000 MW，2050年達(dá)到18 000 MW～50 000 MW，光熱發(fā)電市場(chǎng)潛力巨大。

2012年7月，國(guó)家能源局下發(fā)國(guó)能新能[2012]194號(hào)文件《國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃的通知》，標(biāo)志著我國(guó)光熱發(fā)電進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段。2016年9月，國(guó)家能源局下發(fā)國(guó)能新能[2016]223號(hào)文件《國(guó)家能源局關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》，公布了首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目共20個(gè)，總計(jì)裝機(jī)容量1 349 MW，計(jì)劃于2018年年底前建成投產(chǎn)。如今大部分項(xiàng)目已經(jīng)投運(yùn)或正在建設(shè)中，為我國(guó)光熱發(fā)電行業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為更安全、更經(jīng)濟(jì)的建設(shè)大規(guī)模光熱電站奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間，光熱發(fā)電用汽輪發(fā)電機(jī)組大部分都在300 MW以下。對(duì)于300 MW等級(jí)及以下發(fā)電機(jī)組，空冷發(fā)電機(jī)具有其他冷卻方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)市場(chǎng)需要，我公司相繼研發(fā)了光熱發(fā)電用50 MW等級(jí)、100 MW等級(jí)空冷汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，市場(chǎng)反應(yīng)良好。本文對(duì)50 MW等級(jí)、100 MW等級(jí)光熱發(fā)電用空冷汽輪發(fā)電機(jī)研發(fā)過(guò)程中與常規(guī)的汽輪發(fā)電機(jī)幾個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行了探討，供光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)研發(fā)者和用戶們參考。

1 結(jié)構(gòu)方案選型

典型的光熱發(fā)電機(jī)組，見圖1，一般為發(fā)電機(jī)布置在汽輪機(jī)高壓缸與低壓缸之間，高壓缸通過(guò)變速箱與發(fā)電機(jī)連接。低壓缸軸向排氣，高低壓缸可單獨(dú)運(yùn)行，也可以聯(lián)合運(yùn)行。一般要求發(fā)電機(jī)為雙頭驅(qū)動(dòng)、單層布置結(jié)構(gòu)，由于發(fā)電機(jī)為雙頭驅(qū)動(dòng)，為降低發(fā)電機(jī)軸電壓，除常規(guī)的發(fā)電機(jī)汽端(靠近高壓缸側(cè))采用接地碳刷外，發(fā)電機(jī)靠近低壓缸側(cè)的聯(lián)軸器需加絕緣。另外，由于發(fā)電機(jī)布置在汽輪機(jī)高壓缸與低壓缸之間，需考慮發(fā)電機(jī)大修抽轉(zhuǎn)子時(shí)不能直接從兩端抽出，需采用專用工具將發(fā)電機(jī)從兩側(cè)平移出來(lái)后，再按常規(guī)抽裝轉(zhuǎn)子方法進(jìn)行抽裝。

圖1 典型光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)外形圖

2 電磁方案選型

光熱電站建設(shè)資金巨大，一般高于2萬(wàn)元每千瓦，有的甚至達(dá)到4萬(wàn)元每千瓦。而國(guó)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組價(jià)格僅約為500～700元每千瓦，其中發(fā)電機(jī)約為100～140元每千瓦，占整個(gè)電站投資資金比例很小。據(jù)德國(guó)專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)光熱發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本的測(cè)算，汽輪發(fā)電機(jī)組的效率若相差1%，若想達(dá)到相同的度電成本，汽輪機(jī)的價(jià)格應(yīng)相差約35%。由此看來(lái)，發(fā)電機(jī)效率對(duì)整個(gè)電站收益影響非常大，但對(duì)于光熱電站來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)設(shè)備的投資成本比例比常規(guī)火電站要小很多。因此，為使電站實(shí)現(xiàn)最大收益，發(fā)電機(jī)價(jià)格與效率之間的最佳平衡點(diǎn)應(yīng)與常規(guī)火電機(jī)組不同。以某公司額定功率50 MW發(fā)電機(jī)為例，常規(guī)火電用汽輪發(fā)電機(jī)滿載效率約為98.35%，如僅將其鐵心長(zhǎng)度加長(zhǎng)360 mm，成本增加約12%左右，在同等溫升條件下，調(diào)小轉(zhuǎn)子風(fēng)扇角度以減小風(fēng)摩損耗，效率可達(dá)到約98．43%。因此對(duì)光熱電站來(lái)說(shuō)，相對(duì)于常規(guī)火電機(jī)組，可以增加光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)的有效尺寸以提高發(fā)電機(jī)效率，雖然發(fā)電機(jī)成本會(huì)略有增加，但可以大幅提高電站整體收益。

