液压系统在塔式光热电站定日镜中的应用

引言

塔式光热发电是指利用大规模阵列式定日镜反射太阳光至吸热塔,通过换热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。而且,通过加热溶盐的方式可以将太阳能储存在巨大的容器中,在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。定日镜是塔式太阳能热发电站中用于跟踪太阳并聚集反射太阳光进入位于吸热塔顶部吸热器内的重要设备,其跟踪准确度和稳定性直接影响太阳能热发电的效率。近年来,随着光热发电技术的不断发展,大尺寸定日镜被更多地应用于塔式光热电站,同时采用液压技术替代小定日镜所采用的传统"双回转减速机"或"回转减速机+电动推杆"电传动技术,成为驱动定日镜跟踪系统的一种新选择。

1传统液压系统的不同类型

由于光热电站需要定日镜一直追踪太阳实时轨迹,因此,白天需要长时间不间断地调整定日镜方位,以便可以使反射太阳光一直聚焦于光塔吸热器上。高频率的短时动作是塔式光热电站定日镜的主要工作方式。摩洛哥NOOR3期光热电站和青海海西光热电站都采用了大面积定日镜,也都采用了液压驱动的方式,但由于出自不同的设计院,还是有着不同的风格。

1.1蓄能器方式

摩洛哥NOOR3期光热电站位于努奥光热发电园区内,工程装机容量150MW,是目前世界上已投入商业发电的最大规模塔式光热电站,于2018年10月20日顺利完成可靠性运行试验。其使用178m²大尺寸定日镜,共7500面,是单体面积全球最大的定日镜。镜场部分由西班牙SENOR设计院进行设计,使用液压+蓄能器的方式进行定日镜控制。全套液压系统使用西班牙GLUAL公司的液压缸和活塞式蓄能器,分别在水平方向布置3个水平缸,竖直方向布置1个俯仰缸,如图1所示。通过8个单电控电磁阀进行控制:在油缸过滤器部位设有一个压力传感器,对过滤器压力进行监控,过滤器达到设定值进行清理:使用蓄能器储能,在定日镜动作最频繁的时候,可以做到15min进行一次储能。

图1N00R电站定日镜（上部白色圆筒为蓄能器及俯仰缸,下方为3个水平缸）

使用蓄能器可以起到储存能量和稳定压力的作用,避免油泵的频繁启动,另外,如果需要对定日镜进行高速动作,蓄能器还能起到平稳压力的作用,可使定日镜在高速动作的同时基本保持相同速度:3个水平缸的布置方式,在追日模式下可以对驱动油缸位置进行精确控制,使进油量控制在1～2mL级别,对应定日镜跟踪精度可达士0.3mrad:同时使用密闭式回转机构,轴承元件整体密封,避免了风沙及异物对轴承的影响,可以使定日镜在较长时间内做到平稳运行。当然,使用3个水平缸,增加了稳定性的同时,也增加了硬件采购方面的成本:密闭式的轴承使所有的组装作业都要在定日镜组装车间内完成,现场如果出现问题,无法进行故障排查,必须整体吊装回到组装车间重新安装,不利于后期的检修与维护。

1.2变频器方式

青海海西50Mw光热电站位于青海省格尔木市,属于鲁能海西州多能互补集成优化示范工程中的光热发电站,是世界上首个集风光热储调荷于一体的多能互补科技创新项目。该项目使用4400面l44m2大尺寸定日镜,是目前国内单体定日镜面积最大、储热时间最长的项目,于2020年8月27日顺利完成l20h可靠性运行。镜场部分由西班牙ABENGo设计院与中国电力工程顾问集团西北电力设计院共同设计,使用变频器+液压泵的方式对定日镜进行控制。采用国产370w电机+小功率变频器对液压泵进行驱动,通过变频电机驱动微型定量柱塞泵为系统提供压力源,变频电机分别在高频和低频状态下工作,以应对定日镜的快速和慢速运动。通过主回路的电磁换向阀控制泵源向驱动供油。

海西电站定日镜在水平方向布置2个水平缸,竖直方向布置1个俯仰缸,如图2所示,通过3个双电控电磁阀进行控制。在追日模式下,通过变频器给定低频率对油缸进行精确控制:在早午晚太阳角度变化规律不同的情况下,再对变频器低频进行分段设置,而在遇到突然的大风天气或其他需要紧急收起定日镜的情况下,可以使用变频器给定高频率进行操作,这样就提升了操作的灵活性与多样性:同样地,使用压力传感器监控过滤器压力,可以及时清理油缸。

图2海西电站定日镜（分别布置2个水平缸及1个俯仰缸,无蓄能器）

由于定日镜水平方向上的驱动由2个油缸来完成,那么不可避免地,在运动过程中,当经过士45^o和士135^o这4个切缸角时,从2个水平缸配合动作变为1个水平缸单独动作,在追日模式下速度较慢时,对定日镜的动作影响不明显,但当使用高速模式操作时,在经过切缸点时就能明显感觉到速度的迟缓,而且长时间在固定点位降速也会对回转轴承造成一定的磨损。

相对于采用蓄能器方式的定日镜,此方式减少了一套水平缸以及相应的电磁阀,在成本上具有一定优势,变频器可以通过编程的方式对频率进行按需切换,操作更加灵活:而将蓄能器替换为变频器,变频器安装在就地LoC箱内部,位于立柱上人手可及的高度,在检修上也更为便捷:但是在定日镜的运动控制上存在些许不足之处,当然这个也要具体情况具体分析,不同的项目需求是选择方案的一个重要因素。

2数字液压方式

除上述两种液压驱动方式之外,还有一种数字液压技术正在光热发电中逐步开展应用。数字液压,即液压执行器件(油缸、油马达）的运动特性与电脉冲一一对应,电脉冲的频率对应油缸的运动速度(油马达角速度）,电脉冲的数量对应油缸的运动行程(油马达角度）,执行器件的精度不受负载、油压等影响而发生变化。

数字液压与传统液压最大的区别在于,传统液压控制方式需要通过外置的传感器对定日镜的水平及俯仰方向进行角度测量,而数字液压只对油缸进行精确控制,通过伸出长度推算当前角度,省去了额外仪表的开支。数字液压集成了伺服阀精确的控制能力和精度,在构成上更简单,具有成本优势。但是由于控制方式的不同,数字液压无法对镜片的偏移、定日镜长时间的地基沉降等其他干扰做出及时有效的响应,在定日镜面积较小、镜场场地规模不大的情况下,低成本的数字液压具有一定的推广价值。目前已经由北京某公司在西班牙光热发电测试场进行了测试,作为光热发电中的新兴力量,在解决好干扰源的扰动问题之后,作为一个低成本的液压驱动方式,数字液压未来还有很大的发展空间。

3结语

由于光热项目的特殊性,定日镜具有规模化的特点,一个设备在定标后,出货量是以百甚至以千为单位进行计算的,这对于国内的生产制造企业是一个非常好的发展机会。在2018年国内某光热电站正式动工前,EPC方对国内定日镜的液压驱动方式进行过一次比对,国内总共只有5个厂家参与,驱动方式无外乎以上3种。国际上,光热发电目前正处在一个装机容量不断增加,配套厂商不断增多,单位发电成本不断下降的大环境中,与此同时,我国不论是在政策还是资金上都在大力扶持新能源项目。在光热发电领域,相比美国、西班牙这些光热发展较早的国家,我国在理论和技术上还相对落后,相关配套厂家也不多,但未来,光热发电在中国一定会有更大更好的发展,各厂家也有更多的机会参与到国内外的竞争中去,为国家创造更大的经济效益。