紧跟“双碳”目标,共谋光热未来

发布时间:2024-01-03

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截至2022年底,我国可再生能源发电装机历史性超过了煤电装机,新型能源体系和新型电力系统的建设为光热行业发展带来了新的机遇。国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》明确指出:积极发展太阳能光热发电,推动建立光热发电与光伏发电、风电互补调节的风光热综合可再生能源发电基地。

 

随着可再生能源发电基地的快速推进,太阳能热发电产业在迎来发展新热潮的同时也带来新的挑战。

 

Q:怎样发挥光热电站配备的长周期、大容量、高安全、低成本储热系统的综合优势,更好满足构建新型电力系统的需求?

 

Q:如何在电量市场化交易背景下,挖掘太阳能热发电技术更大的潜在价值?

 

 

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出席会议进行致辞,并在大会中就《塔式光热电站关键技术问题分析》这一主题,先从宏观层面上提出光热电站各系统之间、电站与自然环境之间是个息息相关的有机整体,各环节之间的协调性影响着电站全生命周期的运行效率和投资经济性;然后从微观层面展开分析,结合首航高科100MW熔盐塔式光热电站的运行经验,从技术、施工、运维等方面进行点状深度分析。报告部分内容如下:

 

一、定日镜选型问题的分析

 

 

定日镜是塔式太阳能热发电站的主要投资部分,也是聚光系统的核心设备,其主要作用是将投射至定日镜表面的太阳光反射汇聚到位于塔顶的吸热器表面。

众所周知,对于塔式电站来说,定日镜选型至关重要,其基本要求包括:反射率要高、面型误差要小、跟踪精度要高、抗风能力要强、可批量生产、易于安装维护, 而最终要考核的目标是定日镜全生命周期的经济性。

 

 

1.定日镜的尺寸大小与光斑大小的关系

 

Q:尺寸大的定日镜光斑一定大吗?

 

在定日镜选型的问题上,一直有一种先入为主的观念,说“尺寸大的定日镜光斑会更大”,但其实这是一种认知误区。大尺寸定日镜是由许多面子镜拼接而成,定日镜面积大并不等于光斑尺寸一定大。如图所示,通过子镜拼接角度调整(canting)技术,可以将各个子镜的光斑汇聚到一起,因此在大部分太阳入射是傍轴入射的工况下,定日镜光斑大小主要由单面子镜的大小和光程决定。

 

 

 

 

2.尺寸大小与抗风能力的关系

 

Q:风大的地方一定不适合尺寸大的定日镜吗?

 

 

尺寸大的定日镜整体风载大,尺寸小的定日镜整体风载小,这是正确的。

 

但风载大小不能与抗风能力的强弱混为一谈,抗风能力是由定日镜基础和结构强度决定的。如下图所示,尺寸大、风载大、可以抗风能力强;尺寸小、风载小、也可以抗风能力弱。抗风能力跟尺寸大小没有直接关系,评价定日镜的抗风能力只能通过定日镜的设计工作风速和生存风速评估。

 

 

 

3.尺寸大小与维护成本的关系

 

定日镜面积适当从小变大,减少了定日镜数量,降低了维修维护成本。

 

 

 

4.玻璃薄厚与反射率的分析

 

 

玻璃反射镜厚度从厚变薄,提升反射率

 

从反射率角度考虑,定日镜玻璃越薄越好。目前4mm玻璃反射率仅为93.5%,3mm为94%,2mm可以达到95%,但越薄需要加背板,增加抗风强度;而当前国际上有些熔盐槽式的设计中更有采用0.95mm的加背板镜面,反射率可达到97%。4mm玻璃比3mm玻璃重量增加25%,定日镜钢结构也会相应增加。

 

 

 

5.背板与面型精度和抗风能力关系

 

(1)玻璃反射镜厚度从厚变薄,面型通过刚性背板整体成型,相较于机械支撑点控制,面型精度更高提升反射率

 

(2)提高了镜面刚性,增强了抗风能力

 

两幅图是分析在有无背板的情况下,在16m/s风速,峰值风压下玻璃的变形情况。结果表明,子镜带背板提高了镜面刚性,变形量更小,抗风能力更强。

 

 

 

6.传动机构与跟踪精度关系

 

