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南非Redstone塔式光热电站建设进展

2022.08.31 来自:

日前,山东电力建设第三工程有限公司(简称山东电建三公司)光热研究中心副主任宋秀鹏分享了该公司总承包的南非Redstone塔式光热电站的建设进展,并就该公司在光热发电领域的技术积累作了详细介绍。


宋秀鹏表示,经过多年积累,山东电建三公司已打造了完整的光热技术EPCO产业链,可承接聚光场成套技术和产品、设计、采购、施工、调试到运维各环节的项目任务。


截至目前,山东电建三公司已在全球范围内总承包四座光热发电项目,分别是:1、目前在建的南非115MWe的Redstone项目;2、目前在运营的全球单机最大塔式光热机组——摩洛哥150MW Noor3塔式项目(获2020年国家优质工程金奖);2、目前全球在运营单机最大的槽式机组——装机200MW的摩洛哥Noor2槽式项目(获2019年国家优质工程金奖);4、青海海西州格尔木50MWe塔式电站(已投运)。


目前,南非Redstone项目正在积极克服疫情影响加紧建设,整体推进正在按计划进行。截至7月底报告时,项目总体设计已经完成了85%左右,设备采购已完成大约90%的工作。7月1日现场图片显示,该项目光塔已经浇铸到70多米,SGS和盐泵区域的基础开始施工,冷罐和热罐的基础已经完成;镜场方面,组装车间已经完工,已进行了定日镜的组装和调试。


更多精彩内容,请阅读下面刊出的宋秀鹏的演讲全文:


宋秀鹏:各位领导,各位专家,大家上午好!


今天我来分享一下南非Redstone项目的进展情况,同时借此大会的平台,给大家汇报一下山东电建三公司这么多年光热技术的积累情况。


报告主要汇报三个方面:


第一、简单介绍一下山东电建三公司的情况。


山东电力建设第三工程有限公司成立于1985年,是中国电力建设集团全资A级子公司,是以EPCO、EPC等方式承包各类型电站、海水淡化、基础设施等工程建设为主,广泛涉足电力与金融投资、设计咨询、设备制造与租赁、国际物流与贸易、调试运行、休闲旅游等多个领域的综合性建设集团。


公司设有青岛总部和迪拜公司,能够为客户提供从项目可研到融资、勘探、策划、设计、采购、施工、调试、运行维护、检修改造等一揽子解决方案。


目前公司在电站建设领域荣获了10座鲁班奖和7座国有金奖,这也是代表国内工程建设领域的最高荣誉。


目前,山东电建三公司在海外包括中东,南亚,东南亚,欧洲和非洲等将近30个国家从事了多年的电站建设,海外领域大约达到了80%的市场份额。同时,公司目前也是中东非洲电站EPC市场份额最高的公司之一。


在光热领域,我们目前承担总承包的项目有4座,除了目前在建的南非115Mwe的Redstone项目以外,还有目前在运营的最大的塔式光热机组——摩洛哥装机150MW的Noor3塔式项目(获2020年国家优质工程金奖);也包括目前在运营单机最大的槽式的机组——装机200MW的摩洛哥Noor2槽式项目(获2019年国家优质工程金奖);还有国内青海海西州的格尔木50MWe塔式电站目前也是并网发电的状态。同时我们也参与了国家第一批示范项目乌拉特100MW槽式项目的施工。


截止目前,在国内外光热市场我们累计完成咨询、技术方案和投标项目共31项,积累了丰富的项目经验。


通过多年努力,在光热领域我们成功建设了从研发,设计,采购到施工、调试、运维的非常完整的EPCO产业链条。研发方面,我们成立了光热研究中心,目前包括中心和专家工作站有30余人,其中博士14人,还包括多位外籍专家。同时我们有电力行业甲级设计资质,有将近400人的设计团队,近年来也从事了多个光热项目从可研到各个阶段的设计工作。


