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 | 5941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。完全依賴實驗方法進行太陽能熱發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)，成本高，實驗周期長，且不利于快速占據(jù)市場先機和提升技術(shù)附加效益。仿真技術(shù)作為工程化研究的一項重要工作內(nèi)容，保證了在降低試驗成本的同時加快產(chǎn)品的研發(fā)。國家863計劃——太陽能槽式集熱發(fā)電技術(shù)研究與示范主題項目“槽式集熱、發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺研究及示范系統(tǒng)”課題負責(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)電大會進行報告
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，具有強烈非線性，非穩(wěn)態(tài)的特征；能流輸入存在間歇性，強烈非穩(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)如何才能達到投資方的預(yù)期目標(biāo)？
設(shè)計建設(shè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)能否達到投資方的預(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)運維尤為關(guān)鍵。
對于系統(tǒng)運維，我提出一個“全工況”的概念，即：設(shè)計的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是否能夠“全工況運行”。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)高水平的運行管理人員，對太陽能熱發(fā)電電站的安全經(jīng)濟運行也是非常重要的。
1、全工況運行
圖：全工況運行流程
系統(tǒng)除了冷態(tài)啟動，溫態(tài)啟動，熱態(tài)啟動，正常停機，緊急停機外，還要考慮蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的預(yù)熱等輔助運行過程、一些故障工況以及多種運行模式之間如何切換。設(shè)計太陽能熱發(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)電項目設(shè)計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)計值還是集熱場得熱量最大？聚光場出口油溫達到多少時，進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)？在什么工況下，儲熱系統(tǒng)進行充放熱經(jīng)濟性最好？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)計過程中給出確切答案？
3、提高運行管理人員的水平
運行人員的水平直接影響發(fā)電站安全經(jīng)濟性，美國聯(lián)邦能源部“安全性專題報告”指出：電站的可靠性可以由改善設(shè)計和加強維護來改善，但這只占提高可靠性的20%—30%，另外70%—80%依靠運行人員。據(jù)美國核安全信息中心統(tǒng)計：“沸水堆事故的1/8，壓水堆事故的1/6是由運行人員的誤操作引起的。因此來說，高水平的運行人員對電站的安全，經(jīng)濟運行起著至關(guān)重要作用。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行也不例外。太陽能熱發(fā)電在我國剛剛起步，隨著20個示范項目的實施，需要高水平的運行人員。我們?nèi)绾蔚玫礁咚降倪\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，我國火電機組從亞臨界到超臨界飛躍就是通過仿真機來提升運行人員技術(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)在的仿真機主要是由計算機硬件構(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
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，先進行系統(tǒng)的劃分，在編寫所有的傳熱換熱工質(zhì)物性計程序，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：八達嶺槽式太陽能熱發(fā)電電站仿真機技術(shù)路線
圖：DCS操控界面
我們在開發(fā)界面，相當(dāng)DCS界面，對運行過程中的設(shè)備進行組態(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)計方面的問題？就是用開發(fā)的仿真機進行所有預(yù)想的操作，比如，整個系統(tǒng)的啟停操作、運行模式切換、一些輔助運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。
圖：用仿真機對太陽能熱發(fā)電整體系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)驗證
我用中科院電工所八達嶺1MW塔式電站簡單舉個例子，這是“十一五”的科技項目。在前期設(shè)計時，我們在儲熱系統(tǒng)出口設(shè)計有一個鍋爐，目的是保證進入汽輪機前的蒸汽參數(shù)要達到額定參數(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)熱油加熱進行加熱，到達過熱蒸汽。在設(shè)計之初，我們的出發(fā)點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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