王曉兵 全明福

摘 要：塔式光熱發(fā)電作為一種穩(wěn)定、綠色的新能源電力產(chǎn)業(yè)，太陽能光熱發(fā)電成為目前國家重點支持和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。配備足夠儲熱容量的塔式光熱發(fā)電站相較光伏發(fā)電和風力發(fā)電技術(shù)可以平抑外部多變氣象條件擾動，輔以光熱電站功率預測系統(tǒng)等科學的運行模式后，太陽能熱發(fā)電站可以實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定運行，因此，被看作最有前景的可再生能源利用技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：塔式、光熱、光功率、預測

前言

在光熱電站運行過程中，由于太陽直射輻射的隨機變化和光熱電站的動態(tài)運行狀態(tài)，光熱電站的發(fā)電功率往往會出現(xiàn)較大波動，甚至停機。如果能夠?qū)μ栔鄙漭椛浜凸鉄犭娬驹谖磥硪欢螘r間內(nèi)的發(fā)電功率進行準確預測，可避免機組負荷的大幅度變化，提高電站出力的穩(wěn)定性，延長電站設(shè)備的運行壽命。

塔式光熱電站功率預測

塔式光熱電站功率預測系統(tǒng)是以獲取氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，鏡場運行數(shù)據(jù)，吸熱器能流密度，儲換熱系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機系統(tǒng)等模塊數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)電站短期、超短期和中長期的功率預測及上報，最終滿足電網(wǎng)調(diào)度運行的需要，下面就光熱電站功率預測主要模塊及功能做以下分析。

氣象監(jiān)測與預報模塊：采集當前電站運行所需的關(guān)鍵氣象參數(shù)，數(shù)據(jù)來自氣象監(jiān)測站。氣象參數(shù)主要包含：直接輻射、水平總輻射、散射輻射、風速、風向、濕度、氣壓等。將采集的氣象數(shù)據(jù)各參量分析，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓練，預測未來時間段內(nèi)的氣象輻射度趨勢。

氣象數(shù)據(jù)預測校正模塊是將氣象監(jiān)測及預報模塊和氣象預測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，依據(jù)鏡場的實時氣象數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的變化率，各輻照度頻率分布等參數(shù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法校正氣象變化，得到修正后的天氣預報數(shù)據(jù)。

歷史氣象數(shù)據(jù)庫模塊模塊是將氣象儀和氣象預測數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對歷史日、月和設(shè)定區(qū)間的氣象數(shù)據(jù)進行完整性統(tǒng)計、輻照度頻率分布、氣象參數(shù)統(tǒng)計等。

鏡場運行監(jiān)測模塊：鏡場由液壓驅(qū)動部分將定日鏡驅(qū)動，根據(jù)特有的算法角度跟蹤太陽，將太陽光反射到吸熱器上，是太陽能系統(tǒng)的集熱部件，它的功能是接收到的已聚焦的太陽輻射能量，轉(zhuǎn)換為熱能。本模塊監(jiān)測集熱場運行參數(shù)，如鏡面旋轉(zhuǎn)夾角，鏡面工作狀態(tài)、集熱器溫度、集熱器壓力等參數(shù)。

（1）主反射鏡面輻射能

集熱系統(tǒng)接收到的太陽輻射能Qin為

式中：

I為太陽輻射強度;

A為主反射鏡的聚光面積;

（2）集熱場的熱效率η

式中：

m（t）為t時刻集熱器進口導熱介質(zhì)流量函數(shù)，kg;

Cp1（t）為t時刻集熱器入口工質(zhì)溫度對應(yīng)的比熱，J/（kg·℃）;

T1（t）為t時刻集熱器入口溫度，℃;

Cp2（t）為t時刻集熱器出口工質(zhì)溫度對應(yīng)的比熱，J/（kg·℃）;

T2（t）為t時刻集熱器出口溫度，℃;

I（t）為t時刻法向直接輻射量，kWh/m2;

儲換熱系統(tǒng)預測模塊：儲熱系統(tǒng)由儲熱材料、容器、溫度、流量、壓力測量控制儀器、泵或風機、電機、閥門管道、支架及絕熱材料構(gòu)成的儲存并可提供熱能，加熱蒸汽發(fā)生器，驅(qū)動汽輪機發(fā)電及泄漏探測，內(nèi)置燃料，液體攪拌，容器內(nèi)填放材料和排泄等組成的材料。本模塊根據(jù)當前儲換熱系統(tǒng)的運行參數(shù)，介質(zhì)參數(shù)進行儲能容量預測。獲取儲熱器溫度、集熱場輸入功率、換熱器溫度和流量，計算儲熱罐儲能的實時值，預測儲熱罐儲能趨勢。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)預測模塊：該模塊實現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)當前運行工況主要參數(shù)，根據(jù)蒸汽壓力、溫度、流量等關(guān)鍵參數(shù)建模預測蒸汽出力曲線。因此，根據(jù)蒸汽參數(shù)的變化（溫度、壓力、流量）趨勢，可以預測出蒸汽流量曲線。

汽輪發(fā)電機系統(tǒng)預測模塊：汽輪發(fā)電機組的核心包含蒸汽輪機、冷凝器、發(fā)電機等。本模塊包含：

（1）汽輪機狀態(tài)監(jiān)測功能

汽輪機組將高溫、高壓蒸汽具有的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成機組轉(zhuǎn)子的機械能，從而帶動發(fā)電機發(fā)電，這是一種復雜系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，必須及時排除，否則會對機組發(fā)電功率造成嚴重影響。汽輪機組常見的振動故障（轉(zhuǎn)子不平衡故障、轉(zhuǎn)子動靜摩擦故障、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中故障等）。

（2）發(fā)電設(shè)備效率出力預測功能

發(fā)電機作為電站運行中的重要設(shè)備之一，對電站的運行質(zhì)量有很大影響，因此，電站運行過程中必須要積極加強對發(fā)電機故障的檢測和排除。主要包含：對發(fā)電機組溫度上升情況、冷卻介質(zhì)情況、電流、電壓等工況監(jiān)測，采用發(fā)電機組歷史數(shù)據(jù)進行預測出力效率。

根據(jù)汽輪機內(nèi)功率和蒸汽參數(shù)有如下關(guān)系：

式中：

pi為內(nèi)功率，MW;

G為蒸汽流量，t/h;

Δhi為比焓，KJ/kg;

ηri為汽輪機內(nèi)效率。

光熱電站發(fā)電功率預測模塊：模塊主要實現(xiàn)電站短期、超短期和中長期的光功率預測計算，以及參數(shù)配置管理、誤差分析、預測對比等功能。

電站運行模式優(yōu)化模塊：本模塊是從氣象、功率模塊獲取電站當前運行主要參數(shù)，預測未來發(fā)電趨勢，結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)度指令數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，得出未來一定時間內(nèi)電站需要采取的最優(yōu)發(fā)電和工作模式。

綜上所述，塔式光熱功率預測系統(tǒng)中各個模塊之間是相輔相成，塔式光熱電站發(fā)電功率預測模塊是核心。通過以上模塊對太陽直射輻射和光熱電站在未來一段時間內(nèi)的發(fā)電功率進行準確預測，可避免機組負荷的大幅度變化，提高電站出力的穩(wěn)定性，延長電站設(shè)備的運行壽命。

參考文獻：

[1]《光熱發(fā)電站性能評估技術(shù)規(guī)范》

[2]《塔式太陽能光熱發(fā)電站實際標準GBT 51307-2018》

[3]《地面氣象觀測規(guī)范》