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熔盐槽式之阿基米德示范项目

2020.09.14 来自:光热之眼

阿基米德熔盐槽式示范系统(Archimede Molten Salts Prabolic Trough demo plant,ASE MSPT demo plant)是世界上第一个使用熔盐作为传热及储热介质槽式太阳能光热示范系统,于2013年6月建成并投入使用(测试),位于意大利佩鲁贾的马萨玛尔塔娜地区(Massa Martana (Perugia))。该系统旨在探究以熔盐作为传热及储热介质的槽式工艺技术路线的可行性,通过示范项目的运行对系统的运行效率,运行安全性,运行稳定性以及系统运行管理方法进行测试和分析,同时,阿基米德公司在该系统中所采用的设备全部来自于意大利本土,通过该项目的进行,其项目的支持方——意大利国家电力公司力图打造一个完整的熔盐槽式太阳能光热系统本土供应链。


该熔盐槽式示范系统仅包含一个由6个SCA组成的单一回路,单个SCA的集热面积为600m2,配置的集热器为高温太阳能真空集热管,该回路直接与熔融盐储热系统连接,该储热系统由高温及低温熔盐储热罐体组成,单个罐体容积为25m3,约可装载50吨左右的熔盐。


在该示范系统运行的第一年中,系统并未接入任何热负载设备,所收集的能量均通过熔盐-空气换热器进行热量交换后,直接释放至外部环境当中。直到2014年夏季,该系统接入了蒸汽发生组件,开始输出过热蒸汽,并接入发电机组进行热电转换和电能输出。


图1 ASE MSPT 示范项目结构图及效果图


图2 ASE MSPT示范项目实景图


考虑到熔盐的凝固问题,系统配置了两套不同熔盐预热系统,对于系统集热场内的所有管路,包括144根高温真空集热管及其互连的挠性软管(波纹管),以及空气冷却器(熔盐-空气换热器),均利用焦耳效应(电阻加热)的方式进行预热;另外,连接集热场与储热系统的所有管路以及阀门均配置了电伴热组件,以便进行管路预热。

      表1 ASE MSPT示范系统主要性能参数列表


 该系统在运行时主要执行三种主要的运行模式,分别为常规跟踪运行模式,偏焦运行模式及长期待机模式。


(1)常规跟踪运行模式


 当系统回路处于常规跟踪运行模式下时,冷盐由低温熔盐罐中泵出,送入集热回路中进行加热,集热回路以反射聚焦的方式将太阳辐照能聚焦于真空集热管内金属管表面,并以热量交换的形式加热流经于集热管内部的熔盐,使之加热至550℃流出,进入高温熔盐罐中储存,熔盐的流量由集热场循环泵进行控制,控制策略描述为:保证熔盐从集热回路中流出的温度为550℃,正负偏差量不超过1℃。集热场循环泵上配置变速驱动器,用以控制循环泵进行熔盐流量精确控制。为了释放太阳能集热场所收集到的能量(将熔盐冷却至290℃以便开展下一个工艺循环),在系统运行测试的初期,储存于高温熔盐罐中的热盐将被泵入空气冷却器(熔盐-空气换热器)当中,以强制风冷的形式将熔盐中的能量释放至外部环境当中,并将熔盐送回低温熔盐罐。


基于上述工艺循环和运行模式,测试人员对该系统进行了超过10000次的稳态热循环系统性能测试。


(2)偏焦运行模式


 在该运行模式下,集热回路中的SCA处于完全偏焦状态或起点位置,冷盐此时由低温熔盐罐中泵出,进入集热回路进行热量释放,并通过阀门旁路控制再次回到低温熔盐罐中;根据集热管的热损性能以及循环泵的流量控制可判断熔盐完成一次循环后的散热量,一般情况下,循环泵主要控制策略为:熔盐从集热回路流出的温度约为275℃通常情况下,当太阳能辐照值未达到测试要求标准值(阴雨天或夜间),或系统进行热损失测试,以及高温熔盐罐处于满载状态下需要进行热量释放时,系统将以该种模式运行。通过保持熔盐温度进/出口温度恒定以及流速恒定,在关闭预热系统的条件下,测试人员测试了熔盐温度不同时系统的散热损失情况。


(3)长期待机模式


在该种模式下,系统集热回路以及空气冷却器处于完全关闭并且排空的状态下,系统管路以及各设备内的熔盐(约为总量的96%)均被排放至低温熔盐罐内,无法被排放至低温熔盐罐内的残留熔盐将通过排盐阀排入特定的熔盐收集装置中。

当系统处于检修或维护状态,以及阴雨季或太阳能辐照完全无法满足测试条件的季节(如每年的12月到次年3月)时,系统将启动该运行模式,在此模式下,系统中的熔盐将始终静置于低温熔盐罐中,为使熔盐保持在液体状态,值守运行人员将定期开启低温熔盐罐中的电加热组件,对罐内熔盐进行加热以防止其凝固。


