主办单位
 
国家太阳能光热产业技术创新战略联盟
中国可再生能源学会
中国工程热物理学会
中国电机工程学会
 
承办单位
兰州大成科技股份有限公司
中国科学院电工研究所
支持单位
敦煌市人民政府
中海阳能源集团股份有限公司
苏州诺威特测控科技有限公司
 
 

 

 

 
特别支持单位
 
 
协办单位
 
 
关注媒体
 
人民网
新华社
中国报道
中国电力报
中国证券报
国家太阳能光热联盟官方网站
太阳能学报
中国知网
CSP PLAZA光热发电网
光热资讯网
《太阳能》杂志
上海万方数据有限公司
活动家
 
 
 
中电工程西北院:光热电站主要工艺系统设备选择
[2017-09-12]
  在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟发起主办的第三届中国太阳能热发电大会上,基于近年来西北电力设计院有限公司几个工程设计的工作体会,西北电力设计院有限公司新能源开发分公司副总、主任工程师赵晓辉作了题为《光热电站主要工艺系统设备选择》的大会报告。相关发言内容整理如下:
1太阳能热发电概述
  从全球太阳能热发电技术上来讲,槽式导热油技术路线是最为成熟的,塔式熔盐次之。从全厂工艺流程来看,槽式熔盐和塔式熔盐这两种技术是比较简单的,成本下降空间较大,运维较简单,但是相对于槽式导热油技术应用范围不够广。
图:槽式熔盐热发电系统
图:塔式熔盐热发电系统
  下面简单分析各个子系统设备。这里说的工艺系统设备包含聚光、集热、储热、换热以及发电等各个工艺环节。
2聚光集热系统设备
  这里阐述的聚光集热系统的设备,我主要从设备选型,也就是工程设计,或者从业主方的角度来说明如何选择聚光集热系统的设备。我们是设计院,定位是基于工程设计牵头的工程公司,因此目前我们不设计设备本体。
2.1塔式定日镜
图:几种定日镜
  塔式定日镜应该有30、40年的历史,从外形看,包括方的,圆的,一个模块上多个圆的,还有轨道式的。这些都是定日镜发展历史上出现过的形式,还有近几年塞能(Sener)公司178平米、阿本戈140平米、西班牙Imdea双推杆的,澳大利亚CSIRO双推杆的,以及德国SBP的双推杆等。这些定日镜从大小方面看是一个区别;还有从驱动结构来讲,一个方向是推杆,还有两个方向都是推杆,两个方向都是回转减速机以及液压等多种。我想不同形式的目的是在确保性能的前提下降低成本。
2.2槽式集热器
图:槽式集热器
  槽式热发电相对大家比较熟悉。从设备来讲,关于它的可靠性,同时还有它的经济性和前瞻性,其中一个是大开口槽式发电。比如6.7米、7.5米开口的槽,还有在摩洛哥项目大范围应用的。槽的开口做的越大,从项目层面来讲,它的投资会降低,同时它的运维也会简化。
图:槽式太阳能回路Loop、集热器阵列SCA、集热单元SCE
  3个集热管长度与7组镜面长度匹配,构成一个SCE;12个SCE构成一个SCA;4个SCA构成一个回路。
  根据相关资料对比,聚光集热设备在热功率相当前提下,大开口槽具有的优势包括镜场面积可减少10%;导热油母管长度优化;较少的镜场投资(管路、阀门及导热油);自耗能显著降低;较少的驱动、基础和电缆等光场辅件。这是大开口槽式的一个优势。
图:不同集热器效率
2.3塔式镜场及吸热器
图:塔式镜场及吸热器
  聚光集热系统的整体设计是项目前期阶段做的一些工作。定日镜的选型有几个要素我们需要关注,包括驱动的形式,抗风性能(包括工作风速与保护风速),跟踪精度,还有面型方法,各个环节的效率,其中一大部分参数的选择是跟厂址环境有关,比如风引起的,还有沙尘引起的。
  镜场与吸热器容量的匹配也是一个较重要方面。
3全厂工艺系统集成设计
  全场工艺系统集成设计属于顶层设计,是关乎各个子系统容量匹配和全厂经济性的重要设计环节。
  镜场(反射镜)只是实现聚光,集热是要靠吸热器(集热管)来完成的。对于塔式,一个是镜场容量与吸热器容量匹配的问题,单纯从设计点来考虑两个容量的匹配不是很全面的,要基于全年运行性能。如60万平方米的反射镜面积配300MW的吸热器还是320MW的吸热器,这里面有一个优化配置的问题;吸热器不同位置的材料,关键是受热面的材料;国际市场用的比较多的是镍基合金的230材料,成本比较高一些。在国内项目上有选625镍基合金的,成本相差明显。重点关注材料的目的是考虑到运行工况比传统的锅炉要复杂,负荷变化更为频繁。