在调试运维方面,我们也有非常庞大的调试运维团队,目前具备电源调试特级资质,调试运维目前1500多人的专业队伍,在国内外从事了多个光热项目的调试和运维工作。



同时,我们也设置了几个重点实验室,包括镜场控制电子实验室,主要对于镜场产品及技术的技术迭代研发和相关测试等工作。同时在浙大能源清洁利用国家重点实验室,建设了吸/储/换熔盐系统实验平台,主要针对光热电站的光热耦合、吸热器系统、储热系统、SGS系统、熔盐系统紧急工况处理等关键技术问题,进行研究与试验验证,目前已形成一套“塔式光热电站关键问题解决方案”。


光热的体系方面,其实刚才介绍了,在EPCO有比较完整的产业链条。通过这么多年的努力,公司通过工程实践、经验总结、技术研究和引进等方式,对光热系统以及分子系统进行专项研究,已形成了从产品、设计、施工、调试运维的全链条光热技术体系。编制形成了成套的光热电站设计、施工和调试手册合计千余项,积累了丰富的技术、工程和调试运维经验。


专利方面,目前有光热核心(发明)专共计84项,PCT等国际专利26项。


设计方面,拥有成套光热电站设计导则(企标)2项。塔式光热电站设计导则1项,槽式光热电站设计导则1项。分项成果677项。


调试运维方面,拥有成套光热电站调试、运维手册(企标)4项。塔式光热电站调试、运维2项,槽式光热电站调试、运维2项。


简单总结一下,公司打造了完整的光热技术EPCO产业链,通过不懈的努力,积累丰富理论与实践经验,可承接设计、采购、施工、调试到运维各环节的项目任务。


完整技术链条优势:项目执行过程中,E、P、C、O各环节能够紧密衔接,在项目前期提前介入,统筹安排,并进行各环节的经验反馈,形成EPCO的完整闭环,对于工期控制、性能风险把控、机组可靠稳定运行、故障高效处理以及项目的成功投产提供了强有力保障。


二、南非Redstone项目的建设进展


其实南非Redstone项目也是几经周折。该项目早在2014年左右就开始了招投标工作,历经了几年时间,最终在2018年我们成功参与项目投标,并于2019年签订了EPC合同。



目前南非Redstone项目也是南非最大的可再生能源项目,位于北开普省,项目镜场总采光面积105.5万平方米,吸热器热功率600MWth,塔高250米,配置了115MW的汽轮机,储热时长12小时,采用了直接空冷的方式。



电力市场方面,南非电网还是比较脆弱的,不像咱们国内电网这么强大。所以南非在前期也花了大量的时间针对光热电站的电力市场交易情况进行了研究,最终南非Redstone项目分为三个PPA的电价,分为高峰,平峰和低谷时段。高峰时段每天5个小时,电价是基本电价的2.7倍;平峰时段是基本电价,每天大约12个小时;低谷时段没有电价,每天约7小时,这个也是南非电网的现状。


还有一个比较特殊的,国外绝大部分光热项目基本上对净出力都是限死的,Redstone最大净出力便不能超过100MWe。


从这个图上,可以看出来,南非Redstone也是一个比较小的太阳能产业园,有点类似于国内目前风光热基地的情况,但是比例还是比较小的,旁边也先后建设了75MW和96MW两个光伏电站。


刚才提到了PPA的价格,目前南非Redstone所执行的比较特殊电价政策对于光热的运行策略提出了比较高的要求。这个项目所在区域太阳能资源比较优异,DNI可以达到2700kWh/m²/年以上,仅次于南美区域,所以太阳能资源的丰富度还是非常好的,稳定度虽然相对比较好,但还是有比较大的波动性。结合刚才提到的不同的PPA的价格,所以对于光热电站整个运行来讲,包括从设计阶段,需要一个优异的性能模型来为光热项目的运行策略提供技术支撑。


昨天各位专家也提到了,包括启停策略,熔盐罐的容量,降出力的策略等等。右下角的图是我们结合项目特点开发的性能模型,这个性能模型分为两大部分,包括聚光集热系统的性能模型,包括储换热发电系统性能模型,这两个模型集成在一起,可以为光热项目提供一个运行的技术支撑,相信不久的将来国内也会有类似需求。



项目主要有以下里程碑节点:2019年进行EPC合同的签订,因为这个项目投资额比较高,花了将近两年的时间完成了项目的融资;2021年5月份,完成了NTP的签发;按照目前计划,预计今年9月底光塔施工到顶,明年3月份完成汽机安装,明年7月份完成机组的总启动,明年第4季度完成项目的运行。


