塔式太阳能热发电站吸热塔的电气系统设计要点分析

刘世友，张 文

(西北电力设计院有限公司，西安 710075)

0 引言

随着中国太阳能热发电项目的不断建设，其电气系统设计的经济性和合理性越来越受到关注，而对于电气系统设计而言，负荷中心的设置和电缆敷设是关键影响因素。

在塔式太阳能热发电站中，吸热塔的大部分负荷位于其顶部的吸热器附近，电气系统的设计需要综合考虑吸热塔负荷电源设计的合理性和可靠性。基于此，本文在对塔式太阳能热发电站吸热塔的负荷特性和电气设备布置进行分析的基础上，根据吸热塔的结构特点及检修需求，结合电缆铠装的型式和特点，对吸热塔电气系统的接线方案及盘柜布置要点进行总结。

1 吸热塔的负荷特性分析

1.1 吸热塔的工作原理

塔式太阳能热发电站的工作原理是在较大面积的场地上装有多台大型太阳能反射镜(即定日镜)，每台定日镜都各自配有跟踪机构，可准确地将太阳光反射并集中到1 个吸热塔顶部的吸热器上；然后通过接收器把吸收的太阳光能转化成热能，再将热能传给工质，经过储热环节，再输入蒸汽发生器，驱动汽轮机做功，带动发电机，最终以电能的形式输出。

对于塔式太阳能热发电站而言，吸热器一般安装在吸热塔顶部。在储热过程中需要通过冷盐泵将熔盐输送至上塔熔盐管道，然后进入吸热器被加热，加热后的熔盐再通过下塔熔盐管道输送返回至热盐罐。

1.2 吸热塔的负荷分析

吸热塔的负荷包括炉箱(含联箱)电加热器、电伴热系统、事故空压机、热控仪表及控制电源、暖通系统(包括塔顶风机、配电室的空调设备等)、照明检修、吸热塔塔内电梯、塔顶检修吊车等。

电伴热系统主要分为辅助电伴热系统(例如阀门电伴热系统)、熔盐管道电伴热系统和吸热器电伴热系统。其中，辅助电伴热系统是在发电机组停机或启动时，根据环境温度和设备情况决定其是否运行。

以某100 MW 塔式太阳能热发电站为例，其吸热塔主要负荷如表1 所示。

表1 某100 MW 塔式太阳能热发电站的吸热塔主要负荷Table 1 Main load of heat absorption tower of a 100 MW tower CSP station

根据表1 的负荷值分析得出：

1)吸热塔负荷中，占比较大的主要为炉箱(含联箱)电加热器、吸热器电伴热系统及熔盐管道电伴热系统，此部分负荷一般在发电机组启动时配合冷盐泵运行，因此在熔盐管道及吸热器注盐前需要对其进行提前预热。在发电机组热备用或者熔盐集热系统短暂停止运行时，需要根据环境温度及停运时间的长短，选择性投入部分电加热负荷或电伴热负荷，以保证熔盐集热系统在具备条件时能够快速投入运行。当熔盐注入熔盐管道及吸热器后，电加热负荷及电伴热负荷可退出运行。由于电加热负荷及电伴热负荷为吸热塔内主要负荷，负荷容量较大且运行工况复杂，因此其也是影响吸热塔变压器容量选型的主要因素。考虑到塔底部分的熔盐管道电伴热负荷距离储换热动力中心更近，因此，吸热塔下部区域的电伴热负荷可考虑由储换热动力中心供电，计算吸热塔变压器容量时可以不考虑吸热塔下部区域的电伴热负荷。

2)塔顶检修吊车及塔顶卷扬机只在建设阶段或者检修状态下才需要运行，因此在计算变压器容量时可以不考虑这两项负荷。

3)暖通设备(例如塔顶风机)在发电机组正常运行及停机时均需要运行，因此在计算变压器容量时需要考虑暖通系统负荷。

为保证吸热器的安全稳定运行，吸热器进、出口均设有缓冲罐，以确保若冷盐泵因故失效时，可以通过缓冲罐压缩空气来维持熔盐的短时持续流动，以配合定日镜进行散焦，防止吸热器被烧坏。因此，吸热塔设置了事故空压机，事故空压机一般布置在吸热塔0 m 层(即塔底)或动力岛(即汽轮发电机组及其辅助系统)，可根据工艺需要由保安段供电。

1.3 吸热塔的配电系统设计方案

1.3.1 吸热塔动力中心(PC)的设置

考虑到吸热塔负荷多数靠近塔顶位置，因此在吸热塔塔顶设置了电气配电室并配有PC，可大量节约动力电缆的用量。

当吸热塔负荷容量较大时，需要设4 台吸热塔变压器，两两备用，厂用电系统可采用变压器暗备用接线方案，具体如图1 所示。考虑到吸热塔主要负荷运行的特殊性及受吸热塔布置空间的限制，也可采用变压器明备用接线方案，如图2 所示。

