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    DSG光熱發電技術真的沒有未來嗎?答案將因此而改變
    時間:2018-02-08 18:18:27

    ——兆陽光熱創新性光熱技術體系系列深度報道之四


    CSPPLAZA光熱發電網報道:“既然當前主流的光熱發電技術的末端都是用水蒸汽推動汽輪機發電,為何還要用導熱油、熔鹽去傳熱換熱呢?像傳統火電站一樣直接用水不是更簡單嗎?”


    剛入行的人往往都會有這樣一個疑問,這時,已經被行業默認的答案會告訴他,直接用水對集熱管和聚光集熱系統的技術要求過高、穩定性不佳、沒有經濟性的儲熱方案……。


    那么,DSG(直接蒸汽發生)技術真的沒有未來了嗎?今天,北京兆陽光熱技術有限公司(下文簡稱兆陽光熱)總承包建設的張家口15MW類菲涅耳水工質電站用其實際建設運行成果回答了這一問題。


    DSG技術體系的固有缺陷和難點


    事實上,光熱發電業界對DSG技術有較長時間的研發和示范,槽式、菲涅耳和塔式技術領域均建有對應技術體系的DSG電站,其中菲涅耳和塔式DSG電站甚至達到了單機百兆瓦級的商業化規模。但這并未引領DSG成為主流的光熱發電技術。


    兆陽光熱總工程師李維認為,究其原因,DSG技術有兩方面的本質缺陷難以克服:第一,DSG熱傳循環存在相變,工況遠比單相工質復雜得多,再加上光照強度和入射角度始終在變,工程設計中一般選擇相對簡單的直接產生飽和蒸汽方案,如果直接產出過熱蒸汽,輸出穩定性通常較差,系統可靠性不高;第二、熱力循環存在的相變過程使與DSG配套的儲熱設計較為復雜,常規的熔鹽冷、熱罐倒換運行模式會造成熱源品位大幅下降,不具實用性,合適配套的長時間儲熱技術理論相對缺乏。


    囿于此,目前,國際上已投運的DSG電站一般僅產出飽和蒸汽,且不設置長時間的大規模儲熱系統,需要增加補燃系統或與常規鍋爐蒸汽體系聯合運行才可滿足汽輪機發電系統的穩定性和可調節性需求,因此發展空間受到很大制約,未能形成大規模應用。


    對于常規的槽式聚光集熱系統,其真空集熱管隨著反射鏡一起轉動,若采用水作工質,高溫高壓運行的DSG系統很難經濟可靠地解決管路的活動連接問題;更重要的是,槽式聚光集熱系統的吸熱管呈半周加熱狀態,聚光分布不均勻性十分嚴重,輻照能流分配不均勻很容易導致吸熱管徑向溫差較大,已有研究表明,吸熱管的受光和背光兩側吸收的太陽能量比超過60:1,導致吸熱管徑向環溫差可達80℃。另外,隨著反射鏡的旋轉,受光區與吸熱管內部液相區不能重合,會進一步加劇吸熱管內金屬管的彎曲,從而導致真空玻璃管破損,因此,單從這一角度就可判斷,槽式DSG的實際應用難以成功。


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    圖:槽式吸熱管受熱分布示意圖


    對于菲涅耳DSG技術而言,一些南北向線性菲涅耳DSG聚光吸熱器較多地采用了多根裸管的布置方案,因鏡場南北軸布置,聚光倍率相對較低,且單根吸熱管直徑較小,環溫差相對較小,相較槽式真空集熱管的彎曲更少,但簡單的集熱器和裸管結構,使得吸熱管完全暴露于空氣環境中,吸熱涂層耐受溫度較低、發射率和熱損相對較大,導致南北軸向線性菲涅耳系統普遍運行在300℃左右的溫度區間,只能產生飽和蒸汽,聚光集熱效率較低,實用性不佳。