目前的进度分两方面,第一方面设备采购方面,目前完成了大约90%的工作,推进比较顺利;在设计方面,总图基本已经完成,工艺大约97%,管道52%,土建95%左右,电气81%,热控73%,总体设计已经完成了85%,也是比较顺利的。


因为国外在设计方面批准审查比较严格,所以就这个项目来看,设计方面的进度比较顺利。


以下是现场的一些照片,7月1号光塔已经浇铸到70多米,SGS和盐泵区域的基础开始施工,冷罐和热罐的基础已经完成;镜场方面,组装车间已经完工了,目前进行了定日镜的组装和调试。



总的来讲,南非100MW Redstone项目目前的进度还是比较顺利的,虽然受到了疫情的影响,但是整体进度仍在计划之内。


三、SEPCOIII镜场技术


公司的镜场技术经过多年的技术迭代,目前已经发展到SCS5第五代商业版,具备高可靠性、低成本、高精度等特点。适用于不同型式的吸热器,包括腔式蒸汽吸热器、外置式蒸汽吸热器、外置式熔盐吸热器和大容量单塔熔盐吸热器等。已在印度、澳大利亚、美国等多个项目上成功应用,运行效果良好。



这个是定日镜的简单情况。可能有的朋友第一次见还觉得比较新颖,其实这个定日镜也经历了比较长期的研究。定日镜总的采光面积是2.17平方米,从图上可以看出来,定日镜的支架采用了三角支架,也是充分利用了三角支架的稳定性。定日镜的本体结构非常简单,有点类似于目前的光伏,安装非常简易,同时它的荷载,重量也是比较轻的,在耗钢量上能够节省一半。最重要的优势就是采用了三角支架的结构,不需要混凝土基础。下面有一个简单的安装视频,可以简单看一下。



这个是在澳大利亚的安装视频,三角支架安装非常便捷,安装完之后,下方是自主研发的高精度执行机构——驱动器,无需传感器和倾角仪等设备,可靠性高、免维护。


刚才提到了一个无基础的结构,我们在现场是通过每个支架根部通过两个铆钉来进行加固,完全可以满足现场定日镜的抗倾覆性,同时便捷的安装也可以使定日镜比较容易迁移和增补。


从视频上可以看出,安装非常便捷,两个人完成定日镜的支架安装,对于人工的要求也非常低,不需要高级工种,普通工人就完成了安装,这一点跟光伏组件安装一样,同时根据项目的进度,也可以通过增配人工数量来提高整个镜场的安装速率。


另外镜场在完成安装之后有一个最大的优点,我们有自己的校准系统,校准系统不需要等待光塔的封顶,在安装的过程中可以边安装边调试,可以实现与吸热器比较快速的联合调试,对于工期的缩短也是有一个比较大的帮助。


这个驱动器,我们的驱动器是一个完整的、比较轻盈的成品,一个人可以实现快速的安装,具有几个特点:驱动器不需要搭载高精度的位置传感器,不需要编码器等其他位置传感器,驱动器实现了比较高的可靠性,在全生命周期30年内可以实现免维护。另外结合安装的特点,在现场运行和检修维护过程当中,如果说有故障,也可以实现比较快速的更换,从而提高镜场运行时整体的可利用率。



我们搭配了比较高效的自动化的定日镜组装车间,这个组装有几个特点,在之前澳大利亚项目也实现了比较快速的组装,需要的人工非常少,只需要5个人,两个人上料,两个人下料,中间一个人进行整个自动化控制,这个是简单的介绍视频。工序上来讲是流水作业,包括对于定日镜的支架质量检测,包括定日镜的黏合,包括定日镜的曲率控制等。



目前组装线能够实现24小时自动化作业,一个排班组装速率也是比较高的。


这个是定日镜的曲率控制和镜片的黏合。


另外我们在黏合剂上也是做了比较多的研究,能够实现比较快速的黏合,保证定日镜黏合的效果和全生命周期质量。


同时,每台定日镜出厂都经过了百分之百的光学性能的检测,包括每个定日镜的面形误差,曲率误差,残次品的质量控制等。


另外组装是模块化设计,可以在每个项目就地组装,也可以通过快捷的拆卸和组装来实现运输。


这个是定日镜自动组装线的情况。


另外结合定日镜的特点,我们也进行了高密度的布置,昨天孙大师介绍了,目前光热对于土地的要求还是比较高的,我们的定日镜通过高密度布置,能够实现比较少的占地面积和比较高土地利用率,这个也是对于不同的项目情况,我们有不同的布置策略和方法规则。



