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西北院赵晓辉详解中国光热发电的技术路线及其适用性

2018.10.30 来自:CSP Focus 光略咨询


西北电力设计院有限公司新能源开发分公司副总经理赵晓辉博士从事光热设计研究10余年,参与编写了塔式和槽式光热电站国家设计规范,参与设计了中控德令哈、摩洛哥努奥等国内外多个知名度和关注度较高的光热工程。

 

在上周召开的CSP Focus光热发电创新大会上,赵博士发表了题为“中国光热发电的技术路线及其适用性”的重要演讲。

 

以下为赵博士的演讲内容及部分演讲稿配图:


感谢大家来西安,为了节省时间,我直接进入正题。今天想跟大家探讨的是“中国光热发电的技术路线及其适用性”。大概分三部分:

第一部分,是从电网侧来比较各种技术路线的特点;

第二部分,主要从光到热的环节比较一下几个典型技术路线的技术指标;

第三部分,主要结合中国典型厂址的边界条件,谈一下技术路线选择时候应该关注的关键要素。

 

第一部分:主要技术路线



最为成熟的槽式导热油带储热电站,集热场加热后的导热油温度不是很高。大概290度导热油进集热场之后经过集热器加热到大概390度,首先优先进入到蒸汽发生器和水换热产生蒸汽,驱动汽轮机发电。当集热场产生的热功率大于汽轮机所需要的功率时候,多余的能量进储换热单元的油盐换热器,存储在熔盐中。熔盐储热的时候冷的熔盐通过低温熔盐泵循环吸热,存储在热盐罐里面,当夜间的时候热熔盐通过高温熔盐泵,在同样一个换热器里面将热量传给导热油,导热油再把热量传输给蒸汽发生器里面的水,以产生蒸汽来发电。

 

充热和放热阶段是同一个可以实现双向换热的油盐换热器,所以为了在一定热量前提下,提供更多的电能,导热油电站是优先倾向于集热场出来的导热油直接去蒸汽发生器换热发电。这是因为,我们知道换热器在工作过程中高温流体传递给另一侧的低温流体,温度有一个损失,比如390度导热油,将热量传递给熔盐,储热的熔盐温度会降低7度,当释放热的过程中,在同一个换热器内高温熔盐再将热量传递给导热油,导热油温度再降低7度,这样会导致汽轮机的水蒸汽参数较额定工况下的参数降低14度,而14度的温度降低,其实总的能量并没有少(我们忽略散热损失,大概1%左右而已),只是能量品位的降低,14度能量降低,意味着大约0.7个百分点热到电的效率降低。



槽式导热油电站热到电效率会因为这一方面因素损失一些。那么槽式熔盐电站较好的解决了上述问题,也就是说能较好的实现集热场和发电单元的解耦运行,而不带来发电量的损失,吸热的时候冷盐吸热,存储在热罐里面,热罐的盐什么时候去发电,可以根据电网侧需求来调度,这就实现了集热和发电比较好的解耦,对电网的适应性较强,且不损失自身的发电收益。当然槽式熔盐电站也衍生出一些其他的问题,我们后面会提到。上面这一槽式熔盐电站的特点和菲涅尔熔盐电站类似。



菲涅尔水工质电站最早的是西班牙的PE1,30MW。这个电站的特性,从电网角度来讲,和光伏电站是相当的。它受天气的影响非常大。这种特性和槽式水工质、塔式水工质比较相似。国内兆阳光热的混凝土储热结合水工质菲涅尔,由于采用大容量储热,因此比较好的解决了集热和发电解耦运行的问题,对电网来说更友好。



塔式熔盐电站和之前提到的槽式熔盐电站从电能输出特性来讲比较优秀,比较灵活适应电网侧需求,而且与槽式导热油电站相比,节省导热油工艺,整个系统比紧凑。因此具有很强的优势。



