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一年半实现并网!西勘院详解共和光热发电项目投资、设计、采购、建设全过程

2019.11.27 来自:CSPFocus光略咨询

近日,中国电建西北勘测设计研究院新能源工程院光热所副所长张俊峰发表了题为“共和熔盐塔式项目工程建设经验分享”的重要演讲。


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,首先感谢主办方CSP Focus能提供这样一个交流的平台。此前的演讲当中,各位领导和专家从国家政策以及光热发电在未来电力系统中的价值的角度作出了宏观的报告,非常精彩。接下来我给大家分享的主题是从具体的、微观的角度来讲:共和熔盐塔式光热电站在实际建设过程中的一些问题和经验
 

 
报告的内容有三方面:第一是项目的概况,第二是作为第一批示范项目前期做了哪些技术储备,第三是在建设过程中遇到了一些什么问题以及相应处理的措施。最后结语。
 


在这之前先介绍一下西勘院。西勘院建院到目前已经69年,从刚开始的水电开发,一直到目前的清洁能源开发、生态环境治理以及基础设施建设,经历了从前期的规划勘测设计,一直到后期的EPC、投资及运营业务的综合一体化到相关业务多元化的发展历程。新能源工程院是公司的一个二级部门,主要承担光伏发电、光热发电、风力发电、智能电网输变电等相关业务规划、设计及EPC工作。目前西勘院承担的光伏、风电勘测设计业务份额已在全国市场排名中占据前列,同时也在2010年左右开始研究光热发电。



第一部分是共和熔盐塔式光热项目的概况。


 
青海共和50兆瓦塔式发电项目在青海省海南州共和县的太阳能热发电园区内,距县城大概有12公里的直线距离,目前园区道路已经基本建设完成。十三五规划中,在这个园区里面规划了50万千瓦的太阳能热发电装机。目前园区里仅建设完成共和50MW塔式项目,也有一些规划的前期。
 

 
上图是电站的送出情况。事实上在前期规划的时候已考虑了电力的消纳,共和项目电站的消纳还是比较好的,厂址区附近有750kV的塔拉变,以及青海到河南±800kV高压直流换流站,离城非常近。所以只有十公里的左右的送出线路。
 

 
工程方案是1*50兆瓦配6小时的熔盐储热,总占地2.12平方公里,采用的是中型20平米的定日镜,大约有3万面。吸热器中心标高是210米,采用二元熔盐储热。汽轮机采用超高压,一次再热、双缸双转速、直接空冷凝汽式汽轮机。
 
上面几张图片是九月底电站投运的情况。第一张是总平面布置。第三张是吹管的时候晚上的照片,右下角是使用电建的logo做的办公楼的外部造型。
 

 
接下来是建设模式。我们在刚开始示范项目申报、甚至在申报之前就已经开始了这个项目的前期工作。当时考虑通过项目的设计带动EPC总承包在产业链中的发展,所以这个项目是我们自行设计、投资、建设的光热项目,涵盖光热发电建设全过程。
 

 
项目的主要节点,从2017年6月份开始开工奠基。事实上2017年完成了五通一平和临时设施建设,真正开始施工和设备安装是在2018年的4月份,从4月到11月,大概七个月左右的时间把193米的吸热塔施工完成。工期较长是因为建设经验相对少,此外,项目所在地从5月开始到大概9月雨水也较多,所以给建设进度也带来了一定影响。
 


通过2019年1月一个月的时间,吸热器管屏安装完毕,4月份开始储罐注水试验,到5月份汽轮机整体扣缸。2019年9月12日第一次吹管。2019年9月19日早上9点一次并网成功。通过西勘院以及各个参建单位的共同努力,项目在不到一年半的时间里一次并网成功。



第二部分介绍一下做青海共和项目之前我们的一些前端技术储备。
 

 
上图所示为2014年之前设计的一个线菲(线性菲涅尔)的热电联产项目。当时也没有什么技术积累,边学边设计,这个项目在2014年已经具备投运并网的条件了。在2012年的时候我们就开始研究这些技术,从线菲开始研究。现在西勘院也做了一些示范项目和试验平台的项目。


实际实施过程中也总结了几点经验跟大家分享一下:第一就是反射镜镜面的技术要求,因为设计上会提一些技术要求,但在实际操作过程中,安装单位和制造单位的一些指标是很难达到的。设计的都是理论计算,比较理想,但是与现实还是有较大差别的。所以在现场也是处理了好多的问题。还有一点,二次镜,它的弧度要求高,镜面也要求比较高。一些镜面运送到现场发现是对不起来的,因为涉及的这几个项目比较小,而且都没有进行工装,也就是没有生产线去做。所以建议以后不管是做一条回路还是多条回路,最好有工装,这对将来安装和调试以及项目的成功很关键。
 