  此外还要注意吸热器入口容器的事故压缩空气系统的容量,这些与UPS电源容量,事故电源等因素有关。
  聚光集热系统设备跟厂址有关的几个重要方面包括风、尘、云等因素。
  1)多云,在气象学上是指天空中云覆盖面占天空40%到80%。阴天、指云覆盖面占天空的80%以上。其实我们国内的一些项目厂址,相对美国或者西班牙的厂址来讲,云的危害可能还是需要引起足够的重视。对国内某光热电子厂址的2016年气象数据分析,发现真正意义上的晴天只有126天,多云天114天。显然可以认为这个年DNI就算有2000kWh/m2,它的品位也是比较低的,年均热电效率可能不那么乐观。浙江中控太阳能金建祥老师也提到了基于德令哈的运行经验,云对发电量实际值和设计值偏离较大。
  2)风的问题,一般情况下,国外定日镜运行风速一般是13米每秒这个水平,这里是平均风速,这一风速值,基于风资源统计情况会考虑一个概率问题,如在98%情况下,厂址区的风速在13米,意味着98%时间段,定日镜不会因为风的问题停止运行。这个设计理念拿到中国哈密或者非洲摩洛哥很显然是不行,假如设计运行风速满足98%概率可运行,意味着定日镜的强度以及驱动的设计,它的风速要到20多米每秒,了定日镜的成本会增加非常多,如果还要确保最大运行风速下镜场的精度,这么大的风可能技术上不可行,最终导致项目经济性不可行。因此在前期设备选型的时候,结合资源做发电量评估是非常重要的。
  在项目选址以及项目招标阶段,要对厂址的条件足够重视。还有是重视清洗策略,确保平均清洁度。就我们参与的项目来看,中广核德令哈槽式反射镜招标是公开的,年均反射率是96%,但是根据国内包括中控、首航运行的经验,我们了解到年均96%达不到,因此我们在某个项目上确定了年均清洁度是90%。中控金老师也提到了年均清洁度的问题。
  3)运行策略的问题,主要目的是应对国内一些厂址多云、大风情况。聚光集热系统设备的集热目的是满足后面的系统发电,这个环节有一个全场工艺系统集成设计,现在主要是通过热质平衡分析软件,这种软件国际上好几款。目的主要是在主要工艺系统招标过程中,确保包括泵类、换热器等设备的技术条件。同时这些工具可以合理确定运行模式,比如槽式导热油技术放热发电模式的计算。根据我们对项目充放换热器的招标经历,运行模式主要是影响换热器的放热和换热特性。
  通过做这些工作,我们的结论也反应在即将发布的征求意见稿的电力行业标准中,这个标准已经写完了,下一步是对外征求意见,欢迎大家提出不同的意见。
  还有年发电量计算,在可行性研究阶段很关键的一个东西,现在用两种评估手段,对比下来,年发电量最大偏差大概5%以内。基于玉门导热油槽式项目,国外阿本戈这种有运营经验的工程公司给出的结果介于我们两种评估方法结果之间,我们现有的评估手段得出的结果,从现有的阶段来讲是可靠的是可信的。请注意,年发电量是很关键的一个指标,影响这个指标的关键因素是聚光集热系统设备性能实际值与设计值是否有较大偏差。下游的换热和发电部分,相对比较成熟。
4关键工艺设备
4.1蒸汽发生器设备选型
图:熔盐,导热油蒸汽发生器工艺流程
  选择关键工艺设备,主要是初步拟定工艺流程,最终确定设备结构,满足设备招标技术要求的提出。最后的几张PPT主要是换热这块。熔盐蒸汽发生器,导热油蒸汽发生器,主要有单列双列的问题以及蒸发器设备水动力设计的差异,目前在国际项目上熔盐蒸发器都用的是强制循环,我们国内供货方的产品设计也有采用自然循环的。后者系统简单没有强制循环泵,可以节约厂用电,减少系统故障点,但水动力较强制循环稍差。同时对于蒸发器设备,也需要关注熔盐和水的流程。要在系统设计和设备设计两个层面考虑熔盐凝固、泄露等风险。
蒸汽发生系统流程及配置关键点可以总结为如下几条:
  熔盐蒸汽发生器,各级换热器旁路设置,混温设计,运行模式主要是低负荷运行模式;导热油蒸汽发生器,导热油侧流程的确定,方便运维节省投资为出发点;熔盐蒸汽发生器采用单列,简化系统,运行可靠性提高;自然循环具有足够可靠性;注意熔盐侧的凝固风险控制,从系统设计及风险应对角度考虑。
