助力光热降本增效,共谋行业绿色未来——《光热发电规模化发展的机遇与挑战》主题报告

发布时间:2024-01-02

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众所周知,我国光热发电从0-1,从1-100,倾尽了许多光热人的心血,经历了国家光热示范建设与运行,经过几年爬坡过坎,2023年3月,国家能源局发布《关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》明确,力争“十四五”期间,全国光热发电每年新增开工规模达到300万千瓦左右。截止目前,光热总装机量仅为0.588GW,所以2023~2025三年间装机量要达到14.5GW左右。光热发电迎来了规模化发展的机遇,同时也带来新的挑战。

 

 

 

 

 

首航高科董事长黄文博作为国家太阳能光热产业技术创新战略联盟常务副理事长受邀出席2023中国太阳能热发电大会,并在大会中就《光热发电规模化发展的机遇与挑战》这一主题,从宏观到微观角度,分析太阳岛、储能岛、发电岛全生命周期,进行技术创新高效复制降本增效等方面的挑战。报告部分内容如下:

 

一、光热发电规模化发展的重要意义

1.调峰、储能双重功能

不但是清洁能源,还兼具调峰电源和储能的双重功能

2.支撑、调节新能源

可以实现用新能源调节、支撑新能源

3.调峰能力、转动惯量

可以为电力系统提供更好的长周期调峰能力和转动惯量

4.基础性电源

具备在部分区域作为调峰和基础性电源的潜力

5.替代传统能源

是新能源安全可靠替代传统能源的有效手段

6.能源体系有效支撑

是加快规划建设新型能源体系的有效支撑

 

二、光热发电规模化发展的机遇

光热发电规模化发展可以消化、提升(特种玻璃、钢材、水泥、熔盐、热电发电装备等)传统产业,还可以带动新材料(吸热器材料、吸热器涂料、热防护材料,定日镜背板材料、定日镜支架材料等),精密设备(熔盐泵、高精度定日镜减速机、超临界二氧化碳汽轮机、二氧化碳热泵)、智能控制(聚光系统、吸热系统、储热系统、热泵系统、换热系统的控制)等新兴产业的发展;光热发电规模化发展将成为我国新能源产业新的增长点。

 

 

三、光热发电规模化发展的挑战

1.技术创新

从宏观到微观角度,分析太阳岛、储能岛、发电岛全生命周期,进行技术创新、高效复制、降本增效等方面的挑战。

 

 

(1)优质光热场址

“天时不如地利,地利不如人和” ,光热发电不但需要规模化发展的政策时机,还需要优质的光照条件的地理气候环境,更需要有成熟实战经验的技术人才与运维团队。

从这张DNI云彩图中可以看出,在我国,西藏的光热资源优于青海,青海的光热资源优于甘肃,甚至差别达到10%-20%。同样的光热发电建设规模,如果DNI高出10%-20%,不但可以大幅提高发电量,还可以提高机组长周期稳定运行,更好的发挥光热发电调峰的功能,降低光热机组的停机频率,从而降低机组的故障率,进而提高光热电站投资收益率。实践证明,已建成国家光热示范项目,同规模、同品质的太阳岛,建在光热资源较好的区域,其发电量同比大幅提高。可见提前规划布局,预留并优先开发优质光热场址是光热发电降本增效的三个重要条件之一。

 

 

(2)布局

大规模镜场的高效布局—— 多塔两机方案

除了选好优质光热资源的场址之外,在光热发电规模化发展背景下,多塔两机的布局,可以提高光热资源利用率,提高机组运行稳定性,提高调峰灵活性,提高投资收益。目前,有些多塔光热电站方案,吸热塔和汽轮机组是一一对应的,如图,只是单塔单机的简单复制,在电力送出时再进行汇集和调度。

 

 

一种塔机解耦的多塔双机方案,通过共用储热罐和蒸发系统,吸热塔和汽轮机组是解耦的,没有一一对应关系。在某一机组出问题时,吸热器还能正常工作,或者在某一吸热器出问题时,所有机组都能正常运行,该种布置方案能增加系统的可靠性和灵活性,提高了设备可用率,增加了电站的发电量。为防止蒸发器出问题,蒸发器采用多列并联,并且任意一列都能独立运行的布置方案。从技术经济性考虑多塔两机方案更合理。

