塔式光熱電站吸熱塔高度優化分析

作者：張思遠，周治，任亞軍，王迎春

吸熱塔是塔式光熱電站聚光集熱系統中的最主要的構筑物，也是光熱電站中最高的構筑物，結構總高度一般均超過150m。吸熱塔多采用鋼或混凝土高聳結構，不同于煙囪和電視塔等高聳結構，主要表現在結構質量、剛度分布不均勻，在結構上部需要布置多個設備層。吸熱塔建設的主要難點是在保證電站安全生產運行要求（剛度滿足塔頂設備正常運行要求、內部空間滿足交通和設備管線布置要求等）的基礎上控制建造成本,并兼具標志性構筑物的美觀外形。為實現塔式光熱電站的高效運行，需要合理設計吸熱塔的高度以達到電站效率和建設成本的平衡。

本文以中國西北某省70萬m2鏡場的塔式光熱電站為例，從效率和經濟性兩方面入手，應用中國電建西北勘測設計研究院有限公司自主研發的性能評估軟件對吸熱塔高度相關的鏡場效率和綜合收益進行了分析研究，旨在提出吸熱塔高度優化的基本思路，為塔式光熱電站設計中吸熱塔高度的優化選取提供參考。

1吸熱塔高度建模分析

1.1塔高與鏡場效率的關系

吸熱塔高度與定日鏡場、當地氣象條件密切相關。在鏡場面積不變的情況下，隨著吸熱塔高度的增加，鏡場效率會有變化。鏡場效率作為電站效率的重要組成部分，主要涉及余弦效率、陰影和遮擋效率、大氣衰減效率和截斷效率，與風速相關的定日鏡停機策略、吸熱器控制策略等。

（1）固定塔高鏡場效率分析

鏡場效率與塔高、鏡場面積、當地光資源等多種因素有關。為研究塔高與鏡場效率的關系，首先將吸熱塔高度設置為固定值200m，并將光熱電站建模邊的界條件輸入中國電建西北勘測設計研究院有限公司自主研發的鏡場布置軟件，采用最大密度布置與仿生型布置組合定日鏡場排布專利技術，生成相應的鏡場布置具體如圖1所示。

圖1鏡場布置圖

根據以上的鏡場布置，利用自主研發的鏡場光學效率軟件，對鏡場余弦效率、陰影遮擋效率、大氣衰減效率和截斷效率分別進行分析。

圖2-圖5分別為鏡場的余弦效率、陰影和遮擋效率、大氣衰減效率、截斷效率分布

圖6鏡場年均效率分布

?從鏡場效率的分布圖可以看出，越靠近吸熱塔的區域，鏡場效率越高。而塔高的變化將會影響鏡場的整體布置，從而影響鏡場高效區域的定日鏡數量。

（2）不同塔高鏡場效率分析

根據項目邊界條件，對吸熱塔高度為150m～210m區間，步長為10m的7種塔高進行分析。使用自主研發的鏡場優化軟件，生成對應塔高的優化鏡場，并對其鏡場效率進行分析研究，具體分析結果如圖7所示。

圖7塔高與鏡場效率的關系

從圖7可以看出，基于項目的邊界條件，隨著吸熱塔高度的增加，鏡場效率也會隨之提升，并且提升幅度隨著塔高的增加逐漸趨于平緩。

1.2塔高與發電量的關系

根據以上7種塔高，將相應的邊界條件和技術參數輸入圖8所示的性能評估軟件中，形成對應塔式光熱電站系統配置方案，并對各方案的年發電量進行模擬測算。

圖8塔式光熱系統性能評估軟件界面

計算得到的各配置方案年發電量見圖9。

圖9塔高與發電量的關系

從圖9可以得到，隨著吸熱塔高度的增加，塔式光熱電站的年集熱量增加，使得年發電量也隨之增加，但是增加幅度隨著塔高的增加逐步平緩。

2吸熱塔建造經濟性分析

隨著吸熱塔高度的變化，吸熱塔的造價、塔內設備的造價、聚光集熱系統的運行成本及發電收入同樣會發生變化，以下對吸熱塔的建造成本和對應收入分別進行分析。

2.1建設及運行成本分析

（1）建設成本分析

吸熱塔的主要建設成本主要包括土建費用、電伴熱費用、管道費用和熔鹽泵費用等，以下分別進行分析。

經測算，隨著塔高的增加，吸熱塔的土建費用會隨之增加，具體變化趨勢如圖10所示。

圖10吸熱塔高度與土建費用的關系

與此同時，塔高增加也會使吸熱器升高，這樣會使得對應的電伴熱、熔鹽管道、熔鹽泵等設備造價的增加。對以上成本進行綜合考慮，可以得到不同塔高下吸熱塔的建造成本，如表1所示。

表1不同塔高下的建設成本

通過分析可知，隨著吸熱塔高度的增加，土建成本與塔高基本呈指數關系，而電伴熱、熔鹽管道、熔鹽泵造價成本與塔高呈線性關系。

（2）運行成本分析

吸熱塔高度增加引起的運行成本增加主要為熔鹽泵負荷增加的電費，熔鹽泵用電費用按0.5元/kWh計算，經分析可知塔式光熱電站25a運行期內由于熔鹽泵用電量變化導致增加的運行成本為70.89萬元/10m，與吸熱塔高度成線性關系。

2.2收入分析

吸熱塔高度增加的相關收入，主要為提升的發電量電費收入。將塔式光熱電站25年運行期發電量增加的收入，折算至電站建成后第一年，并將上網電價按0.3元/kWh、0.6元/kWh、0.9元/kWh三檔進行分析，不同塔高下增加的發電收入如表2所示。

表2不同塔高下的發電收入

2.3吸熱塔高度選取

將塔高變化引起的成本和收入變化進行匯總，如表3所示。

表3不同塔高下的成本收入匯總

通過分析可知，在吸熱塔高度逐漸增加的過程中，針對不同的上網電價，收入和成本均呈增加的趨勢，而收入增加的程度隨塔高的增加逐步放緩。在吸熱塔高度為180m時，三檔電價下電站綜合收益的增加金額均達到了最大值，而在塔高超過180m后，綜合收益的增加金額逐漸減少。因此，在進行塔式光熱電站的設計時，應根據項目的邊界條件和具體要求，合理確定吸熱塔高度。

綜上所述，隨著吸熱塔高度的增加，鏡場效率增加帶來的收益和吸熱塔高度增加付出的成本之差會逐漸變小。基于項目的邊界條件，在吸熱塔高度為180m時，綜合收益最高，但不同電價下的綜合收益相差較大。在進行塔式光熱電站設計的過程中，可采用此方法確定吸熱塔高度，以提高項目的經濟性。