塔式直接蒸汽发生形式的DSG水工质电站,从电网角度来讲,也是一个比较麻烦的问题,灵活性不是很好,要解决储热的话,西班牙阿本戈公司在Khi Solar one项目用蒸汽蓄热器解决较短容量的蓄热,但是蒸汽蓄热器是高温高压的压力容器,在做大容量的时候,成本上有瓶颈。毕竟水介质存储热量较大时,需要较大的容积。Khi solar one 大概采用了20个蒸汽蓄热器。

 

第二部分:从集热环节的技术特点比较不同技术路线的特征



首先,上一组图横坐标是某一天时刻数,纵坐标是不同技术路线光学效率,左边的图是夏至日曲线,右边的图是冬至日曲线,蓝色是槽式,中间橙色是塔式,黄色是菲涅尔。这组曲线地理位置在北纬36度,跟西安差不多的地方,夏季槽式电站光到热是很关键的步骤,由图可见,槽式具有比较明显的更为优越的光学效率,相应的塔式电站低一些,菲涅尔一天当中随着时间推移效率变化是比较明显的,就是表现为曲线的峰在时间维度比较窄,不像槽式和塔式很快可以达到较高效率,且能维持在较高效率环节较长时间。

 

冬季情况不太一样,北纬36度区域,槽式电站效率在每天中午前后各两三个小时效率会比较低,表现为曲线在这一时段有一个谷;冬季情况下塔式电站效率变化和夏季一样比较平稳,菲涅尔电站就更低了。这些原因主要跟塔式电站的双轴跟踪有关。时间原因这个不展开解释。



每一天不同时刻的变化如刚才所述,那么月度变化是什么趋势呢?把不同形式的光热效率曲线绘制在一张图上,横坐标是每年的12个月,时间维度;纵坐标是光热效率,这里的效率是考虑了实际的DNI的分布特点的。最高的蓝色实线是南北向布置的位于北半球的槽式电站,中间蓝色虚线带空心圆点标记的是东西向布置的槽式电站,目前世界上基本上是南北向布置。

 

图中部六月份位置,从上往下第二根黄色实线带实心圆点标记的是塔式电站,下面两个三角形实心和空心标记是菲涅尔南北布置和东西布置的情况。

 

这组曲线告诉我们一个信息,从全年来讲,槽式电站也是具有较高的光学效率,尤其是体现在6月份前后,光学效率比较高。塔式电站年度光学效率分布比较平稳,总体较槽式电站比较低。请注意这是基于一定纬度的地区,边界条件不同结果可能不同,不能得到普适性结论。

 

有一些地区,由于地形原因或者其他因素把槽式集热器回路东西向布置的时候,年总效率表现较南北向低,实际上这里面有一个DNI的原因,也就是DNI月度分布不同东西布置的电站资源权重后的效率可能会高于南北布置,我们在国内某一地区就遇到类似问题,当然这个很重要的一点,是所采用的典型气象年数据的代表性,是否可以代表后面几年的情况。

 

这就告诉我们,在一定纬度区域,从光学效率环节上讲槽式电站有一定的优势,请记住,和纬度有一定的关系。槽式电站东西向布置和塔式电站效率表现类似,比较平稳,表现这两根线随月度变化没有明显的坡度。



上面这两组曲线是夏季和冬季南北布置和东西布置槽式集热场功率特性,空心圆标记的曲线表明夏季集热场输出功率很快达到额定功率,较为平缓。东西向布置不是很稳定,可能上午十点前比较小,然后上升很快,这个会影响诸如设备选型,比如泵按最高点选,大部分时间又是在低负荷下运行。冬季的时候表现为东西向布置的效率曲线高于南北向布置的情况。



结合全年情况看,三种集热技术,考虑DNI权重之后的特点,蓝色柱状图是槽式电站,黄色是菲涅耳,橙色是塔式。从全年来讲槽式电站具有较优的光学效率的,前提条件很重要,北纬36度的研究对象和既定的典型气象年数据。