 

 

 

首航早期在敦煌分成三期进行规划布局,一期是10MW,作为训练机组,二期100MW作为技术实战机组,三期300MW采用三塔两机,是技术提升、降低成本推广机组。

 

三塔两机方案,采用镜场和吸热塔、储能岛和发电岛均为解耦的方式。其中,镜场不止局限服务于一个吸热塔,可以互相进行调用。

 

储能岛也不局限于服务一个吸热塔,两套发电系统采用母管制,可以互相调用任何三汽一包。三汽一包可以调用任何一个储热罐,在任何一个吸热塔检修期间,其周边的定日镜可以为其他吸热塔服务,从而不影响镜场发挥其聚光功能。

 

在任何一个汽轮机检修,还保留一个汽轮机正常发电。特别是两机采用母管制,当电网处于用电低峰时,可以停止一台机组运行,另一台机组可以在10%的负荷运行,相当于总装机负荷的5%进行运行,从而保证了系统处于热态,在用电高峰时,另外一个机组快速启机。迅速实现两个机组100%高负荷运行,从而实现长期宽频快速的调峰。真正实现灵活、高效、稳定的调峰功能。

 

敦煌三期规划图

 

 

高效率储能岛

压缩二氧化碳热泵的新型高温熔盐储能技术

光热发电规模化建设兼具储能功能,能够将过剩光伏或风电加热低温熔盐进行储能。目前,熔盐储能消纳过剩电力,多数用电加热器进行加热,其电到电的转换效率相对较低。采用基于压缩二氧化碳热泵的新型高温熔盐储能技术,利用低谷电及弃风弃光的电,推动超临界二氧化碳热泵加压二氧化碳产生高温来将低温熔盐加热成高温熔盐,从而实现了既能调峰又能高效储能的功能,使储能的成本更低。

 

 

高温二氧化碳熔盐储能系统

二氧化碳热泵高温熔盐储能系统分为超临界二氧化碳热泵加热熔盐过程和熔盐超临界二氧化碳放电过程,这是首航高科十年如一日,先后投入50多亿元,除了致力于太阳岛的技术创新,同时也致力于对储能岛和发电岛的技术创新的持续研究与科研投入的重要方向。力争通过太阳岛、储能岛和发电岛的技术研究与创新,为光热发电规模化发展、提质降本增效,为在新能源日益增多的新型电力系统中发挥更多作用做出努力。基于当前熔盐温度的压缩二氧化碳储能系统,其中纯电-热—电转换效率为65.8%。未来3~10年,熔盐温度进一步提升,使用800℃高温熔盐,结合超临界二氧化碳发电系统,其电-电转换效率高达76.6%,非常具有应用前景。

 

二氧化碳热泵高温熔盐储能系统与光热发电系统组合,具有天然优势,其双系统组合,熔盐—压缩二氧化碳储能电——电转换效率更高,远超当前压缩空气储能。

 

首航二氧化碳熔盐储能方案与其他储能对比

表中列出了首航二氧化碳熔盐储能方案与其他储能对比,从功率范围,占地面积,电电转换效率,冷热电联产,多能互补以及未来效率提升空间等多方面对比,二氧化碳熔盐储能方案都具有非常大的优势。

 

 

2.降本增效

新材料新技术的应用

新材料、新设备国产化的挑战:首航敦煌一期光热电站,不但作为运行人员的训练机,还作为运行策略的试验机,同时还为业界上下游同仁提供国产化设备测试和实战机会,为国产化率做贡献。通过提高国产化率,不但降低成本,还缩短售后服务时间,可以减少电站意外停机时间。如敦煌100MW在天气好的时候,如果意外停机一天将减少200多万元的收入。可见,国产化率和服务效率至关重要。

 

 

