中国电建西北院：塔式光热电站吸热塔高度优化分析

作者：张思远，周治，任亚军，王迎春

　　吸热塔是塔式光热电站聚光集热系统中的最主要的构筑物，也是光热电站中最高的构筑物，结构总高度一般均超过150m。吸热塔多采用钢或混凝土高耸结构，不同于烟囱和电视塔等高耸结构，主要表现在结构质量、刚度分布不均匀，在结构上部需要布置多个设备层。吸热塔建设的主要难点是在保证电站安全生产运行要求（刚度满足塔顶设备正常运行要求、内部空间满足交通和设备管线布置要求等）的基础上控制建造成本,并兼具标志性构筑物的美观外形。为实现塔式光热电站的高效运行，需要合理设计吸热塔的高度以达到电站效率和建设成本的平衡。

　　本文以中国西北某省70万m²镜场的塔式光热电站为例，从效率和经济性两方面入手，应用中国电建西北勘测设计研究院有限公司自主研发的性能评估软件对吸热塔高度相关的镜场效率和综合收益进行了分析研究，旨在提出吸热塔高度优化的基本思路，为塔式光热电站设计中吸热塔高度的优化选取提供参考。

　　吸热塔高度与定日镜场、当地气象条件密切相关。在镜场面积不变的情况下，随着吸热塔高度的增加，镜场效率会有变化。镜场效率作为电站效率的重要组成部分，主要涉及余弦效率、阴影和遮挡效率、大气衰减效率和截断效率，与风速相关的定日镜停机策略、吸热器控制策略等。

　　镜场效率与塔高、镜场面积、当地光资源等多种因素有关。为研究塔高与镜场效率的关系，首先将吸热塔高度设置为固定值200m，并将光热电站建模边的界条件输入中国电建西北勘测设计研究院有限公司自主研发的镜场布置软件，采用最大密度布置与仿生型布置组合定日镜场排布专利技术，生成相应的镜场布置具体如图1所示。

图1  镜场布置图

　　根据以上的镜场布置，利用自主研发的镜场光学效率软件，对镜场余弦效率、阴影遮挡效率、大气衰减效率和截断效率分别进行分析。

图2-图5  分别为镜场的余弦效率、阴影和遮挡效率、大气衰减效率、截断效率分布

图6  镜场年均效率分布

‍　　从镜场效率的分布图可以看出，越靠近吸热塔的区域，镜场效率越高。而塔高的变化将会影响镜场的整体布置，从而影响镜场高效区域的定日镜数量。

　　根据项目边界条件，对吸热塔高度为150m～210m区间，步长为10m的7种塔高进行分析。使用自主研发的镜场优化软件，生成对应塔高的优化镜场，并对其镜场效率进行分析研究，具体分析结果如图7所示。

图7  塔高与镜场效率的关系

　　从图7可以看出，基于项目的边界条件，随着吸热塔高度的增加，镜场效率也会随之提升，并且提升幅度随着塔高的增加逐渐趋于平缓。

　　根据以上7种塔高，将相应的边界条件和技术参数输入图8所示的性能评估软件中，形成对应塔式光热电站系统配置方案，并对各方案的年发电量进行模拟测算。

图8  塔式光热系统性能评估软件界面

　　计算得到的各配置方案年发电量见图9。

图9  塔高与发电量的关系

　　从图9可以得到，随着吸热塔高度的增加，塔式光热电站的年集热量增加，使得年发电量也随之增加，但是增加幅度随着塔高的增加逐步平缓。

　　随着吸热塔高度的变化，吸热塔的造价、塔内设备的造价、聚光集热系统的运行成本及发电收入同样会发生变化，以下对吸热塔的建造成本和对应收入分别进行分析。

　　吸热塔的主要建设成本主要包括土建费用、电伴热费用、管道费用和熔盐泵费用等，以下分别进行分析。

　　经测算，随着塔高的增加，吸热塔的土建费用会随之增加，具体变化趋势如图10所示。

图10  吸热塔高度与土建费用的关系

　　与此同时，塔高增加也会使吸热器升高，这样会使得对应的电伴热、熔盐管道、熔盐泵等设备造价的增加。对以上成本进行综合考虑，可以得到不同塔高下吸热塔的建造成本，如表1所示。

　　表1  不同塔高下的建设成本

　　通过分析可知，随着吸热塔高度的增加，土建成本与塔高基本呈指数关系，而电伴热、熔盐管道、熔盐泵造价成本与塔高呈线性关系。

　　吸热塔高度增加引起的运行成本增加主要为熔盐泵负荷增加的电费，熔盐泵用电费用按0.5元/kWh计算，经分析可知塔式光热电站25a运行期内由于熔盐泵用电量变化导致增加的运行成本为70.89万元/10m，与吸热塔高度成线性关系。

　　吸热塔高度增加的相关收入，主要为提升的发电量电费收入。将塔式光热电站25年运行期发电量增加的收入，折算至电站建成后第一年，并将上网电价按0.3元/kWh、0.6元/kWh、0.9元/kWh三档进行分析，不同塔高下增加的发电收入如表2所示。

　　表2  不同塔高下的发电收入

　　将塔高变化引起的成本和收入变化进行汇总，如表3所示。

　　表3  不同塔高下的成本收入汇总

　　通过分析可知，在吸热塔高度逐渐增加的过程中，针对不同的上网电价，收入和成本均呈增加的趋势，而收入增加的程度随塔高的增加逐步放缓。在吸热塔高度为180m时，三档电价下电站综合收益的增加金额均达到了最大值，而在塔高超过180m后，综合收益的增加金额逐渐减少。因此，在进行塔式光热电站的设计时，应根据项目的边界条件和具体要求，合理确定吸热塔高度。

综上所述，随着吸热塔高度的增加，镜场效率增加带来的收益和吸热塔高度增加付出的成本之差会逐渐变小。基于项目的边界条件，在吸热塔高度为180m时，综合收益最高，但不同电价下的综合收益相差较大。在进行塔式光热电站设计的过程中，可采用此方法确定吸热塔高度，以提高项目的经济性。