近日，内蒙古电力勘测设计院有限责任公司热控科科长王杰发表了题为“光热电站控制系统设计和应用”的重要演讲，分享了内蒙院作为我国光热发电行业领先的设计院具体参与的光热项目情况及控制系统设计经验。

本文为第三届CSP Focus光热发电创新大会现场演讲录音校正稿及演讲稿图示。

大家好，感谢会议主办方CSP Focus提供平台让大家进行交流和学习。我分享的话题是“光热电站控制系统设计和应用”。

首先简要介绍一下内蒙院主要完成的光热发电方面的设计项目。之前我院完成了中海阳项目的基础设计工作；在槽式光热发电方面，包括国家863项目1兆瓦的太阳能发电施工图设计，现在正在进行的工作是迪拜3×200兆瓦槽式光热发电项目设计咨询的图纸审查；在塔式方面，我们现在进行的是迪拜1×100兆瓦塔式项目的镜场电缆敷设，还有镜场的配电设计。

接下来分享的内容主要从以下五个方面进行：第一是太阳能热发电技术概要，第二是太阳能热发电全站自动化系统规划，第三是槽式太阳能热发电控制系统，第四是常规岛以及储能换热控制系统，最后是塔式太阳能热发电镜场的热控设计。

首先讲太阳能热发电的技术概要。光热发电技术优势主要在于它配置储热储能系统，可以承担基本负荷，也可以承担高峰负荷，所以是可以在后续的电力机组中起着一个很主要的作用。此外，光热发电也符合国家的产业政策和新能源的发展方向，所以发展前景广阔。

太阳能热发电技术路线主要有槽式、塔式、线性菲涅尔式和碟式。其中槽式和塔式最为常见：槽式主要包括抛物槽式太阳能集热器及其连接管路，采用转动反射镜来跟踪太阳；塔式是通过定日镜将太阳光聚集到吸热塔集热器进行光热转换，定日镜系统实现对太阳的实时跟踪，并将太阳光反射到吸热器上。

跟踪控制方式有三种：一是开环控制，就是太阳运行轨迹的跟踪；第二是闭环控制，是基于太阳辐射传感器的跟踪；三是混合控制。目前多采用混合控制方式，以开环控制为主，由传感器瞬间测量值来修正开环控制的累计误差。还有各个镜场的供货商、控制系统的供货商都有自己的控制路线。而且他们也都在研究自己的控制方式，也不一定都相同。

上图是一个太阳能热发电的全站自动化系统规划图。

自动化系统从下往上分为现场层、控制层生产级监控层和信息系统层共四个层级。顺序控制要按照四级来设计：机组级、功能组级、子功能组级和驱动级。中控太阳能金董事长在本次大会中也说要设置APS启停系统，其实现在机组级就是一个APS启停系统。因为光热电站启停比较频繁，所以为了减少操作人员的工作量，减少误操作的可能，要设置机组级的功能组，设置APS启停系统。而且设计师一定要在工程开始的时候就规划APS系统，因为光有控制系统具备这个功能还是不够的，就地设备也要跟得上，所以我们从主机和辅机招标的时候就要规划好APS控制系统。

设置门禁和安防系统。因为光热电站的占地面积比较大，从减少安防人员的工作量来说，提高自动化水平，设置门禁及安防系统，这个系统要纳入信息系统层。

定日镜场的专用装置的设置。如吸热器能流密度检测装置、镜场的姿态检测装置，气象站相机发电机功率预测系统，这些专用装置也是为镜场的控制和调节来服务。比如发电机功率预测系统，就是要根据储能量及第二天的天气情况来预测未来的发电量，可以做到提前与电网的调度来沟通，这样就会取得一个更好的发电量。镜场部分要采用总线控制方案，镜场的控制面积比较大，采用通讯技术可以降低工程造价。另外通讯技术可以提供更多的信息量，有利于智能化电厂的建设。常规岛和储能换热岛，可以采用常规接线方案，也可以采用总线方案。这个要结合工程的特点和投资方的需求来最终确定控制方案。有一点要注意的是，定日镜的编码要按照定日镜的相对布置位置来编码。

总之，定日镜全厂生产自动化水平应达到以下水平：整个系统自动运行。所有系统（聚光集热系统、传热系统、换热系统、储热系统、汽轮发电机组及其辅助系统等）应可以在就地人员的巡回检查和少量操作的配合下，在集中控制室内的操作员站实现整套机组启停、运行、工况监视和调整、事故处理等。

全场设置一个集中控制室。

第三是槽式太阳能热发电控制系统。槽式太阳能热发电控制系统分为太阳能集热场控制系统（SCS）、储能换热控制系统、汽轮发电机及其辅助车间控制系统。

集热场SCS网络系统。上图所示为集热场控制系统截取的一部分，是我们在做此前中海阳项目基础设计的时候的网段划分。中海阳项目共有192个集热回路，每个回路有四个SCA集热单元，每个SCA集热单元配一套液压执行机构及控制器。太阳能集热场的导热油加热回路按地理位置分为四个区域，A区48个集热回路，B区45个集热回路，C区48个集热回路，D区51个集热回路。通讯网络采用星形和环形相结合的方式来实现，就是A区分为A1和A2两个区，各有三个子环。BCD区与A区以相同的方式来划分网段，一共划分二十四个子环，然后再与核心交换机来通讯连接。