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    圖:現有的菲涅耳和塔式DSG項目集熱器示意圖


    對于塔式項目,采用DSG技術最終產生的蒸汽參數可以輕松達到545℃,但由于聚光倍率很高,吸熱器自身的局部溫度會升高到700-800℃,且徑向僅半周受熱、軸向光強分布差異巨大且不斷快速波動,工況極為惡劣,對材料及涂層的要求很高,可靠性和經濟性較差。另外,塔式聚光體系對能流分布的勻化控制能力有限,按照類似上圖右邊部分所示的簡單分區布置預熱、蒸發、過熱管束的方式,在大風或多云天氣情況下難以實時控制各分區的能量分配,極易發生過熱不足或超溫燒毀的情況,即使通過各類改進性分區設計,實現連續穩定輸出合格參數的過熱蒸汽的挑戰依然很大。


    為何還要研發DSG光熱技術體系?


    既然DSG技術體系存在如此多的缺陷和難點,兆陽光熱為何還要長期堅持發展DSG技術體系?


    李維認為,新能源不可能長期依賴補貼發展,當前風電光伏已接近平價上網,光熱發電需要在較短時間內盡快實現度電成本的大幅下降才可能有機會進入到大規模產業化發展階段,因此,選擇水、混凝土之類來源廣泛、經濟安全的工質材料,對于實現光熱發電平價上網目標的意義特別重大,是兆陽光熱研發體系的長期戰略方向。


    目前,光熱發電行業采用的傳熱工質主要分為三種:導熱油、熔鹽和水/蒸汽。其中槽式電站最多采用的導熱油熱傳體系技術成熟、業績最多,但存在導熱油價格較高、額定工作點溫度較低、高溫裂解、需要過濾及定期更換、循環泵及電伴熱功耗大、運行管控要求高等缺點,且存在泄露污染及氣化爆炸的危險。


    熔鹽熱傳體系作為新一代技術,具有額定運行溫度高、原料成本相對較低、熱傳熱儲簡單一體化等優勢,但存在凝固點較高、保溫防凍能耗太高、具有腐蝕性,對材料性能要求嚴苛、專用設備選擇較少且價格高、泄露原因復雜、維修時間長、設計使用規范少、消防安全管理壓力大等諸多問題,且存在實際運行經驗較少,安全經濟運行難度較大等不足。


    總的來看,導熱油、熔鹽作為光熱發電的傳熱工質從技術層面看無疑是可行的,但也明顯存在安全可靠性和經濟性差的缺點。此類易燃易爆強氧化材料在運輸、儲存、使用、消納各環節都存在安全隱患,運行管理成本只會進一步提高而很難降低,工質原料及其配套設施組件的采購成本下降空間也較小,且此類工質體系都需要與后續汽輪發電機組的水/蒸汽工質體系進行換熱,換熱環節較多,效率下降;另外,高性能導熱油的供應還要依賴進口,難以支持大規模應用;同時,具備這些油鹽類特殊傳熱工質發電系統工程運行管理經驗的人員極為稀缺,很難在幾年時間內滿足大規模發展需要。


    李維進一步從成本角度定量分析稱,在線聚光集熱發電系統的度電成本構成中,與此兩類傳熱工質相關的采購建設成本通常超過0.2元/kWh,再加上較高的運維管理成本,總體可能超過0.3元/kWh甚至更高,并且下降空間很有限。因此,我們認為,該項成本在光熱發電的試驗示范階段是可以接受的,但如果無法短期內大幅度削減成本,則很難發展到接近平價上網的大規模產業推廣階段。


    而采用水/蒸汽工質傳熱體系是一種高度成熟可靠的常規技術,其具有高的比熱容、相變焓及低密度,安全環保且其循環所需功耗也最低,幾乎被一致認同為常規傳熱系統最優的工質;另外,水這種原料最為常見、工作溫度高、廉價無污染、安全無毒、運行成本低,系統簡單、所采用的閥門、儀表等零部件與常規火電站相同,有成熟的設計、施工、驗收及運行規范規程可以借鑒,水工質系統運行維護經驗豐富的人員數量眾多等優點。


    由此來看,如果能夠克服水工質系統存在的固有缺陷和難點,其發展潛力不可限量。


    兆陽光熱如何突破DSG技術體系?


