液壓系統(tǒng)在塔式光熱電站定日鏡中的應(yīng)用

引言

塔式光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列式定日鏡反射太陽光至吸熱塔,通過換熱裝置提供蒸汽,結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝,從而達(dá)到發(fā)電的目的。而且,通過加熱溶鹽的方式可以將太陽能儲存在巨大的容器中,在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站中用于跟蹤太陽并聚集反射太陽光進(jìn)入位于吸熱塔頂部吸熱器內(nèi)的重要設(shè)備,其跟蹤準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接影響太陽能熱發(fā)電的效率。近年來,隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,大尺寸定日鏡被更多地應(yīng)用于塔式光熱電站,同時采用液壓技術(shù)替代小定日鏡所采用的傳統(tǒng)"雙回轉(zhuǎn)減速機(jī)"或"回轉(zhuǎn)減速機(jī)+電動推桿"電傳動技術(shù),成為驅(qū)動定日鏡跟蹤系統(tǒng)的一種新選擇。

1傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的不同類型

由于光熱電站需要定日鏡一直追蹤太陽實時軌跡,因此,白天需要長時間不間斷地調(diào)整定日鏡方位,以便可以使反射太陽光一直聚焦于光塔吸熱器上。高頻率的短時動作是塔式光熱電站定日鏡的主要工作方式。摩洛哥NOOR3期光熱電站和青海海西光熱電站都采用了大面積定日鏡,也都采用了液壓驅(qū)動的方式,但由于出自不同的設(shè)計院,還是有著不同的風(fēng)格。

1.1蓄能器方式

摩洛哥NOOR3期光熱電站位于努奧光熱發(fā)電園區(qū)內(nèi),工程裝機(jī)容量150MW,是目前世界上已投入商業(yè)發(fā)電的最大規(guī)模塔式光熱電站,于2018年10月20日順利完成可靠性運行試驗。其使用178m²大尺寸定日鏡,共7500面,是單體面積全球最大的定日鏡。鏡場部分由西班牙SENOR設(shè)計院進(jìn)行設(shè)計,使用液壓+蓄能器的方式進(jìn)行定日鏡控制。全套液壓系統(tǒng)使用西班牙GLUAL公司的液壓缸和活塞式蓄能器,分別在水平方向布置3個水平缸,豎直方向布置1個俯仰缸,如圖1所示。通過8個單電控電磁閥進(jìn)行控制:在油缸過濾器部位設(shè)有一個壓力傳感器,對過濾器壓力進(jìn)行監(jiān)控,過濾器達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行清理:使用蓄能器儲能,在定日鏡動作最頻繁的時候,可以做到15min進(jìn)行一次儲能。

圖1N00R電站定日鏡（上部白色圓筒為蓄能器及俯仰缸,下方為3個水平缸）

使用蓄能器可以起到儲存能量和穩(wěn)定壓力的作用,避免油泵的頻繁啟動,另外,如果需要對定日鏡進(jìn)行高速動作,蓄能器還能起到平穩(wěn)壓力的作用,可使定日鏡在高速動作的同時基本保持相同速度:3個水平缸的布置方式,在追日模式下可以對驅(qū)動油缸位置進(jìn)行精確控制,使進(jìn)油量控制在1～2mL級別,對應(yīng)定日鏡跟蹤精度可達(dá)士0.3mrad:同時使用密閉式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),軸承元件整體密封,避免了風(fēng)沙及異物對軸承的影響,可以使定日鏡在較長時間內(nèi)做到平穩(wěn)運行。當(dāng)然,使用3個水平缸,增加了穩(wěn)定性的同時,也增加了硬件采購方面的成本:密閉式的軸承使所有的組裝作業(yè)都要在定日鏡組裝車間內(nèi)完成,現(xiàn)場如果出現(xiàn)問題,無法進(jìn)行故障排查,必須整體吊裝回到組裝車間重新安裝,不利于后期的檢修與維護(hù)。

1.2變頻器方式

青海海西50Mw光熱電站位于青海省格爾木市,屬于魯能海西州多能互補集成優(yōu)化示范工程中的光熱發(fā)電站,是世界上首個集風(fēng)光熱儲調(diào)荷于一體的多能互補科技創(chuàng)新項目。該項目使用4400面l44m2大尺寸定日鏡,是目前國內(nèi)單體定日鏡面積最大、儲熱時間最長的項目,于2020年8月27日順利完成l20h可靠性運行。鏡場部分由西班牙ABENGo設(shè)計院與中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院共同設(shè)計,使用變頻器+液壓泵的方式對定日鏡進(jìn)行控制。采用國產(chǎn)370w電機(jī)+小功率變頻器對液壓泵進(jìn)行驅(qū)動,通過變頻電機(jī)驅(qū)動微型定量柱塞泵為系統(tǒng)提供壓力源,變頻電機(jī)分別在高頻和低頻狀態(tài)下工作,以應(yīng)對定日鏡的快速和慢速運動。通過主回路的電磁換向閥控制泵源向驅(qū)動供油。

