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华北院分享塔槽光热发电设计技术 探讨“更高效率+更低成本”实现路径

2020.01.15 来自:华北院祝芳


近日,中电工程华北电力设计院(简称“华北院”)新能源工程事业部项目经理祝芳发表了题为“塔槽光热发电设计技术探讨”的主题演讲,在系统分析了塔式、槽式两种主流的光热发电技术路线优劣势的基础上,对两种技术的结合方式就行分析和探讨,使之充分利用塔槽技术的优点,尽可能实现更低的度电成本。

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。



我的分享主要有四个部分:槽式系统、塔式系统、塔槽结合方式探讨,最后是实例分析和一点思考。



在光热发电业界,槽式和塔式系统是商业运行中最成熟的两个技术路线,上图所示为槽式太阳能热发电系统的简单示意。槽式技术路线包含由导热油回路组成的集热系统、熔盐储热系统、蒸汽发生系统、汽轮发电系统四个系统,常用的传热介质是联苯/联苯醚,这是目前为止所有运行实例当中运用最广泛的一种介质。现在硅油也在慢慢进入工程实例当中。受到导热油本身物性的限制,联苯/联苯醚的工作温度在293~393度,硅油在300 ~415度。储热的介质采用的是熔融盐。因为槽式电站的参数是受到集热系统制约的,所以汽轮机的入口参数也受到导热油温度的影响,定格在381 ~410度,这个参数在汽轮发电机组里是比较低的。



塔式太阳能热发电系统的组成和槽式一样分为四大系统,一般来说,传热介质和储热介质都是熔盐。在吸热器的出口高温熔盐可以达到565度,所以汽轮机入口的参数也得到了比较大的提高,可以达到550度。由于汽轮机入口的参数得到了提高,汽轮机的效率也会有所增加,所以整个系统的光电效率是比较高的。



槽式和塔式光热发电技术各有自身的特点。


对于槽式电站来说,只要资源条件和用地红线允许,理论上可以把镜场不停的铺排,更大的集热场面积意味着更高的单机容量,也就意味着更高的汽轮机效率,集热场是具有可复制性的。槽式的集热场回路基本上是矩形的,所以占地相对塔式会小一点。我国现在政策给出来的红线一般是矩形,所以槽式技术路线对于土地的利用率会更高一些。但槽式有一个致命的弱点,就是参数比较低,导致光电效率比较低。


相对的,塔式技术最大的优点就是参数比较高,光电效率也比较高。在做工程设计的时候,从追求效率的角度出发更倾向塔式。但塔式也有弱点,塔式的集热系统是由吸热器、吸热塔、定日镜场组成的,随着镜场的不断扩大,位于镜场边缘的定日镜效率会不断降低。当镜场增加,整个集热系统的效率在达到峰值后会出现下降,所以塔式技术路线里的镜场不可以无限扩大。还有另外一个问题就是吸热塔的高度,由于受到吸热塔高度的限制,镜场也没有办法继续扩大。所以对于塔式技术路线来说,单塔的规模受到了限制,也就是说汽轮机的单机容量会受到限制。


以上是对塔式和槽式在工程设计当中的优劣势进行的总结。在做工程设计的时候最想实现的是什么?是把工程造价降低,把效率提高。这个时候就会在工作当中考虑,能不能想出一个办法,既有塔式的高参数,又有槽式的大容量。如果这样,工程设计会对LCOE有更好的影响。所以我们就开始去思考怎么把塔式和槽式结合起来。


我们想出的第一种方案非常简单,就是直接把槽式和塔式碰在一起。怎么碰?就是蒸发系统当中,该是导热油和水换热还是导热油换热,该是熔盐和水换热还是熔盐换热。所以在蒸发系统当中会存在油水换热器和盐水换热器,导致整个系统非常的复杂,所以这也是一个废弃掉的方案。


为了精简整个系统,也为了后期运维更加方便,我们制定了基本的原则:在系统当中只出现盐水或者盐汽换热器,导热油不再和水或者蒸汽发生器直接换热,这样就可以利用导热油的中温和熔盐的高温对这个系统进行加热。