  过热器多采用发卡式换热器;也有采用集管式蛇形管;介质温度变化大,有单级、多级、对于较大容量机组串联和并联。
  蒸发器设备是SGS最关键的一个换热器;结构形式包括釜式、U管直壳、U管U壳等;有自然循环,强制循环,也有直流。需综合考虑成本、系统流程、容量、参数确定。
4.2传热流体选择
  对于槽式聚光集热系统,采用熔盐作为传热流体,简化工艺系统,提高热经济性。熔盐作为传热流体肯定有它的优势。总的投资要低于导热油,因为系统简化很多,介质工作温度区间很大。
图:二元熔盐和导热油饱和蒸汽压随温度变化
图:太阳盐和低熔点盐关键物性对比
  关于低熔点盐的讨论,我个人认为,采用哪种熔盐作为线聚焦集热技术的传热介质,技术上,其使用温度上限在很大程度上是由集热管高温吸热和散热特性决定,因为在高温下辐射散热机理引起的散热损失非常可观,确定两种熔盐的工作温度上限均为550℃。采用低熔点盐对以下系统或参数产生较大影响:
1)用于管路系统及回路本体的防凝电力消耗会降低。
2)单个回路传热流体流量及镜场熔盐循环泵的电耗降低。
3)储热系统初投资。
4.3汽轮机参数确定
  汽轮机进汽压力和温度基本由上游吸热系统参数决定;对于熔盐作为SGS的换热流体,过高的给水压力会影响预热器出口熔盐温度;需结合上游传热流体温度和SGS设备统筹考虑;对于槽式导热油电站,储热发电模式不会考虑满负荷运行汽轮机。
  汽轮机效率提高1个百分点,年发电收益可提高2%甚至更多。若按50MW电站设计发电小时数4000h计算,电价1.15元/kWh,则一年因此项增加的收益大约460万人民币。因此要重视发电单元系统。
4.4全场辅助系统及辅助设备
  总的来讲要重视如下问题:重视镜场清洗(车),清晰策略的选择,确保年均清洁度;熔盐泵、导热油泵、镜场低速循环泵的选型配置,包括容量和冗余配置策略;
  储罐要重视施工工艺,包括高温基础的设计和施工。熔盐阀门,截止阀和蝶阀是比较普遍的结构形式,重视阀盖伴热设计,尽量避免阀门外漏。
4.5重视发电单元系统辅机设备选型
  发电单元的性能好坏与聚光集热系统一样重要,发电单元性能下降对全厂性能的影响甚至比后者更明显,这一点往往不被重视,业内习惯称之为“常规岛”,这是核电领域的惯称(国际上一般叫动力岛或称发电岛 power block),这个并不常规,因为电价高,应该比火电机组更精致。主要包括给水泵、凝结水泵配置及调速设计;管道系统的选型;高低加回热系统及除氧器本体设计,包括阻力、端差及结构选择。疏水泵配置等。还有一个重要的设备是空冷凝汽器。
  关键工艺设备选择非常重要,因为如前面所说,发电单元效率提升1个百分点,年收益增长2%以上,重视发电单元设备选型及系统设计。当然,仍需要在多方协同,全局优化,系统集成,在供货方的配合下(设备性能及成本),从全场系统优化角度考虑。
5西北电力设计院光热业务介绍
  最后花点时间介绍一下我们公司。2008年,中国电力工程顾问集团公司和中科院电工所合作亚洲首座兆瓦级(电功率1.5MW)塔式太阳能热发电电站的总体设计,西北电力设计院有限公司作为设计院,完成相关工程设计,这是我们进入此领域的一个关键时期,在此要感谢电工所王老师团队当初给予我们的一些帮助。
  2010年10月,参与中控太阳能德令哈塔式光热发电工程设计。2014年7月10MW成功并网发电;2016年8月熔盐改造完成。该项目是亚洲首座光热发电商业电站。
  2015年,西北院参与摩洛哥NOORIII期电站工程设计。该项目是目前单机容量最大的塔式熔盐电站。由山东电建三公司和SENER组成的联合体EPC。
  中国电力顾问集团有限公司太阳能热发电技术中心设在西北院,中心主要负责开展太阳能热发电行业的重大与关键技术的研究与开发,研究提出集团公司太阳能热发电发展规划和技术升级方向等。目前正编制多项国家标准和行业标准。目前参与的各类光热发电项目总数有三十余个。
  太阳能热发电是系统高度集成的发电技术。聚光集热系统,储换热系统,发电系统具有同等重要地位。技术先进性与成本一样重要,技术方案比选要基于投资。
  我们不生产制造任何设备,我们是全场系统的集成设计方,期望与设备供货方、投资方,多方携手,推动太阳能热发电这一技术全面进步。
  谢谢大家!

该页已被阅读 1462