海西電站定日鏡在水平方向布置2個水平缸,豎直方向布置1個俯仰缸,如圖2所示,通過3個雙電控電磁閥進(jìn)行控制。在追日模式下,通過變頻器給定低頻率對油缸進(jìn)行精確控制:在早午晚太陽角度變化規(guī)律不同的情況下,再對變頻器低頻進(jìn)行分段設(shè)置,而在遇到突然的大風(fēng)天氣或其他需要緊急收起定日鏡的情況下,可以使用變頻器給定高頻率進(jìn)行操作,這樣就提升了操作的靈活性與多樣性:同樣地,使用壓力傳感器監(jiān)控過濾器壓力,可以及時清理油缸。

圖2海西電站定日鏡（分別布置2個水平缸及1個俯仰缸,無蓄能器）

由于定日鏡水平方向上的驅(qū)動由2個油缸來完成,那么不可避免地,在運動過程中,當(dāng)經(jīng)過士45^o和士135^o這4個切缸角時,從2個水平缸配合動作變?yōu)?個水平缸單獨動作,在追日模式下速度較慢時,對定日鏡的動作影響不明顯,但當(dāng)使用高速模式操作時,在經(jīng)過切缸點時就能明顯感覺到速度的遲緩,而且長時間在固定點位降速也會對回轉(zhuǎn)軸承造成一定的磨損。

相對于采用蓄能器方式的定日鏡,此方式減少了一套水平缸以及相應(yīng)的電磁閥,在成本上具有一定優(yōu)勢,變頻器可以通過編程的方式對頻率進(jìn)行按需切換,操作更加靈活:而將蓄能器替換為變頻器,變頻器安裝在就地LoC箱內(nèi)部,位于立柱上人手可及的高度,在檢修上也更為便捷:但是在定日鏡的運動控制上存在些許不足之處,當(dāng)然這個也要具體情況具體分析,不同的項目需求是選擇方案的一個重要因素。

2數(shù)字液壓方式

除上述兩種液壓驅(qū)動方式之外,還有一種數(shù)字液壓技術(shù)正在光熱發(fā)電中逐步開展應(yīng)用。數(shù)字液壓,即液壓執(zhí)行器件(油缸、油馬達(dá)）的運動特性與電脈沖一一對應(yīng),電脈沖的頻率對應(yīng)油缸的運動速度(油馬達(dá)角速度）,電脈沖的數(shù)量對應(yīng)油缸的運動行程(油馬達(dá)角度）,執(zhí)行器件的精度不受負(fù)載、油壓等影響而發(fā)生變化。

數(shù)字液壓與傳統(tǒng)液壓最大的區(qū)別在于,傳統(tǒng)液壓控制方式需要通過外置的傳感器對定日鏡的水平及俯仰方向進(jìn)行角度測量,而數(shù)字液壓只對油缸進(jìn)行精確控制,通過伸出長度推算當(dāng)前角度,省去了額外儀表的開支。數(shù)字液壓集成了伺服閥精確的控制能力和精度,在構(gòu)成上更簡單,具有成本優(yōu)勢。但是由于控制方式的不同,數(shù)字液壓無法對鏡片的偏移、定日鏡長時間的地基沉降等其他干擾做出及時有效的響應(yīng),在定日鏡面積較小、鏡場場地規(guī)模不大的情況下,低成本的數(shù)字液壓具有一定的推廣價值。目前已經(jīng)由北京某公司在西班牙光熱發(fā)電測試場進(jìn)行了測試,作為光熱發(fā)電中的新興力量,在解決好干擾源的擾動問題之后,作為一個低成本的液壓驅(qū)動方式,數(shù)字液壓未來還有很大的發(fā)展空間。

3結(jié)語

由于光熱項目的特殊性,定日鏡具有規(guī)模化的特點,一個設(shè)備在定標(biāo)后,出貨量是以百甚至以千為單位進(jìn)行計算的,這對于國內(nèi)的生產(chǎn)制造企業(yè)是一個非常好的發(fā)展機(jī)會。在2018年國內(nèi)某光熱電站正式動工前,EPC方對國內(nèi)定日鏡的液壓驅(qū)動方式進(jìn)行過一次比對,國內(nèi)總共只有5個廠家參與,驅(qū)動方式無外乎以上3種。國際上,光熱發(fā)電目前正處在一個裝機(jī)容量不斷增加,配套廠商不斷增多,單位發(fā)電成本不斷下降的大環(huán)境中,與此同時,我國不論是在政策還是資金上都在大力扶持新能源項目。在光熱發(fā)電領(lǐng)域,相比美國、西班牙這些光熱發(fā)展較早的國家,我國在理論和技術(shù)上還相對落后,相關(guān)配套廠家也不多,但未來,光熱發(fā)電在中國一定會有更大更好的發(fā)展,各廠家也有更多的機(jī)會參與到國內(nèi)外的競爭中去,為國家創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。