吸热器材料及涂料的国产化

由于吸热系统面临频繁的启停及负荷速率变化的要求,风速、云量等方面的变化也要求吸热器有较高的适应性和抗疲劳的性能。首航高科根据吸热器吸热装置工况的要求,与宝钢合作开发了国产镍基合金材料SHBG-2。经过研发团队的不懈努力,攻克了SHBG—2难变形等工艺难关,目前已在首航建设的两个光热电站中成功使用5年和7年;还联合中科院兰州化物所进行了吸热器涂料的研究。这些新材料研究和使用,对光热电站降本增效意义重大。

 

 

 

定日镜背板国产化

首航经过大量调研和实验,经历了定日镜没有背板到有背板的发展过程。实践证明定日镜加背板,其结构强度大幅提高,不仅定日镜面型稳定性大幅提高,而且承受风压能力更强,承受清洗车高压快速清洗能力更强。首航选型的背板不但要求可塑性大,强度高且稳定,还要求其特殊的防腐能力,其表面防腐层采用活泼的防腐材料,当表层因施工或者沙尘等原因刮伤时,这种活泼的材料会移动并保护伤口,实现伤口自愈合功能,防腐能力更强。早期,这种材料国内还没有合格供应商,所以首航敦煌二期采用进口背板材料。通过这几年与国内国内供应商的不断技术交流和反复实验,目前已基本培育出满足技术要求的国内供应商,在不降低定日镜强度的防腐能力下,降低子镜的材料采购周期及生产成本。

 

首航敦煌100MW熔盐塔式光热电站项目镜场

 

183平方米定日镜

 

执行机构及控制元件的国产化

根据定日镜配置需要,我们进行了全球范围内征集合格供应商,后发现该类大载荷、高精度、高效率的执行机构,也是重载机器人关节,技术及其复杂,其技术与价格均被国外市场垄断,我们后与国内相关技术团队沟通交流,进行产品研发与生产,推动了国产化,产品经与国际对比,各方面的性能指标(载荷、精度、摩擦力等)均达到试用标准,从而试用于100MW级的大镜场需要,为100MW及镜场的规模化供应开启了国产化的进程。

 

重载机器人RV减速机

 

减速机生产线

 

3.高效复制

对核心装备(定日镜、吸热器)的智能制造和大规模批量化生产提出了新的要求

随着光热发电的规模化发展,塔式核心装备如定日镜、吸热器等,须跟槽式聚光器一样,产品走向规范化、标准化。进一步提升制造过程的自动化率,提高生产效率和质量,才能满足规模化发展的需求。

 

 

成熟可复制的运行规程—运行人才培养机制

7/5号的DCS实时截屏图

 

这是半天多云天(DNI频繁波动),机组大于62%负荷运行,且熔盐液位依然持续升高并满罐的DCS实时运行画面截屏一:

 

这幅截屏是7/5号的实时截屏,通过这个截屏,可以看到当天属于晴转多云的天气,下午云层比较多,DNI曲线变化比较大,犬牙交错。在这种复杂多变的天气情况下,不仅考验太阳岛的光热效率和硬件适应能力,还考验运行系统的智能化和适应能力,更考验运行人员的熟练程度。通过DNI曲线、运行曲线和熔盐曲线可以看出,在半天的多云导致DNI不但大幅、频繁波动,DNI值也很低的情况下,除了中午12点-1点的DNI极低,机组负荷人为的向下调整(50MW),其它时间段依然在最大安全负荷(62.76MW)稳定运行,且熔盐液位依然持续升高,18点49分熔盐罐满盐,达到最高液位。

 

可见在复杂多变的天气情况下,机组不仅硬件质量过硬、控制系统灵活,而且运行人员经验成熟丰富。

 

7/20号的DCS实时截屏图

 

这是天气很好,只启用50%左右的定日镜时,机组负荷持续在63%,且熔盐液位依然满罐的实时运行画面截屏二:

 

这幅截屏是7/20号的实时截屏,当天DNI值很好,(993),是今年最好天气之一。通过平滑的DNI曲线,可以看出当前云很少。

 