    歷經十余年研發和對多個不同設計方案的回路測試實踐,兆陽光熱依托其獨創的HLIACS聚光集熱體系,逐項解決了傳統DSG體系存在的缺陷問題,證明了兆陽光熱DSG技術的基本可行性,并通過為其配套的大規模混凝土固態儲熱系統進一步保證了整體系統運行的穩定性和靈活性。


    綜合來看,兆陽光熱主要通過以下幾個層面突破了DSG技術體系的缺陷。


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    圖:兆陽光熱DSG技術體系簡要流程圖


    ▌高達200倍的聚光倍率:HLIACS聚光集熱系統不但能夠充分利用較低的DNI輻照資源,還可以在較大幅度的光照條件變化環境中,始終保持很高的聚光集熱效率,從而實現大范圍的流量調節,較易維持蒸汽參數穩定,避免輸出溫度壓力隨光照變化快速波動,這有些類似在復雜路況情況下,大排量汽車操控性更好些安全性更高些的情況。多回路并聯的實際運行測試表明,即使在復雜的多云天氣下也可方便地實現輸出參數基本穩定。調試實踐證明:一般天氣條件下,均可實現13MPa、450℃的蒸汽參數,并且投入回路越多,系統控制運行越穩定。


    值得一提的是,水工質體系具有樸素安全的基本特點,即使特殊情況下個別回路的輸出參數出現較大幅度地升高(例如大幅超溫100℃或壓力急劇上升等等),其也有充足的反應調整時間,水工質不存在過熱分解的不良后果;同時,目前DSG系統的設計溫度點遠低于常規火電的運行溫度,材料及設備設計冗余量充足,不易損壞;單個回路的超溫過熱蒸汽匯入主蒸汽管道后會迅速稀釋降溫,對整體輸出參數影響極小;多回路并聯運行時,能相互抵消參數波動,有利于實現在多云等復雜光照條件下的穩定輸出;超壓對空釋放安全、清潔,幾乎無經濟損失等等,系統管控相對簡單安全,易于掌握。


    但如果采用導熱油或熔鹽傳熱工質,情況會有很大不同,因這些工質材料耐溫有限,基本都已工作在接近上限許用的溫度點,允許的溫度波動范圍很小,稍不留意就會過溫分解,即使已經對各回路的一致性進行了精細調節,在稍微特殊的環境條件下或者運行操作稍有偏差時,仍難避免出現波動過溫問題,對運行管控水平要求很高,一般認為過溫分解現象難以完全避免,對傳熱工質的使用壽命以及度電成本影響很大;特別是特殊情況下的緊急排放更是極易發生汽化爆燃危險或造成環境污染問題,隱患很大。


    ▌接收器位置固定:管路伸縮膨脹補償輸出結構設計簡單成熟,同時方便進行各類機械結構設計,以減弱振動、輔助自由伸縮、控制真空集熱管彎曲度等,保證集熱系統的長期可靠運行。


    ▌CPC二次高倍聚光設計,能夠顯著改善吸熱管圓周能流分布均勻性、降低環溫差,再進一步配合內部均溫設計,可大幅改善真空集熱管工作狀態,增強換熱效果。


    ▌線性聚光集熱體系的能流密度在長度方向上分布均勻,除特殊的情況外,完全可以按照預熱、蒸發、過熱各段的焓增量數值設計相同比例的功能段長度,而不需對聚光狀態動態調整,通常各種光照條件下都能維持預熱蒸發焓與過熱焓值的基本穩定比例關系,天然簡單可靠,從原理上基本避免了過熱度不足或超溫損毀的情況;并且,兆陽光熱DSG體系還對預熱蒸發兩段進行了優化合并設計,進一步降低成本、提高可靠性。