图1 变压器暗备用接线方案Fig. 1 Hidden backup wiring scheme of transformer

图2 变压器明备用接线方案Fig. 2 Clear backup wiring scheme of transformer

当吸热塔负荷容量较小时，建议采用2 台变压器暗备用接线方案，可减少设备投资，较变压器明备用方案更经济。当吸热塔负荷容量较大时(对应汽轮发电机组容量较大)，建议采用变压器明备用接线方案，可以减少电气配电室占用的面积，还可以减少中压开关柜、中压电缆及变压器数量，是一种较为经济的设计方案。

1.3.2 电动机控制中心(MCC)的设置

吸热塔的负荷除炉箱(含联箱)电加热器、电伴热系统等重要负荷之外，还有部分保安负荷，例如事故空压机、航空障碍灯等，因此推荐在吸热塔电气配电室设置吸热塔保安MCC 段，电源由塔式太阳能热发电站动力岛保安PC 段引接，作为吸热塔内保安负荷的引接电源。

1.3.3 不间断电源(UPS)的设置

针对吸热器控制部分，考虑到节省电缆用量、优化接线，在吸热塔内设置相应的分散控制系统(DCS)盘柜，对应的需考虑设置UPS。若UPS设置在吸热塔内，将增加运维的难度和工作量，且吸热塔UPS 负荷不大，因此可考虑与塔下的储换热系统共用UPS，即将UPS 布置在储换热电控楼内，基于电缆压降考虑，共用UPS 时，其电压可采用380/220V。

2 电气设备布置

2.1 吸热塔的电气设备布置

吸热塔负荷主要集中于吸热塔顶部，例如：炉箱(含联箱)电加热器布置在环形的吸热器内部，其负荷占供电负荷的主要部分；电伴热负荷主要考虑吸热塔塔顶至中部的熔盐管道，吸热塔下部的熔盐管道电伴热控制柜考虑沿吸热塔从下往上，由储换热动力中心供电。综合考虑电缆量最少、敷设方便及靠近负荷中心的原则，吸热塔电气配电室的设置应尽量靠近吸热器，即布置在吸热塔顶部，采用高位布置。

因吸热塔中的PC、MCC、炉箱(含联箱)电加热器及电伴热控制柜等数量较多，再加上吸热塔平面一般为圆形，塔内还设有楼梯、电梯、电梯前室及熔盐管道上、下塔预留孔等，因此与常规电气配电室所布置位置不同，吸热塔内电气配电室的空间紧张，需要同时考虑土建、机务、控制系统(含DCS)及暖通系统在吸热塔内的整体布置方案，必要时电气配电室可采用两层或多层布置。若空间条件满足时，吸热塔的控制室可与电气配电室同层布置。

某塔式太阳能热发电工程的吸热塔总高度为220 m，其下部混凝土塔筒的高度为180 m。吸热塔电气配电室采用两层布置，分别布置在吸热塔148 m 层和154 m 层。其中，148 m 层布置吸热塔工作MCC 段、吸热塔保安MCC 段及熔盐管道电伴热控制柜；154 m 层布置吸热器厂家设备，比如，炉箱(含联箱)电加热器及熔盐管道电伴热控制柜等。这两层的盘柜布置平面图分别如图3、图4 所示。此盘柜布置方式可减少电缆迂回，减少电缆长度及电缆敷设工程量。

图3 吸热塔148 m 层的盘柜布置平面图Fig. 3 Cabinet layout plan of 148 m floor of heat absorption tower

图4 吸热塔154 m 层的盘柜布置平面图Fig. 4 Cabinet layout plan of 154 m floor of heat absorption tower

2.2 电气设备布置的关键因素

因电气配电室为高位布置，为便于变压器和盘柜的安装、检修，电气配电室所在层的楼板设置吊物孔，利用吸热塔顶部的检修吊车完成相关电气设备的起吊。同时，由于吸热塔内部空间有限，可将电气设备分层布置。电气设备布置的关键因素如表2 所示。

表2 电气设备布置的关键因素Table 2 Key factors in electrical equipment layout

3 电缆敷设

3.1 电缆敷设路径

电缆从吸热塔底部进入，需要考虑吸热塔内塔底到塔顶电气配电室的电缆敷设路径。熔盐管道从吸热塔塔底到塔顶均需要进行电伴热，负荷也较为分散，需要考虑分支电缆敷设路径。另外，由于吸热塔内空间有限，且塔内筒壁向内倾斜，不利于电缆桥架及电缆竖井的安装。