粉色线(定日镜跟踪数量):在上午9点左右镜场的定日镜开始只启用了一半定日镜。一直到下午6点,定日镜投入率平均在50%左右。在只启用50%左右的定日镜时,机组负荷从上一天(绿色线)持续带到63MW(目前机组允许的最大负荷),24小时没有降低负荷。

 

蓝色线:热盐的盐位随着太阳的升起持续上升,在下午7点左右提前一小时储满。

 

综上所述,在天气晴好的情况下,在定日镜只投入50%左右,机组负荷持续高于63%,热盐液位还提前一小时达到最高盐位。从只投入50% 太阳岛就可以持续发电63%负荷,且熔盐液位提前一小时满罐,可见太阳岛硬件和控制系统质量过硬,光热效率远超设计值。

 

7/26-7/29号的DCS实时截屏图

 

从26号-29号的DNI曲线可以看出,日最高值逐日下降,从964、919、800、760,粉色线是定日镜跟踪数量:26、27号投入率50%,28号投入率60%-70%之间,最后一天镜场全部投入运行。但是机组负荷,在前三天DNI下降情况下,保持直线运行,负荷不变(63MW目前机组允许的最大安全负荷),热盐盐位前三天达到满罐。第四天DNI总量非常低的情况下,热盐基本达到高盐位,负荷做了部分调整。

 

说明:在机组天气不段变化的情况下,机组仍可持续高负荷运行。在不同天气的情况下,定日镜投入率从50%-70%之间进行变化,仍可达到最高发电能力,并且边发电边储能的表现优异,说明通过我国组织的国家光热示范电站建设及运维,由带背板的大型定日镜组成的全球最大镜场,耦合全球能流密度最大的吸热器,其组成的太阳岛的硬件质量过硬及其控制系统灵活,其规模和质量达到国际100MW同等机组的领先水平,且运行人员驾驭和运行100MW级机组的经验娴熟,为100MW级光热发电规模化建设和运维奠定坚实基础。

 

对电站运维水平提出了更高的要求

运维水平直接影响发电量,随着规模化发展,对镜场清洗、镜场自动化运行水平、运维人才培养都提出了更高要求。

 

自动化清洗

 

自动化运行

 

光热如何为电网提供灵活调度的挑战

光热电站与电网调度的灵活性是光热规模化发展的重要挑战课题之一。

为了更好的为电网真正实现电站优质及调峰储能的双功能,我们联合中科院、华北电力大学为国家甘肃电力科学院进行了“高比例新能源接入电网光热发电-火电联合调峰优化控制”及“支撑全可再生能源直流外送的光热发电优化配置研究”等课题,研究直流外送情况下,全可再生能源基地运行场景及支撑同步稳定性的光热发电最小容量需求,装机及最优储热容量配置,及研究适应受端负荷特性、送端资源特性和调节能力的特高压直流多场景输电计划优化技术。为光热规模化发展,更好实现调峰和储能做准备。

 

 

四、总结

在国家太阳能热发电示范项目建设和运维推动下,我国光热发电技术水平不断提升,产业配套能力显著增强,在促进光热发电规模化发展,充分发挥光热发电在新能源占比逐渐提高的新型电力系统中的作用,助力加快规划建设新型能源体系,迎来了新的机遇与挑战,我们从宏观到微观角度,充分讨论政策时机、光热资源、人才储备等对太阳岛、储能岛、发电岛全生命周期,进行技术创新、高效复制、降本增效所带来的挑战和实践。在光热规模化发展的初期,成本还相对较高,呼吁重视规划、布局,优先配置优质光热资源给新上光热项目,缓解当前光热成本较高的局面;加强“产学研用”结合,加强联合技术创新,挖掘提质降本增效空间;光热规模化发展,特别是太阳岛投资比重高,要求精度高,工作量大,加强产业链智能化生产线,提高可高效复制,在高效率、高可靠性的基础上提高供应能力、降低成本。好车也要有好司机,好的光热发电硬件和控制系统,加上培养有素运行人员,光热发电才能行稳致远。运维体系建设和运维人员培训是光热高速、大规模发展的根本保障。

 

 

欢迎大家多交流、多创作合作机会,优势互补,共同迎接光热规模化发展的机遇与挑战。