金建祥教授专访｜青海中控德令哈50MW光热电站运行佳绩的背后

　　昨日，太阳能光热联盟理事单位——浙江可胜技术股份有限公司（简称“可胜技术”）发布消息，其建设的青海中控德令哈50MW光热电站最近11个月发电量达到1.46亿kWh，超过年度设计发电量（1.46亿kWh），成为全国首个年发电量完全达到设计水平的光热电站。对于光热行业而言，这无疑是一个令人兴奋的好消息。央视新闻在第一时间以《绿色能源新突破！我国出现首个年实际发电量达产的光热电站》为题进行了报道，瞬间浏览量就超过了40万；中国新闻网刊发《青海德令哈储能光热电站实际发电量超设计能力》的报道也引发广泛关注；各大媒也纷纷跟进，成为光热发电行业新闻的又一“高光”时刻。

　　这样的运行表现到底意味着什么？可胜技术有哪些值得分享的经验？对我国光热行业的发展又将产生哪些积极的影响？带着这些问题，太阳能光热联盟记者采访了可胜技术董事长兼总工程师金建祥教授。

　　金建祥：谢谢！国际上已投运的塔式光热电站，自并网发电以后往往有3～5年的性能提升期。国内光热发电技术较国外起步较晚，通过国家示范项目的建设，目前已有5座大型塔式光热电站并网发电（青海中控德令哈50MW、首航高科敦煌100MW、中电建共和50MW、中电哈密50MW、鲁能格尔木50MW），绝大多数处于消缺阶段或性能快速提升期。

图1 青海中控德令哈50MW光热电站

　　我们德令哈光热电站于2018年12月30日并网发电，2019年4月17日首次实现满负荷运行，通过半年的快速消缺及试运行，于2019年7月下旬正式进入常规运行阶段。在随后的三年运行中，电站逐一解决了新冒出来的设备故障问题，并通过不断优化运行策略，连续突破单日、单月、年度运行纪录。自2021年8月5日汽轮机及管道再次整改完成后，一直稳定发电至今，仅仅用了11个月的时间，就完成了年度设计发电量（1.46亿kWh），成为全国首个年发电量完全达到设计水平的光热电站。根据我们的预测，到下个月5号，整个运行年度的发电量有望达到近1.6亿kWh，将超出年度设计发电量10%，这也将是全球范围内第一个达到如此优异表现的塔式熔盐储能光热电站。基于以上德令哈光热电站优秀的运行表现，以及我们从中积累的丰富运行经验，对于后续的塔式光热发电项目，我们有充分的信心在18个月内即实现连续12个月累计发电量达到设计值的目标，从而改变光热电站学习期长、产能爬坡慢的痛点，为业主创造更多价值。

　　金建祥：光热电站的运行表现首先与光资源情况直接相关，当然光资源是非技术因素，我们这里不做讨论。技术因素主要包括聚光吸热系统、储换热系统、汽轮发电系统等各个系统的设计匹配度，设备性能，设备可靠性，运行优化水平等。为提高青海中控德令哈50MW光热电站的运行表现，我们各方做了大量的工作。

　　首先说说系统设计方面，光热电站的聚光吸热系统、储换热系统和发电系统之间的集成是一项挑战，关键是要做好各系统之间参数的匹配，以及设备之间接口的合理设计，确保设计方案符合光热发电的特点及运行模式。可胜技术通过自主研发的塔式熔盐光热电站设计软件，并结合已建成运行的德令哈10MW电站的运行数据，实现了电站聚光吸热、储换热和发电等多个系统的优化设计，以及各系统相互间的优化配置，有效提高了整个系统的运行效率。

　　对塔式光热发电系统而言，聚光吸热系统的性能是决定电站运行表现的最关键因素，而这里面，聚光精度直接决定着聚光吸热系统的效率，进而影响光热电站的效率及发电量。我们主要从两个方面入手来提高聚光精度，首先从定日镜的机械结构设计与加工制造入手，保证定日镜的机械精度；同时，镜场的定期校正对保证聚光精度也非常重要，我们采用的基于机器视觉的自动校正方案，校正效率比传统的白板校正方案提高25倍，这不仅可以大幅度降低镜场投运前的校正时间，从而缩短调试工期，更重要的是利用高效的校正系统可以对正在运行的镜场进行高频率的校正，保证定日镜的精度在全生命周期内始终维持在最佳水平。镜场控制系统的性能对发电量的影响也至关重要。依托我们在控制系统领域近30年的积累，自主研发的镜场控制系统，可实现大规模定日镜场的集群控制，并与吸热器控制系统深度耦合，在保证电站聚光吸热系统安全稳定运行的同时，大幅提升光资源利用率，进而提升电站发电量水平。