集热场的保护与调节。

设计原则：第一，热工保护和调节系统是发电厂热工自动化的重要组成部分，应根据机组的特点进行设计，应满足国家标准和行业标准的规定。第二，根据设备供货商提供的相关设计资料进行设计。

集热场保护系统设计。

1、SCA超温保护。当集热场任一回路SCA油温达到400℃时，采取保护动作，进行SCA散焦，该保护由集热器的就地控制箱LOC来完成。

2、集热场入口超温保护。集热场入口母管温度达到330℃时切光场。

3、集热场流量低保护。通过集热厂低温导热油流量判断整个系统的运行情况，做到流量配平。如果在系统正常运行时，某一时刻，HTF流量低于设计流量的30%，SCA系统发出指令给LOC，使集热器跟踪太阳运动，但不聚焦于集热管，同时检查系统有无泄漏。

4、通讯中断保护。Loc与控制系统，通讯信号中断，延时就地自动复位。

集热场的控制策略，首先是粗调，通过气象站预测的DNI数值调节主油泵的转速，使太阳辐射值与导热油量匹配，调节集热场母管高温导热油温度。

区域调节，是通过区域供油流量调节阀，做到导热油流量区域配平，调节区域的高温导热油温度。细调是SCA单元跟踪调节，通过偏焦调节每个loop出口的导热油温度，温度超出时，SCA接收DCS指令进行小角度偏焦，达到降低温度的效果。在温度下降到一定范围时，重新跟踪太阳光聚焦吸收太阳能，达到预定的温度。

集热场的跟踪控制策略主要功能是在集热场工作在聚焦模式时，由集热单元Loc接受DCS下发的GPS信号，结合当地的经度纬度海拔高度等来跟踪太阳的运行轨迹。

常规发电岛以及储能换热控制系统。

常规发电岛的控制比较成熟。储能换热装置对于常规发电设计属于新系统，控制策略也比较简单，但需要关注的是仪表选型和电伴热系统。

储能换热的电伴热系统。

1、导热油和熔盐的介质特性是低温时凝结，高温时氧化变质，对温度的范围要求比较高，需要设计可靠的伴热系统，通常采用电伴热。

2、伴热系统由三部分组成：配电和控制单元、连接单元和就地单元。配电和控制单元主要有配电回路、控制及通讯模块、温度检测模块；连接单元有低压动力电缆和控制电缆；就地单元有伴热带、安装附件。

3、合理设置安全系数。因为光热发电其实对熔盐和导热油的伴热要求是比较高的，安全系数要设置得合理。我们做中海阳光热项目基础设计的时候，也是经过调研和咨询，最后设置的是伴热带功率的1.2的安全系数。

储能换热的仪表选型。仪表选型也要根据熔盐和导热油的介质特性，还要结合所处的环境来确定防护等级。

温度测量元件要采用可抽吸式带安装套管的测温元件，安装套管与管道采用焊接的形式连接。套管材料一般为不锈钢316L，熔盐要做到ASME347。压力和差压，压力表和压力变送器要采用法兰隔膜式变送器。隔膜密封主要用于隔离粘性、脏物和腐蚀性流体。流量采用超声波流量计，分为管道式和外夹式，二者的测量精度有所不同，但流量计应该测量两个方向的流量，因为储能和放热是两个互逆的过程。

液位采用导波雷达液位计和带电伴热的磁翻板液位计，需要注意的是，热盐罐中使用的液位计应具备空气冷却系统。

塔式太阳能热发电镜场热控设计。我们总结了要注意的几个要点供大家参考。

第一，海外设计标准与国内设计标准不一致，导致图纸的示意方式和常规的国内项目不同，核实标准之间的差异工作量比较大。建议在设计开始的时候要做一个常规的材料清单，然后发给施工单位或者投资方，让他们来确认当地是否能够采购到相应的材料，避免我们开完材料之后发现现场无法采购，要进行材料代换。

第二，考虑当地气候和文化差异。我国涉外项目多为中东、非洲、东南亚等地区，应该充分考虑环境对材料选型的影响。比如中东地区的室外温度是50℃，金属表面温度是85℃，室外配电箱设计要充分考虑散热、遮阳，并且要满足IP65的防护等级要求。

第三，第三方审图、图纸设计深度和出图方式和国内都不同。在开始设计的时候，就把出图方式都做了统一的要求，有统一的模板，这个跟国内常规的出图方式也不一样。

第四，项目参与方较多，需要多方协同，设计配合工作较为重要。由于光热发电技术不透明，各方重视技术保密，设计过程需要消化设计资料，有时对方提供的设计资料不会完完全全把设计理念都提供给我们，还需要我们去猜测具体的设计意图。