3 調(diào)峰運(yùn)行能力

與常規(guī)火力發(fā)電用發(fā)電機(jī)相比，光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)要求有更高的調(diào)峰運(yùn)行能力。對(duì)于按連續(xù)負(fù)荷運(yùn)行的常規(guī)機(jī)組來(lái)說(shuō)，絕緣老化、氧化和腐蝕是影響壽命的主要因素，而對(duì)于頻繁啟停的機(jī)組來(lái)說(shuō)，熱疲勞和機(jī)械疲勞是影響壽命的主要因素。對(duì)于調(diào)峰運(yùn)行機(jī)組，我們?cè)诔Ｒ?guī)火電用汽輪發(fā)電機(jī)組中已有大量成熟的經(jīng)驗(yàn)，如采取定子VPI整體絕緣系統(tǒng)見圖2、轉(zhuǎn)子線圈間增加滑移層、轉(zhuǎn)子線圈端部加強(qiáng)墊塊綁扎等技術(shù)。

圖2 采用VPI整體絕緣系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子

4 高海拔的影響

我國(guó)目前光熱發(fā)電太陽(yáng)能資源主要分布在青藏高原、內(nèi)蒙古高原等高原地區(qū)。國(guó)家能源局國(guó)能新能[2016]223號(hào)文件《國(guó)家能源局關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》公布的首批20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，分布在青海、甘肅、河北、內(nèi)蒙、新疆等省區(qū)，有近一半是建設(shè)在高海拔地區(qū)。高海拔地區(qū)的特殊自然環(huán)境條件如空氣壓力低或空氣密度較低主要影響發(fā)電機(jī)的出力、絕緣強(qiáng)度、起暈電壓、電氣間距等。因此對(duì)于運(yùn)行在高海拔地區(qū)的光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)必須采取相應(yīng)措施。

5 研發(fā)方向展望

我們知道，發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越大，其發(fā)電效率越高。建造大容量太陽(yáng)能光熱發(fā)電站，是降低太陽(yáng)能熱發(fā)電成本的重要途徑。在同樣技術(shù)條件下，機(jī)組容量越大，單位千瓦的投資成本和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用越低，機(jī)組本身的運(yùn)行效率和電站輔助設(shè)備及管道系統(tǒng)效率也越高，則電站綜合效率明顯提高，特別是對(duì)于塔式、槽式光熱發(fā)電站，其成本與裝機(jī)容量規(guī)模密切相關(guān)。通過(guò)專家計(jì)算：采用蒸汽輪機(jī)的光熱電站的裝機(jī)容量要50 MW以上熱效率才能達(dá)到有利潤(rùn)的程度。國(guó)家首批20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，其中50 MW項(xiàng)目14個(gè)、100 MW項(xiàng)目5個(gè)、135 MW項(xiàng)目1個(gè)，可以看出50 MW容量等級(jí)的發(fā)電機(jī)組占了絕大部分。在國(guó)際上光熱發(fā)電大國(guó)西班牙、美國(guó)等國(guó)家，主流機(jī)組為100 MW～200 MW，400 MW機(jī)組正在逐漸興起。因此，光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量逐步增大是以后的發(fā)展趨勢(shì)。

為加大能源綜合利用效率，提高經(jīng)濟(jì)性，“光熱+”模式將是未來(lái)光熱發(fā)電的大發(fā)展趨勢(shì)?！肮鉄?”模式包括生物質(zhì)燃料(或天然氣)和光熱混合發(fā)電、風(fēng)電光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)、通過(guò)補(bǔ)燃或與常規(guī)火電廠聯(lián)合運(yùn)行等方式。因此，未來(lái)的光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)需考慮用于“光熱+”模式的適用性。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已接近于世界先進(jìn)水平。隨著光熱發(fā)電機(jī)組的迅速發(fā)展，我們應(yīng)該利用在設(shè)計(jì)、制造常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)方面的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用到光熱發(fā)電機(jī)組的研發(fā)上，形成我們光熱發(fā)電用發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。