浅析太阳能光热发电汽轮机及主要技术特点

王冠 卢红远

摘  要：所谓太阳能光热发电主要是将太阳能转化为热能，之后利用热功率转化为发电的技术，组成部分包括热功率转换和光热转换。随着汽轮机研发技术的不断成熟，当前已经出现了太阳能光热发电式汽轮机。此次研究主要是探讨分析太阳能光热发电汽轮机及其的主要技术特点，并且展望了光热发电汽轮机的未来发展态势，希望能够对相关人员起到参考性作用。

关键词：太阳能  光热发电  汽轮机  技术特点

中图分类号：TK24                                  文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0048-02

1  太阳能光热发电技术

此种发电技术主要是通过反射镜将太阳光集聚到集热装置中，对介质进行加热，以此实现光热转换。在换热器中能够使集热介质散热，以此产生的热量能够促进发电机发电，实现热功转换。根据太阳能光热发电的不同集热方式，可以将其分为蝶式—斯特林发动机和线性菲涅尔式发动机。根据不同热力循环方式，可以将其分为汽轮机、斯特林发动机和燃气轮机。

2  太阳能光热发电汽轮机技术特点

2.1 光熱发电对汽轮机的要求

由于太阳能受气候以及昼夜变化影响，所以对于汽轮机的要求主要表现在以下方面。第一，快速启动;第二，快速变负荷和多次启停;第三，能够连续运行在低负荷状态;第四，便于运行控制;第五，安全性与运行效率高。为了有效满足汽轮机的运行需求，太阳能光热发电必须具备技术特点。

2.2 技术特点分析

第一，中置变速箱一次再热机组。应用集热量和出口温度会对汽轮机造成影响，因此初始参数比较低，并且容量也比较小，此时会相应减小主蒸汽过热度。此时就会减小主蒸汽容积流量，还会限制主蒸汽压力。当排气湿度过大时，会对流通效率造成影响，汽轮机叶片也会受到水蚀影响。例如：50MW蒸汽轮机，常规初始参数为535℃，8.83MPa;槽式太阳能光热发电汽轮机初始参数为383℃，10MPa。当主蒸汽过热时，压力会降低到2MPa，温度只有70℃，并且进入到湿蒸汽区。

为了防止叶片过早进入湿蒸汽区，提升循环率，则需要应用高低压分缸一次再热技术。此外，当容积流量比较小时，则需要应用多级高转速和小焓降方式，以此确保不同级别速度均能够处于最佳速比。高压转子转速会超过3000r/min，因此将变速箱设置在高中压转子中，此时形成中置变速箱布设方式。

然而需要注意的是，中置变速箱并非可以设置到汽轮机中，当蒸汽温度比较高时，则需要应用单轴一次中间再热方式，此时高压转子转速3000r/min。当存在较高过热度时，应用一次再热提升循环率时，高低压转子会对发电机进行同轴驱动，不需要再次设置变速箱。从上述分析能够看出，在应用多级高转速和小焓降设计方案之后，能够显著提升通流效率，尽管此时变速箱存在损失问题，但是会提升动力循环率。

第二，轴向排汽。为了减少排气损失情况，需要应用轴向排汽方式，以此提升机组效率。通过轴向排汽方式，可以利用滑动方式连接基础与凝汽器模块，将低压轴承箱落地，在不同工况下，太阳能光热发电汽轮机能够确保动静中心位置不变，也可以有效降低摩擦振动问题，进一步降低静子与转子摩擦力振动危险。

第三，加强负荷变化适应能力。由于气候与时间变化会改变光照条件，此时就会使汽轮机负荷波动比较大，要求其对负荷波动具备较强的适应能力。充分提升太阳能利用率，在运行期间能够升降负荷。由于夜晚缺乏光照条件，因此储热能比较少的电站会停止运行，所以要求机组拥有启停能力。通常情况下，随着负荷波动的持续增大，再加上多次启停，会导致阀门以及转子等部件产生较高热应力，使汽轮机处于疲劳运行状态，影响使用寿命。

基于以上问题，太阳能光热发电汽轮机高压缸材料必须具备良好的高温性能，减小阀门与气缸的壁厚，降低热应力。低压转子主要应用焊接方式，通过对通流部分径向间隙以及轴向间隙进行优化处理，能够有效提升运行效率。通过应用寿命评估技术和应力管理技术能够确保在寿命周期内汽轮机满足发电运行要求。

不容忽视的是，为了加强太阳能光热发电汽轮机对负荷波动的适应能力，则需要应用薄壁结构设计方式，这样能够对提升初压力导致效率升高的行为进行约束限制。由于提升初压力会增加气缸壁厚，此时所产生的热变形、膨胀以及应力问题都会对机组快速启动及负荷变化的适应能力造成影响。

第四，模块化结构。为了促进运输与安装工作的顺利性，需要应用模块结构方式设计太阳能光热发电汽轮机，合理应用排气缸模块、中低压模块以及高压模块。由于模块结构设计范式所应用的各子模块都是在施工现场进行安装，因此能够保证施工进度与质量。

第五，满足背压变化要求。由于太阳能资源布置存在局限性，因此太阳能光热发电机所处于环境恶劣地区，此时就需要应用空冷凝汽轮机，在设计机组时需要应用专业末级叶片，以此满足背压变化要求，还能够符合排汽容积流量变化问题。

3  太阳能光热发电汽轮机发展趋势分析

3.1 提升初始参数

通过提升太阳能光热发电汽轮机初始参数能够对热功转换效率进行优化。由于集热场出口温度会影响主蒸汽温度，此时提升初始参数可以相应提升主蒸汽压力。在提升主蒸汽压力时需要全面考虑叶片水蚀、流通效率以及负荷变化的适应能力等。