根据吸热塔内部布置结构，塔内大部分空间用于安装冷盐和热盐的熔盐管道、检修平台等，同时还需要预留必要的检修空间。从多个已执行的塔式太阳能热发电项目来看，选择塔内楼梯或电梯侧壁作为竖向电缆通道位置是最为合理的。由于竖向电缆通道从塔底到塔顶的电气配电室，跨域距离大，检修平台之间的高度差通常在20～30 m，给电缆敷设及检修维护带来一定困难；同时，为减少与熔盐管道设施的交叉，竖向电缆通道采用单层梯式桥架多排敷设的方式。吸热塔内电缆桥架的布置平面图如图5 所示。

图5 吸热塔内电缆桥架的布置平面图Fig. 5 Layout plan of cable tray inside heat absorption tower

考虑到电缆敷设及检修的便利性，电缆敷设和检修可利用吸热塔内阀门管道层的检修平台，必要时可在电缆桥架旁设置检修步道。

吸热塔电气配电室采用多层布置时，最上层的电气配电室中，盘柜采用“上进上出线”的方式，可减少与吸热塔顶部吸热器负荷之间的电缆长度；最下层的电气配电室中，盘柜采用“上进上出线”的方式，可以减少配电室下方检修平台的设置，在电气配电室内即可完成电缆敷设及检修工作。

3.2 电缆选型

发电厂常用的电缆护层包括钢带铠装和钢丝铠装两种，其中，钢带铠装主要考虑直埋或多层敷设时的抗压性；钢丝铠装的主要作用是抗拉，适合在垂直敷设的场合使用[1]。由于吸热塔的电气配电室采用高位布置，竖向电缆较长，需要着重考虑电缆自重造成的拉力。在GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》中有关于电缆选型的要求，在电缆位于高落差的受力条件时，多芯电缆宜具有钢丝铠装[2]。目前塔式太阳能热发电项目中，通常上、下塔电缆的跨度都在100 m以上，因此按照GB 50217—2018 的要求并结合电缆的特性，应考虑采用钢丝铠装电缆。

电缆铠装层的拉伸应力应符合下式要求：

式中：σ为金属丝的拉伸应力，Pa；P为金属丝的张力，N；a为金属丝的绞合角度，(° )，一般为25°～75°；d0为金属丝的直径，m；n为金属丝根数或金属带层数。

大截面电缆垂直敷设时，金属丝的张力按照电缆垂直段的重力考虑，钢丝铠装层的抗拉强度需大于电缆自重，具体的电缆设计由厂家按此要求完成。在使用抗拉强度求许用应力时，安全系数一般取3，可在电缆招标过程中提出相关要求[3]。常用电缆护层材料的抗拉强度和许用应力[3]如表3 所示。

表3 常用电缆护层材料的抗拉强度和许用应力[3]Table 3 Tensile strength and allowable stress of commonly used cable sheath materials[3]

针对小截面的电缆，若经过计算电缆导体自身拉力已满足使用要求，可不再要求使用钢丝铠装电缆。

电缆除了采用钢丝铠装外，还需按GB 50217—2018 的要求采用垂直敷设多点固定的方式，以增加安全性。电缆固定夹具安装间距需满足以下计算式[3-4]：

式中：L1为固定夹具或固定点的间距，m；F为固定夹具对电缆的紧握力，N；W为电缆单位长度的重力，N/m；Sf为安全系数，通常取大于等于4。

固定夹具对电缆的紧握力可根据固定夹具的数量，按固定夹具之间的电缆自重考虑。钢丝铠装电缆分为细钢丝铠装电缆和粗钢丝铠装电缆两种，这两种电缆的抗拉强度不同，在具体工程设计时，需要根据垂直敷设电缆的高差和固定夹具或固定点的间距，经过计算后确定，必要时应要求电缆厂家配合选型。

4 结论

本文对塔式太阳能热发电站吸热塔的负荷特性和电气设备布置进行了分析，提出了吸热塔电气系统的设计方案要点。分析结果表明：

1)结合吸热塔内其他负荷需求，推荐采用MCC 就地布置和UPS 综合利用的设置原则；同时根据吸热塔内电气设备的型式，给出了典型的电气设备布置方案及影响其布置的关键因素。

2)根据吸热塔的结构特点及塔内布置情况，提出了吸热塔内的电缆采用竖向电缆通道及单层梯式桥架多排敷设的方式，确定了电气配电室内的电气盘柜采用“上进上出线”的设计原则。

3)由于吸热塔内电缆采用垂直敷设方案，提出大截面电缆应考虑电缆自重的影响，推荐使用钢丝铠装电缆，并给出了相应的铠装层拉伸应力的计算方法。

综上所述，电气系统的设计方案兼顾了合理性、可靠性和运行检修维护便利性的原则，对塔式太阳能热发电项目吸热塔的电气系统设计具有重要的参考意义。