对于光学性能和整个镜场的聚光性能来讲,目前我们的跟踪精度能达到1.2mrad,对于整个镜场溢出效率做了比较好的把控。同时,我们结合了比较先进的镜场控制系统和校准系统,能够实现整个镜场的能流的精准控制,同时对于熔盐吸热器能够进行很好的保护;尤其对于吸热器保护方面来讲,可以对能流密度控制,能量输入控制做到很好的把控。


从抗风性来讲,定日镜生存风速能达到49.2m/s,最大运行风速18.8m/s。这主要得益于几方面:首先定日镜面积比较小,高度比较低;同时我们在镜场周围设置了防风墙,在国外运行的项目主要是防风的作用,在国内因为防风墙的孔隙率比较低,对于大的风沙也是有一定的防护作用。


这几张图是我们在定日镜的设计过程中,做的大量CFD分析,吹的风洞实验等,同时在三个项目上得到了现场大风环境下的实际运行的验证,最长已经安全运行了13年左右。


镜场的控制系统是我们的一个非常核心的技术之一,由于定日镜面积较小,每个项目有可能达到几十万面的控制节点,我们在研发过程中也是开发了自己的控制硬件和控制软件;控制硬件方面包括通讯卡,配电卡,包括就地的控制板卡等等来满足大规模控制节点的镜场的实时控制。


控制系统另外一个优点就是搭载了实时的能流分析和控制功能,这个功能可以实现对于每台定日镜进行精准地控制,同时对于在塔式熔盐镜场对于瞬态工况,包括预热,多云,启停等瞬态工况实现比较精准的控制,来提高整个镜场光热的转化效率。


镜场的控制接口方面,我们也开发了一个通用的数据接口,能够满足不同熔盐吸热器的数据接口,以满足不同厂家的吸热器的通讯和控制要求。


另外,我们也开发了比较先进的性能模型,最初我们开发主要是为了项目的方案的设计和优化,能够实现全厂从镜场到吸热器,塔高,储热容量,汽轮机组的功率,电负荷等优化的设计;通过慢慢地迭代,我们在执行项目过程中得到了很好的应用,通过模型来对执行项目上,包括设备的选型,电负荷以及控制运行逻辑等方面提供了一些技术上的支持和依据,来满足项目的发电性能。右下角是我们在其他已运行项目上做的相关的验证,随机抽取的实时性能模拟和实际运行数据的对比,精度能达到小于1%。


其他的软件方面,为了服务于整个镜场以及工程上各个阶段的应用,我们也开发了大量的软件和工具,目前拥有大约57项软件工具,涵盖了包括刚才介绍的从设计到系统的仿真,包括镜场的模拟,控制等等各个阶段。同时我们也开发了自己的仿真软件,这个仿真软件跟常规意义的仿真软件有点区别,但我们仿真软件可以实现项目百分之百的真实模拟;在每个项目之前,通过仿真软件,对于镜场相关的运行参数,包括控制策略等核心的问题,或者可能预期或未预期的问题进行仿真模拟,开发的主要目的还是想通过仿真软件降低项目的运行风险,同时可以缩短整个光热项目的性能爬坡期。


另外我们也进行了大量的软硬件方面的质量控制,目前按照包括汽车行业标准在内等比较严苛的标准进行了大约一千多项的质量控制,来提高镜场的可靠性,目前也实现了设备百分之百的国产化。


简单做一个小结,目前国内光热项目一般通过总承包、总体设计院以及聚光集热系统、储换热系统和常规发电系统的小EPC来完成项目建设,而山东电建三公司拥有从聚光场成套技术和设备的供应,设计,到储换热和发电系统的集成能力,可以承担整个光热项目的全厂总承包商。


以上是我今天的汇报,谢谢大家!




相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(时间待定,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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