自该系统投运以来,除设备改进,设备检修及维护以及冬季停运之外,其他时间改示范系统一直保持连续运行状态。事实上,马萨玛尔塔娜地区并不是一个建造太阳能光热示范系统的最佳地点,该地区冬季太阳能辐照量数值较低,完全无法满足系统的运行要求,因此,该系统在每年的12月到次年3月通常处于关闭状态。


在2014年,阿基米德公司完成了该系统第一阶段的运行测试工作,并对外公布了系统的运行情况曲线图(下图3),在该图中,黑线表示太阳能辐照量数值的变化曲线,红线表明系统运行时传热介质出口温度变化曲线,蓝线则系统循环泵工作曲线。


图3  ASE MSPT示范系统运行曲线


根据该运行情况变化曲线可以获知,在该年度时间段内,系统运行的总时长约为4450小时,考虑到设备初始调试时间,熔盐的化盐及充填时间,冬季启停时间等不稳定因素的影响,阿基米德公司认为系统整体的运行情况和运行性能均达到预期,也显示出了较好的系统运行稳定性。在整年的统计数据中,熔盐出口温度达到500℃以上的时间超过500小时,达到400℃以上的时间超过1150小时,超过200℃的时间超过6000小时(该数据所统计的时间包含了系统运行时间以及系统停止时间)。


由于系统集热回路的热输出功率约为空气冷却器额定热负荷的4倍,因此系统实际有效运行小时数的限制条件为高温储热罐的容量,下图4为阿基米德公司公布的系统单日运行数据曲线图。



5  ASE MSPT示范系统单日运行数据曲线图


阿基米德同时公布的信息还包括了熔盐的充填和排放测试,熔盐的凝固和熔化测试


(1)充填与排放测试


系统集热回路的熔盐充填与排放循环一直被测试人员认为是系统回路运行管理中的重点监控项目,在该数据公布时,测试人员已经对回路进行了超过100次的充填与排放测试循环试验,并且这些试验全部取得了成功,该类计入统计的充排循环数据不仅包含了计划内的测试数据,也包括了由于系统异常而进行的被迫性的充排循环数据。


下图5为该公司公布的典型充填过程参数变化情况曲线图,从图中可以清楚地看出,在熔盐充入系统之前,系统内不同区域的温差较大,其温度变化主要受预热系统及设备热损失的影响。在熔盐充入之后,系统内不同区域的温差逐渐减小,温度趋向于均匀化分布。根据冷盐罐中的熔盐液位降低速度,可以判断循环泵的熔盐充填流量,并结合上述温度变化情况,可对整体系统的熔盐充填情况以及变化趋势进行具体性的分析。


5 典型熔盐充填过程系统参数变化趋势图


(2)熔盐凝固与熔化测试


熔盐技术通过最为引人关注的问题就是:系统管道内以及集热回路波纹管处熔盐的意外凝固及熔化方法。为了了解该问题和寻求具体的解决方法,测试人员对于系统进行了有针对性的熔盐凝固与熔化测试。


下图6为测试人员设计的测试装置示意图,通过短接SCE的方式,测试人员选取了两个集热单元进行实际的测试,测试人员模拟了系统可能出现的工况,在测试单元中注入熔盐并使其凝固,然后利用焦耳效应(电阻加热方式)以及电伴热组件对整体测试单元进行加热,并统计测试单元的温度变化情况,获得的参数变化曲线图如下图7所示;在测试的末尾阶段,熔盐已经熔化且被排入指定的熔盐收集装置中,即测试单元逐渐被排空,因此出现了温度曲线降低的情况。


6 熔盐凝固与熔化测试装置示意图


7 熔盐熔化过程集热单元及阀门的温度变化曲线


在完成包括上述测试在内的一系列系统测试,以及超过10000次的系统稳态循环运行后,阿基米德公司在官方公布的报告中声称该熔盐槽式示范系统的整体效果达到预期,该系统证明了以熔盐作为传热及储热介质的槽式工艺技术路线是可行的,其工艺性能指标优于导热油槽式系统,运行可靠性和稳定性较高。因此,熔盐槽式太阳能光热系统已经具备了工业化乃至商业化的条件。


在该官方报告公布后,在光热领域引起了一定的争议,部分研究人员认为通过改进槽式系统的运行介质,可以提升整体系统的性能参数,从而使得其获得更大的系统能量输出,是一个有效的技术革新;但同时,另一部分研究人员则认为,由于槽式系统整体电站布局较大,管路较长,且熔盐的凝固特性将给整个系统带来较高的不确定性,因此使用熔盐代替导热油作为新型的槽式光热系统传热介质,很可能使得整体系统的初投资变高,系统的运行和维护成本及风险也相应提高,反而将降低系统的经济性指标。


时至今日,熔盐槽式太阳能光热系统仍处于该争议当中,或许,在第一个商业化的熔盐槽式太阳能光热发电站建设并稳定运行之前,这些争议的声音都不会消散。



相关线下活动:


第十届光热发电中国聚焦大会2020(时间待定,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2020(时间待定,阿联酋迪拜)


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