第二个就是塔式方面的研究。这里面要注意几个方面:
 
首先就是各种效率的选取。因为当时没有行业规范,效率选取和分析没有标准,即使在后来项目招标的时候也没有标准参考。在实施过程中如果没有统一的标准,各家算法的结论是完全不一样的。定日镜场的面积以及吸热器也是同样的问题,选择国内的和国外的产品也是不一样的。在共和这个项目上,我们规定所有的效率是怎么计算的、怎么定义的,给的统一标准。这样才能和我们分析的模型保持一致,在将来验收或者评判时有统一法人标准,就不会存在因为效率计算方法不一样而导致验收出现问题。

其次是跟踪控制系统的策略和精度。跟踪的精度和环境有很大的关系。不同的风速对跟踪的精度要求和控制系统、各家的技术路线是不一样的。有双推杆的,有旋转结构加推杆的,所以不同的结构方式、技术路线会导致控制策略和精度的差别。在实施过程中,这一方面也是要考虑的细节。


最后是清洗频率。一方面是镜场面积比较大,清洗设备在国内没有真正运行的业绩。每个项目都是自己设计一套清洗装置。这里建议在设计定日镜的清洗装置的时候,有条件最好能做个实验。清洗车一般都比较多,我们建议在做第一台的时候,最好到现场测试一下和镜场是不是匹配。不然一旦所有的都做完以后再去测试就会非常被动,不好改。这个也是前期做技术方案或者招标的策略,需要注意一下。
 


第三点是聚光集热系统的光学仿真技术。一方面软件模拟的是每天的风速,但是每个时段的天气变化是模拟不到的,即使给了典型年,也是模拟不到每个时段的。所以为什么说光热电站前期设计还有一年到两年的学习时间,主要还是要看放在具体环境中应该怎么去处理。除了理论的设计,还需要到现场去模拟,只有在搭建的模型平台上结合现场的运行以后,才能提高整体电站的经济性和安全性。
 


另一方面就是定日镜。从2平米到120平米的定日镜,我们都和科研院所做了具体的风洞实验,并对不同结构形式、支撑形式做了大量的研究。研究结果发现由风载引起的震动采用增加主桁架截面尺寸的方法改善是非常大的,也是效率非常高的。同时对镜面的位移和应力分析以后,得出的结论是采用两种时程方法和等效风荷载方法最后的结果偏差不大。这些都是做完研究以后才能得出的结论。
 

 
接下来讲的是储罐。储罐工作温度比较高,非常重要的设备。因为没有相关的规范,我们只能通过自己的科研加上一些理论计算,并结合一些实践去做一些实实在在的模拟和仿真工作,并在运行过程中加强监测,从目前看结果还可以。


还有吸热塔,我们是在设计的过程中已经考虑了,在里面已经预埋了做实验的一些设备在塔顶,包括震动、位移。在实践中科研,总结经验,这里投入了很大的精力。
上图所示的这种罐体是由于温度引起的,我们分析认为温度载荷引起的罐体热应力还是比较小,这个关注一下就行,不是影响罐体安全的重要的因素。
 




第二个是机械应力,即荷载应力。储罐要储存上万吨的熔盐,需要特别关注。通过计算得出的结论是,最危险的就是顶部和底部的焊接点。上方第二张图为更详细的综合仿真模拟,可以看出罐底只是发生在焊缝的边缘。


我们分析发现,应力集中点不是引起储罐安全的最主要因素。中间应力很小,表面薄膜应力小,弯矩应力很大。通过第四强度理论和第三强度理论分析以及综合计算分析后得出的结论也是满足使用要求的。所以要分析清楚,到底设计的关键在什么地方。在加强监督和运维的时候在哪些地方更需要关注,这都是我们在设计过程中比较关注的问题。
 


镜场布置我们和国外的IDOM,国内的中控、西交大、河海大学一起做了前期的研究与研发,然后运用到共和项目上。我们在做共和项目时是自己研发的软件。大家看上方所示四张图,跟别的图的布置方式是不一样的。在招标的时候我们是谁的效率高就采用谁的方案,我们自己的布置软件布置的方案和投标的相比,从技术上是差不多的。共和项目是结合了自己研发的软件做的。


 
第三部分是建设过程中的一些经验分享。
 

 
共和光热项目的镜场面积比较大,大概在2k㎡,机组大的话可以达到5-7k㎡。西北地区土地和环境非常脆弱,所以我们的理念就是不进行大规模的场平。大家去有的电站可以看到,场地比较平整,里面的草长得非常好。
 