　　我们在这方面的工作成果也是非常显著的。早在2019年，我们就委托业内权威的德国航空航天中心（DLR）与CSP Services共同对我们的定日镜产品进行了第三方检测认证，并获得了“Excellent”的最高等级评价，我们的定日镜也可能是到目前为止唯一通过国际权威第三方机构检测认证的塔式光热电站核心设备。我们在聚光吸热系统方面的能力与水平也得到了行业的广泛认可，我们牵头了IEC国际标准《太阳能光热发电站镜场控制系统》，以及《塔式太阳能光热发电站集热系统技术要求》、《塔式太阳能光热发电站定日镜技术要求》两项国家标准的编制。

　　设备可靠性也是非常关键的，塔式光热电站主要设备包括镜场、熔盐吸热器、熔盐储罐、熔盐泵、熔盐阀、汽轮发电机组等。电站设备的可靠性是直接影响电站性能及发电量的首要因素。可胜技术设计开发了可以在高原极端环境下稳定运行的塔式光热电站核心设备，如定日镜、吸热器等，解决了高海拔电控设计、低温高传动效率设计、低气压密封设计等一系列难题，并已经过德令哈10MW光热项目（2013年7月并网发电，运行9年）、德令哈50MW光热项目（2018年12月并网发电）、共和50MW光热项目（2019年9月并网发电）三个项目长时间的运行验证。同时，可胜技术与国内外领先的供应商和设计单位合作，攻克了熔盐吸热器的材料选型、柔性结构设计、运行工艺设计；储罐结构设计和焊接质量控制；熔盐泵高温环境下耐磨损设计、熔盐泵与管道及平台联合设计；熔盐阀门密封设计等大量技术难题，掌握了设备关键性能及控制要点，形成了完整的熔盐系统工艺及设备质量控制流程，保证了这些关键设备的运行可靠性。

　　运行优化方面，最核心的是如何在有云天气情况下，兼顾吸热器的安全稳定运行与提高光资源利用率。据统计，德令哈电站场址一年的有云天气高达200天以上，不时飘来的云对光热电站的运行影响非常大。我们知道云的遮挡会导致部分镜场不能聚光，造成吸热器因表面温度巨变而影响其安全运行，对运行人员而言，选择关场、疏盐是最“安全”的操作，但这会造成光资源的极大浪费，同时镜场重新投运时还需要花费时间进行吸热系统及管道的预热，进一步影响电站的发电量。而可胜技术的高精度镜场控制系统，可迅速对全镜场能量进行调度，以实现来云情况下吸热器表面能量均匀分布，不发生表面温度巨变，尽量避免关场、疏盐，从而实现对光资源的最大限度利用。同时，云遮挡的持续时间长短，也可能对电站如何选择运行策略造成影响，进而影响发电量。举个例子，镜场被来云遮挡时，电站需要根据云的持续时间选择最优的运行策略，若判断云的持续时间很短，应通过调整镜场能量和熔盐流量、避免镜场关场，保证在云遮挡结束后迅速恢复正常工作状态；若判断云的持续时间很长，则应选择镜场撤场、吸热系统疏盐。如何选择最佳运行策略的核心是对云的运行趋势进行精准的预测，可胜技术自主研发的云预测系统，具备云识别和云运动跟踪功能，实现了30分钟以内的DNI预测功能，通过与镜场控制系统的深度耦合，帮助操作人员选择最佳运行策略，减少吸热器的启停次数，大幅提高光资源利用率。

　　同时，为提高电站运行的稳定性和发电量水平，降低人为因素导致的系统效率下降和设备运行风险，我们还开发了聚光吸热系统自动化运行软件，实现了聚光吸热系统在不同工况下的自动化运行。不仅如此，基于德令哈50MW项目的运行经验，设计开发了设备专家诊断系统软件和运营分析系统软件，实现了电站关键设备提前故障预警，能够指导电站运行人员持续改进运行策略，同时大幅降低故障处理时间。

　　此外，针对西北地区常年风沙对镜场清洁度的影响，可胜技术设计开发了国际首创的全自动清洗车，具备自动导航、水洗/干洗功能，可大幅提高镜场清洗效率，保证定日镜的清洁度与发电效率，降低运营成本。该设备荣获SolarPACES 2020技术创新大奖。