第五，设计文件及输入资料均为英文，需要较强的英语水平。

从设计角度总结了以下几条，给大家分享一下。

1、镜场的气象站和相机的布置。镜场的气象站是布置在镜场的外侧四角，镜场相机是布置在镜场的内侧四角，塔式相机要注意提前与集热塔和吸热器设计方配合，预留好安装位置。

2、镜场的配电方案。镜场是采用UPS电源，集热场内的通讯装置采用UPS电源，集热塔里的熔盐管道、电动门及仪表也要采用UPS电源。

镜场的配电装置是每路配电装置有两路UPS供电，镜场的配电装置给通讯装置供电是采用串联的供电方式，保证每个通讯装置都有两路电源供电。其中一路电源失电后切换到另一个镜场的通讯配电装置来供电。气象站相机采用双路电源切换，就地设备设置电源切换装置。

镜场配电装置的布置方案。常规岛的电源是通过三条电缆沟敷设至镜场，三条电缆沟互成120度角。镜场的配电装置布置在电缆沟附近道路旁边。

镜场的电缆敷设和通讯电缆的敷设方案。镜场配电装置进线采用电缆沟敷设，配电装置至基站的通讯电源采用直埋敷设，通讯电缆和电源电缆采用统一路径，大体成同心圆。

镜场配电的压损计算。由于定日镜的镜场面积比较大，最长的电缆要1.8千米，设计师必须考虑线路的压降。线路上的压降和损耗是确定电缆截面积的最主要因素。在计算线路压降时，简单地认为所有负荷在末端，通过压降计算末端电压，在末端电压满足时，电缆截面积比较大。因为是采用串联分段的供电方式，不能简单的认为负荷都在末端。

我们是从以下几个方面来降低电缆截面积的：

第一，充分利用负荷的耐受电压波动范围，因为项目相关方给我们的设计要求是小于4%就可以，我们可以利用耐受电压的波动范围降低电缆截面积。

第二是采用线路分段的迭代计算，每一段的计算结果迭代到下一段的压降计算，而更为准确地得到与实际相符的压降结论。通过这种迭代的压降计算，电缆的截面积也是有所减少的。

第三是在镜场设置变压器，可以有效地抬升线路电压，从而降低电缆截面积。我们在每个配电装置中都要同时设上变压器。

第四是在电缆压降计算时，电缆的截面积和配电装置的供电电缆截面积要统一参与计算，通过进线的电缆截面积和供电的电缆截面积来选最经济的方案。

3、镜场通讯方案。镜场设通讯基站，每台基站要带一千台定日镜，基站与通讯之间采用无线的方式传输信号。基站之间采用光纤通讯。以冗余的形式接入控制系统交换机。

4、如何降低镜场控制系统工程造价。

第一是无线技术的推广与应用。镜场控制系统底层采用无线通讯，减少底层的通讯电缆，降低工程量，镜场中心点控制，采用现场总线等通讯技术，根据负荷性质对安全性要求不高的设备配电采用串联的供电方式，节省电源电缆。定日镜采用光伏板供电，无动力电缆。

通过与我院完成的一些相同容量的前期项目进行对比，通讯电缆和电力电缆的工程量都减少了很多。我们在做常规的国内的一些方案的时候，有的定日镜需要供电，然后需要走通讯电缆。我们在做可研的时候，通讯电缆是630千米，电力电缆是1000千米，这个量减少的还是很多的。

还有两点要说，第一点是在镜场要设置临时调试终端，镜场比较大，要分区域施工，边施工边调试。第二点，智能电厂的建设。镜场运行数据的积累，控制系统要合理的利用这些数据，最好做到自诊断，自学习，自趋优有利于提高电站的经济性。因为现在大型的火力发电机组国内都在提智能化电厂的建设。光热发电虽然处于刚起步，但是在智能化建设的方面应该也要早规划。

最后简单介绍下我们。内蒙古电力设计院始建于1958年，位于呼和浩特市，拥有电力行业甲级工程设计、综合类甲级工程勘察、甲级工程咨询资质等近十项甲级资质，是电力行业甲级勘测设计、总承包企业。

我们在光热发电领域的业务范围包括：太阳能热发电示范项目申报材料，太阳能热发电项目总体规划，初可研、可研、基本设计、详细设计各阶段的设计咨询任务，以及太阳能热发电项目的EPC总承包。

此外，内蒙院也积极参加到目前与设计有关的规范编制，包括塔式太阳能、槽式太阳能和线性菲涅尔式设计规范等。

谢谢大家。

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相关线下活动：

第十届光热发电中国聚焦大会2020（3月25-26日，北京）

第五届光热发电中东北非大会2020（6月23-24日，阿联酋迪拜）

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