高精度的传动机构是镜场控制系统的核心组成部分,定日镜驱动传动机构的需要考虑的因素较多,包括传动比、传动精度、传动效率、可维护性、寿命等。大风载、大镜场、环境恶劣的电站,长周期经济性考虑、选用高精度RV减速机,传动效率和精度高,抗载荷冲击能力强,跟踪误差更小。

 

 

7.首航对定日镜技术路线的探索

 

首航高科从2010年至今,先后研制了多种规格的定日镜产品,对各种技术路线进行了探索,在天津光热发电试验基地和敦煌电站现场进行了长期的测试实验。如表所示,这些探索和实验包括:不同定日镜面积、不同定日镜形状、有无背板、不同玻璃厚度、不同传动方式、不同驱动方式、不同编码器等。基于多年定日镜设计、制造经验和各种类型的定日镜实测数据,从全生命周期的经济性好的评价模型出发,选用最优的定日镜方案。

 

 

基于多年定日镜设计、制造经验和各种类型的定日镜实测数据,从全生命周期的经济性好的评价模型出发:小子镜,适当大尺寸的定日镜、薄玻璃、带背板、采用高精度传动是大型光热电站定日镜的较优的方案。

 

 

上图是首航高科在天津和敦煌实验的定日镜的部分照片,这些定日镜经历了5-10年不等的实验测试,很明确地说,对定日镜技术路线的探索,首航高科,一直在路上… …

 

二、吸热器设计选型和变形分析

 

1.吸热器热工水力设计

 

吸热器的设计很重要的一部分是热工水力的计算,采用CFD方法可以计算吸热器内部流体的流动特性,为泵选型做依据。可以在此基础上得到吸热器和熔盐的温度分布。

 

 

2.吸热器管径大小、管壁厚薄的选型优化

 

吸热器管径大小、管壁厚薄都是一个综合优化的过程,需同时考虑管内外壁温、热应力、机械应力、吸热效率、熔盐泵功耗、熔盐腐蚀等因素,优化得到最优的管径和壁厚。

 

 

三、储换热系统熔盐罐:如何规避熔盐罐泄露

 

1.设计需考虑的主要问题

 

热膨胀、基础隔热、防冻、泄漏检测等。在设计时可以采用有限元技术和三维仿真相结合的手段。

 

 

2.储罐基础需考虑的问题

 

需要考虑陶粒直径选配,在陶粒中可以加填不锈钢丝网增加可靠性,以防止30年中不同粒径陶粒的分离;同时工程上可以论证下一代国产高温大板解决陶粒施工存在的问题的可行性。

 

 

3.制造和检测工艺

 

为了保证储罐质量,需要有完善的制造工艺,需要有全过程的详细的说明文件和控制程序。而焊接质量检测是需要考虑的最重要因素之一,储罐焊缝需进行100%的无损探伤。

 

 

4.高地下水位熔盐储罐基础设计

 

目前国内有些项目存在高地下水位的情况,对于这种情况,我们提出了高地下水位熔盐储罐基础设计的初步方案,如图所示,可以有效解决储罐基础设计防水的技术难题。

 

 

四、塔式电站不同工况的运行曲线

 

1.塔式电站多云工况的运行曲线

 

 

在多云天气下,DNI波动频繁幅度较大,需要镜场和吸热器紧密配合,深度调整;同时根据盐位随时调整汽轮机负荷,晚间机组在高负荷运行,进行电网调峰。

 

2.塔式电站大风工况的运行曲线

 

 

大风天气,镜场仍能最大效率运行,在机组全天高负荷运行下,下午15点热盐罐达到最高液位,可见镜场在大风背景下出力还有很大富余量,在熔盐满罐时撤离50%的定日镜,说明大面积定日镜的设计结构合理,抗风能力强,在大风环境下运行稳定,聚光能力在设计大风风速范围内表现良好。

 

3.多云大风沙尘工况的运行曲线

 

 

多云大风沙尘天气,DNI产生剧烈波动,通过天空相机预判云层变化对DNI的影响,不但自动调整冷盐泵流量,还要根据红外显示温度控制镜场投入数量,防止吸热屏温度变化过快,从而保证出口温度平稳,在安全的前提下最大限度收集太阳能,发电机组保持低负荷连续运行。

 

4.敦煌首航光热电站下塔后沙尘及沙尘后阴转晴上塔运维情况图

 

 

 

应对复杂多变的天气情况,及时调整运行策略,并准确预判第二天天气,汽轮机组在天气好转前并网发电,太阳岛在DNI满足要求后进行集热储热。

 