    ▌預熱蒸發段設置汽水分離裝置,維持較多的預熱蒸發段循環水量,通過特殊的管內結構保證蒸發換熱狀態穩定及管溫穩定,有效避免了振動水錘和材料疲勞破壞現象,確保器件結構長期安全。再加上HLIACS聚光集熱系統的單個回路對應鏡場面積超過一萬平方米,汽水分離裝置及配套管路閥門經濟成熟、管理簡單,此項設計的攤銷成本很低,經多回路各種光照氣候條件下長期實際運行證明,該設計經濟耐用、運行安全可靠。


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    圖:集熱系統中設置的汽水分離裝置


    ▌過熱段增強換熱及均溫設計:針對入口干度穩定的飽和蒸汽,在過熱段設計了增強換熱及徑向均溫的內部結構,有效降低壓降、保障過熱段的換熱效果和器件安全,保證系統穩定性,實現輸出合格過熱蒸汽的目標。


    ▌大規模混凝土固態儲熱系統,進一步平滑穩定蒸汽參數。鏡場聚光集熱產生的蒸汽既可以在晴朗天氣時段,由旁路分出部分汽量直推汽輪機,也可以把較復雜光照時段或參數不夠穩定的蒸汽全部送往大規模混凝土固態儲熱系統進行分類儲存,汽輪機則可以由儲熱系統輸出單元產生的參數穩定的蒸汽進行推動,這是實現充分利用各類光照資源、確保持續穩定發電輸出的系統性關鍵環節。


    ▌系列實用化專利設計,進一步保證系統穩定高效運行。為了保證DSG系統的長期高效運行,HLIACS系統還采取了一系列實用性很強的工程設計:


    ?CPC二次反射鏡設計有散熱降溫結構,確保高倍輻照條件下的常年使用壽命;


    ?開發了集熱器CPC二次反射鏡和真空集熱管的自動清掃車,定期擦拭清掃CPC鏡片和真空集熱管玻璃管壁,在無損傷情況下,保證反射透射效率,避免局部過熱損壞;


    ?真空集熱管非有效接收段的增強防護及反射利用設計,保證真空集熱管使用安全并有效提高聚光集熱效率;


    ?防凍系統和鏡場啟動預熱系統聯合節能設計,將汽輪機余熱與鏡場防凍系統的加熱需求相結合,有效利用低品位能量,顯著降低鏡場防凍系統的伴生電耗;電站啟動及預熱系統的綜合設計可以顯著縮短鏡場啟動時間,實現防凍、預熱和正常運行模式的啟動平滑過渡,大幅減少每日投入啟動時間,提升聚光集熱效率。


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    兆陽光熱DSG技術體系是在對國際上既有的DSG光熱電站進行深入分析研究的基礎上,結合直流鍋爐熱力系統的設計經驗,利用HLIACS聚光集熱系統的優勢,經過近十年的研發、測試,歷經小規模到大規模的實際驗證,初步形成了較為完善的設計、制造和安裝調試體系。從原理驗證、工程完善到運行控制各方面逐項證明了該技術體系的可靠性和經濟性優勢。


    位于河北省張北縣的15MW光熱發電項目已經證明了兆陽光熱DSG技術體系的可行性,實際運行測試結果與設計目標一致,通過對設計、建設、調試運行中獲得的各項技術經濟指標數據進行詳細總結分析表明,該DSG體系在安全可靠、簡單實用方面遠優于其它技術路線,且在大型示范項目中傳熱系統建設運行成本能夠比傳統傳熱技術體系下降接近一半,這對于降低建設運行風險、提高投資回報,推動光熱產業穩健、可持續大規模發展具有重要促進作用。


    注:關于DSG技術發展的重大技術障礙:難以配套長時間大規模的儲熱系統,兆陽光熱通過其獨創的固態混凝土儲熱系統予以有效解決。對該儲熱技術的深度報道即將在近期刊出,敬請關注。

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