以上所示为简单的油侧和盐侧系统图。可以看到槽式镜场吸收到的导热油的热量经过油盐换热器和熔盐发生换热,热盐罐和冷盐罐里储存的就是导热油侧的低温熔盐,这些熔盐用来加热蒸发器和预热器。塔式出来的高温熔盐用来加热过热器和再热器,所以二者是可以分裂开来看的。


这里面有两个问题,第一个问题是从预热器回来的槽式侧的熔盐温度会比较高,这样会造成槽式侧的熔盐利用率非常低,因为温差比较低。第二个问题是,从图中画的一条红线可以看到,这里的塔式系统是没有办法完成发电循环的,是不可以单独发电的。但是在最开始做塔槽结合方案的时候,最大的问题就在于塔式和槽式的发电特性不一样,尤其是在高纬度地区,我们国家恰恰就处在高纬度地区,所以冬天塔式的发电量会高于槽式。为了保证工程的经济性,我们希望能够实现塔式单独形成发电循环,同时还要提高槽式侧的熔盐利用率。



出于这个考虑我们提出了方案三。这个方案主要解决了槽式侧的熔盐利用率问题,因为这样可以更充分地利用温度。相当于把过热器拆成两级:一级低温过热器和二级高温过热器。塔式熔盐用来加热高温区域,槽式侧的熔盐用来加热低温区域。但是这个方案还是没有解决塔式侧可以单独发电循环的问题。



所以我们又提出了方案四。方案四的变化只是在上图红圈的位置。当塔式的高温熔盐在二级过热器和再热器中进行了换热之后,需要和槽式来的低温熔盐进行混合,混合之后再一起去其它的换热器里进行换热。可以比较直观的看到,如果冬季槽式需要切离,可以直接在相应的回路上设置一定的阀门,在控制系统里做好控制回路,轻易地把槽式系统解列,单独由塔式系统完成发电循环。



上图是哈密地区100兆瓦的光热案例,主要看方案三和方案四:槽式镜场导热油的入口温度相差不大,但是在熔盐侧,方案四的熔盐入口温度也就是冷盐的温度明显有所降低,这样就扩大了熔盐的利用区间,减少熔盐量,可以用更小的熔盐罐和熔盐泵,以此来降低工程造价。



200兆瓦的光热工程案例也是一样的趋势。



最后,我们根据100兆瓦的项目进行了计算,槽式年均光电效率可以达到12.8,塔式的光电效率可以达到14.84,经过槽塔结合之后的光电效率可以达到15.02。


确定了原则性系统之后,我们对整个镜场的布置做了优化。其实槽塔结合的布置有很多种,这里只是单列了一种。主要的考虑因素是自然条件、用地红线、当地的地形等。同时我们在选择方案的时候,还考虑了导热油集热场管系流量分配的问题,所以采用了近似对称布置的方案:中间是塔式镜场,两头是槽式集热场,这里是进站道路。这个方案的塔式镜场和集热场的容量配比还需要进一步研究,因为镜场的容量配比还是要归结到工程造价以及度电成本上去。


从我刚才的介绍来看,塔槽结合的方式初衷是为了结合槽式和塔式各自的优点,要得到塔式比较高的参数和镜场效率,同时也要能够实现槽式单机容量的增加,用槽式的集热回路去代替定日镜场边缘比较低效的定日镜。这样综合考量起来,塔槽结合的方式会使工程效率有所提升。


但是对于工程来说,最终看的是工程造价和度电成本,所以我们下一步主要的研究方向包括:


第一是塔式和槽式的容量配比问题;


第二是运行方式的研究,因为塔式和槽式的运行时间并不匹配,所以在进行系统设计的时候要考虑到运行方式的灵活性,可能会和常规的槽式或者塔式电站系统设计不一样,这个也是后续要去考虑的;


第三是控制系统的设计,因为系统更加复杂,所以对控制系统的响应要求也会更高,这个也是下一步要做的工作之一。



最后简单介绍下华北电力设计院,公司成立于1953年,愿景是成为极具价值创造力的工程型公司。我院有20多项资质,其中有三项综甲资质,包括工程设计、工程勘察和工程咨询,并且被ENR杂志评为世界总承包商225强和中国承包商及工程设计企业双60强。


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)

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