五、定日镜清洗策略

 

1.定日镜清洗

 

 

在恶劣气象条件下,定日镜的洁净度,是保证光热电站发电效率最关键的一环。采用面积适当大一些的定日镜,单位时间清洗定日镜面积会更大,因为这样相邻定日镜间距大,可采用大型机械化、自动化的清洗系统、效率高。通过雷达测距、压力控制器、高精度传感器,可以适应没有经过人工硬化的镜场道路,自动调整刷架刷头,进行高质量快速清洗。

 

如图为首航自研的智能清洗车。

 

 

2.解决冬季结霜问题

 

目前一辆车清洗115平方米的定日镜的平均时间为50秒左右,6辆清洗车2.5天~4.5天即可对全镜场的定日镜清洗一遍,最大限度的保证了反射镜的洁净度。同时,采用中控室与洗镜车联动控制定日镜:清洗车清洗到哪一区域,控制系统自动将该区域的定日镜由运行转为清洗位置,解放了主控室镜场操作人员的强度,保证整个镜场的有效利用定日镜最大化。

 

 

六、熔盐塔式电站运维问题

 

因光热电站的运行受天气的制约较大,由于不同季节,天气有它的差异和共性,经过逐年的运行经验累计,现已总结出一套在减少机组启停次数和保证机组在高效率负荷区间内运行二者兼顾的运行策略。

 

1.冬季

 

冬季冰雪霜较多,会存在镜面结霜的现象,通过调整冬季清洗策略,缩短镜面结霜时间,提高镜场冬季效率。

 

2.春季

 

春季因沙尘天气影响,镜场效率偏低,首先提高镜场清洗效率,其次采取太阳岛运行,盐位到达要求后次日再启动机组,保证机组单次运行周期更长,减少机组启停次数,保障机组设计寿命。

 

3.在夏、秋两季,日照时间较长,空气质量较好,机组采取长周期连续运行的策略。根据不同天气情况下的预测,灵活调整机组出力。

 

次日天气不好

 

在预测第二天天气不好的情况下,确保吸热系统投运之前,热盐液位仍能保证机组运行。

 

次日天气好

 

在预测第二天天气好的情况下,确保吸热系统投运前,热盐液位到达最低液位,减少当日机组满负荷运行情况下的弃光量。

 

4.每天不同时段的运行策略,根据电网电量峰值需求,充分发挥光热电站调峰优势。

 

9:00--18:00

 

在聚光集热系统运行时9:00--18:00对以DNI为主的气候预测,必要时机组在该时段低负荷运行,最终在吸热系统退出运行后,热盐液位达到最高值。

 

18:00--23:30

 

在晚高峰时18:00--23:30在电网用电高峰期,利用储能特性,机组带最大负荷进行电网调峰。

 

23:30--9:00

 

在晚高峰调峰结束后23:30--9:00机组利用夜间环境温度低,机组背压低,发电效率高的优势,使机组运行效益最大化。

 

 

这是2022年6月份其中比较经典的一天,除了汽轮发电系统故障,最高发电负荷只能90%,其他各系统正常,当日发电量达:205万度,全天24小时平均在85MW负荷以上运行,当日15时以后出现热盐罐满持续5小时,说明聚光集热系统光热效率超出设计值,3万吨的储热罐尽管已经是目前全球储热量最大的罐,但还是偏小,发电系统不能小视,如果出现短板会影响整体效率,避免因小失大。

 

 

这是2022年6月份是去年天气最好的一个月,但依然有7个阴天,10个多云天气,在这种的情况下,除了汽轮发电系统故障,最高发电负荷只能90%,其他各系统正常,单日最大发电量207.207万度,最长发电时间10.93天,当月发电量:3376.4701万度。如果发电系统修复,当月发电量会更高;如果选择在气候环境更好的地方建电站,如果选择和敦煌100MW同样的配置,其发电还有很大的发展空间。

 

 

可见,光热电站的厂址气候、聚光系统、吸热系统、储热系统、换热系统、发电系统之间,是互相关联、互相影响,生生不息、对立统一的有机整体,它们之间对光电效率影响此消彼长,对投资收益都息息相关,影响电站的全生命周期,从投资决策到项目设计、从产品采购到设备制作、从项目施工到调试运维,甚至到项目报废,值得光热行业的专家、学者和业界同仁共同探讨和研究!