　　金建祥：青海中控德令哈50MW光热电站投运以来，主要解决了冷盐泵震动、吸热屏堵管、汽轮机动静摩擦等问题。其中冷盐泵震动与吸热屏堵管的问题对发电量的影响虽然不是太大，但也花了一年左右的时间才逐一解决，今后新建电站的设计中，只要吸取教训完全可以避免再次发生。而汽轮机的问题相对还是比较严重的，电站移交生产后，2020年7月到2021年7月，一年时间内三次因汽轮机故障进行整改。前两次整改就是汽轮机返厂检修，同时加固汽轮机以提高蒸汽管道推力的承受能力，而最后一次整改，也就是去年7月份到8月份期间，除了汽轮机再一次返厂检修外，还在设计单位中电工程西北电力设计院的大力支持下，对主蒸汽管道进行了全面整改，以明显降低蒸汽管道对汽轮机的推力，从效果来看也是不错的，也为这11个月来优异的运行表现打下了基础。

　　事后回顾起来，这些问题出现的原因主要还是相关各方经验不足，只要在设计、制造和运行阶段得到充分重视，这个问题也是完全可以避免的。比如熔盐泵的震动，在设计阶段需优化设计好泵的基础，并针对泵平台和管道进行联合计算和动态分析，也是完全可以避免的；吸热器的堵管问题只需要在吸热器设计时简单调整一下吸热器内部连接管道的结构就可以解决；而汽轮机的问题，在设计阶段需针对光热电站频繁启停以及经常变负荷运行的特点，在汽轮机设计选型、管道优化设计方面加以重视，就可有效避免。

　　通过分析本项目的运行情况，我们可以得出结论：聚光吸热系统及熔盐储换热系统一直稳定运行，这说明这些核心技术及设备是成熟可行的，而常规岛并不常规，出现问题相对较多，缺乏针对性的优化设计，后续项目需重点关注。对于塔式光热电站整体而言，主要设备已经不存在“卡脖子”难题。下一步的目标是推动熔盐泵、吸热器材料等进口设备材料的国产化，同时不断开展系统和设备优化，以提高系统效率，降低成本，提升光热发电的经济性。

　　金建祥：首先，青海中控德令哈50MW塔式光热电站率先超过年度设计发电量，充分验证了塔式光热发电项目完全可以在我国西北高海拔、低温、多风沙的恶劣环境下建成并成功运行。

　　其次，该电站的运行数据也说明了我们自主研发的塔式光热发电技术已经成熟，所采用的国产化聚光吸热系统和储换热系统等核心设备也是可靠的。通过项目的建设运行为整个光热行业积累了宝贵的经验，培养了一批具备较强竞争力的光热发电产业链企业，为光热发电下阶段更大规模的推广应用打下了扎实的基础。

　　同时，塔式熔盐光热电站的冬季运行表现说明在我国西北建设塔式光热电站是十分必要的。目前，在光热发电的几种技术路线中，已实现商业化的技术路线以塔式和槽式为主。我国已建成的大型光热电站中，塔式技术路线约占60%，槽式技术约占28%，线性菲涅尔技术约占12%。我国DNI较高的地区大多位于中高纬度地区，这些地区冬季太阳高度角较小，槽式采用单轴跟踪形式，其镜场的余弦效率会显著下降，冬至的镜场效率仅约为夏至的30%左右。而塔式的定日镜采用双轴跟踪形式，可以很好地减少太阳高度角变小带来的余弦效率损失，其冬季与夏季的电站效率差异不大，并且得益于冬季降雨量较少，其冬季发电量往往会超过夏季。由于冬季水电普遍进入枯水期，电网调峰资源严重不足，塔式光热电站可保持冬季较高的可利用小时数，能够为电力供应提供更大的保障。

　　由德令哈50MW项目近11个月发电量数据（图2）可以看出，电站逐月发电量平稳，受季节影响不大。特别是在2021年10月份至今年1月份四个月冬季期间，冬季运行表现更为突出，月平均发电量高达1551.5万度，高于设计月平均值（1216.67万kWh），充分体现出塔式光热发电技术路线在我国高纬度地区应用的优势。

图2 电站最近11个月发电量数据

　　截至目前我国有8个太阳能热发电示范项目并网发电（熔盐塔式5个，槽式2个、线性菲涅尔式1个 ），虽然通过不断地消缺，这些光热发电示范项目的性能和发电量都在逐步提升，但距离达到年度设计发电量尚有距离，这导致了部分人士对光热发电技术心存疑虑。在此情况下，青海中控德令哈光热电站首先达到设计值，可以说是为我国光热产业的发展注入了一剂“强心针”。

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