这里要考虑两个问题:清洗道路和相关线缆的敷设。这两个是必须要做的,不管是否场平,这两个工作都会带来一些地面植被的破坏,所以在道路清洗的优化过程中我们也是花了很大的精力。上图中这个是跨越式的清洗方式,地面上不用做很大的处理,只要有一定的坡度就能满足现场的要求。当然在前期设计的过程中,包括采购和招标都要涉及到这些问题,所以这是全阶段要考虑的问题,不能到后期再考虑。包括现场的敷设,国外有一些电缆直接绕在地上,但是国内的基本上都会挖浅沟给埋上去,因为那个地方野生动物也比较多,电缆有时候就会遭到破坏,影响电站的运行。上述几个方面都是定了技术路线以后涉及的问题。
 

 
第二是要充分发挥设计龙头的作用。不同于其他行业,太阳能热发电设计是从头贯穿到尾的,比如前面的常规岛设计工程就是方案的设计,但是太阳能热发电如果单单考虑工程方案的设计可能会给后面建设带来很大的问题,包括设备采购、施工安装、运维调试。
 
譬如在设计过程中遇到的一个问题,在电站调试和控制方面,目前国内有几家在做,但是大部分都不知道具体控制逻辑,只有设计才知道其中的逻辑,知道是怎么控制的,前后顺序是什么。因为大家对于光热电站接触比较少,不像火电,只要招个标,控制系统直接就可以根据经验设计出来,设计配合比较少。但是光热电站完全不一样,没有设计,他们就不知道控制逻辑。


还有就是施工和安装。共和光热项目采取了设计施工安装一体化,包括吸热塔、储热系统、镜场等。只有设计考虑到后期的安装、施工、运维等方面才能推动这个项目正常、快速、高效的完成。
 


第三个是数字化技术的应用这个项目从一开始就推行数字化,所有国内的项目,我们设计上都是考虑双胞胎工程。物理电站建设的同时,虚拟的电站也会提供给客户。在这个项目上我们做的工作量还是比较大的,因为各行各业的软件不一样,我们把各个软件搭建到公共平台,做到“双胞胎工程”项目的虚拟电站。
 

 
我们在设计的时候考虑了其他情况,比如说后期调试和运维的人员不多等,尽管现在还达不到完整一套的智能化电站,但是我们已经考虑了很多具备将来功能的基础工作,包括数字化档案、培训、虚拟巡视、远程监视、VR技术应用等。
 



下面简单说下设备采购,希望对在建设的光热电站有所借鉴。一个是进度的控制。国外采购的设备可能会有一些预想不到的状况,比如我们之前遇到过的情况,进口阀门设备到现场六个月时间,如果国外要抽检,还要耗时两个月,这对进度影响非常大。所以应对这种情况在前期要有预案。 
 
还有就是技术要求一定要明确。国外和国内的技术要求有些是不同的,边界条件不清楚,或者说理解有偏差,比如外商在泵轴的长度、阀门的尺寸等方面跟我们常规的理解是不一样的,所以每一个都要仔细的核对,尤其是进口产品。
 
另一个就是技术壁垒。目前投运的每个项目熔盐泵或多或少有点振动问题。我们分析下来认为其中一个原因就是国外提供的熔盐泵,不会提供振动的频率或者模型,而是要我们做完之后再去核对。这一块我们还是有点薄弱,也希望国内的厂家能在这方面有些突破,一方面可以降低成本,另一方面从设计产业链一条龙的角度也能真正的掌握技术。
 
关于国产设备的采购,我们有个体会,就是专业的事情要专业的人干。化盐和采购都给了一家熔盐厂家去做,后来在实施过程中就执行不太好。也提醒大家细分领域还是要找对应专业的公司去做,哪怕前期花费时间多些。
 


接下来讲一下施工组织创新,项目场地比较大,我们在做地勘的时候发现东边的场地和西边的场地差距非常大,东边的场地没有一块石块,西边的场地全都是小石块,导致挖地基的时候出现了一些问题,刚开始一天就挖十几到二十个,效率非常低。后来对几款挖掘机进行了改造,一天能达到300~400个,大大的缩短了劳动时间。
 

 
我们从项目开始到项目并网发电,一直实施无人机的巡检。因为镜场面积比较大,如果要人工巡检,会花费大量的精力和物力,同时吸热塔高度高,巡检也比较困难,采用无人机技术巡检的相关数据都传回来可以及时发现问题并及时解决。

 
最后总结一下。
 

 
中电建青海共和50兆瓦熔盐塔式光热发电项目的建设其实也遇到了很多的困难和问题,但项目的建设者始终秉持着“用清洁能源,还碧水蓝天”的初心,以“黄沙百战穿金甲,不破楼兰终不还”的决心,勇于承担“行业示范先行者”的使命,推动清洁能源的不断发展。


谢谢大家。





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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