考虑DNI权重以后,横坐标是光学效率的均方根RMS累积误差,纵坐标是年光学效率,什么叫DNI权重?比方说我这个是基于一定的实际DNI做的,槽式电站表现为在某一个类型布置,12点前后大约五六个小时时间段效率比较低,当中午12点前后五六个小时时候DNI资源比较好的时候,有效产能(光学效率和DNI的乘积)并不一定比上午高,也就是需要你高效率的高DNI时段恰恰表现为较低的效率。

 

考虑这些因素以后,结合集热场和定日镜的误差,包括跟踪、反射镜面型等,就有上面这组曲线。这组曲线蓝线是槽式的,下降比较陡的是塔式,最下面的是菲涅尔。随着误差的增大,菲涅尔电站的总效率影响比较平缓,槽式次之,塔式最明显。这就告诉我们,塔式电站定日镜的设计效率偏离设计值的时候,可能给你的集热场全年表现带来非常糟糕的影响。也就是说菲涅尔电站的光学性能容错能力比较强,通俗讲技术难度比较低,现在要搞这个集热器开发,可能从菲涅尔入手比较简单。塔式电站属于精致活,主要是定日镜,实际表现如果比较差的时候,可能这个电站就比较糟糕了,也有解救措施,大量增加定日镜,这就要钱了。这个在工程应用中很重要,关键设备都要考虑万一的情况。



三种集热技术,考虑年DNI权重后的平均效率在全球范围内纬度来讲,跟刚才分析一致,横坐标是纬度,纵坐标是年光学效率,对于槽式电站来讲,总体来说随着纬度升高往下降,而北纬36度区域表现为升高,表明DNI是结合实际DNI,它并不是一个纯光学效率,因此结合厂址情况,结论不是绝对的。假如说这个地方一点云都没有,那么这个曲线肯定是直接往下走的,所以这就提醒我们实际中一定要结合实际的DNI等资源情况,这不是年总DNI那么简单,而且最好是若干年做的典型太阳年数据来分析这个项目的经济性,这个很重要。

 

对于塔式电站来讲,相对的受纬度高低影响没有那么明显。菲涅尔电站纬度高了之后,尤其超过40度之后,下降更高。新疆哈密大概44度,在中国我们需要把重点放在目前这几个区域。



这是中国几个典型光热区域纬度情况,最高44度,最低的日喀则、格尔木、青海共和,大概30、36度,这些地方可能用槽式电站收益情况远远好于布置在哈密地区的同样配置的槽式电站。世界上第一个配置大容量储热的槽式电站Andasol,纬度37度和中国德令哈的纬度相近。新月沙丘100MW塔式熔盐电站所处38度,摩洛哥努奥槽式和塔式31度比较低,所以如果仅仅从效率讲建设槽式电站比较好。同一个电站,搬到低纬度地区,收益会很大。请不要忘记我们第一部分提到的各个技术路线对电网调度的适应性。



不同技术路线的特性,刚才谈了前面光到热环节,后面热到电的环节大家都比较清楚。由于普遍采用熔盐作为吸热介质,相比较槽式导热油电站,塔式电站发电单元更容易实现较高的热电转换效率,这是一个典型的朗肯循环的图,温熵图上面这段曲线右上角的点1和1’越高,做功介质平均吸热温度越高,朗肯循环效率越高,这个很简单很成熟。同样的道理,压力越高右边这张图P和P’越高,一样可实现较高的热电效率。



同时槽式和塔式比较,塔式采用熔盐作为吸热储热介质,和槽式导热油不太一样,因此相对于槽式导热油电站工艺流程简化,阀门管路非常简单,易运维。

 

这是典型槽式电站的全厂管道工艺照片。想象一下50兆瓦槽式电站集热管就需要120公里。塔式电站工艺系统,包括发电、水、油盐等系统,布置比较紧凑,主要集中在储换热单元,还有储换热单元和发电单元连接之间的管架,以及吸热塔,这一区域直径范围不过100米左右而已,因此从这个角度来讲塔式电站这一块优越性表现良好。同样的,前面提到槽式熔盐电站,一个50MW的电站,管道太长,运行阶段的防凝成本较高,同时高温熔盐管道一般采用奥氏体不锈钢,这部分投资可能要到上千万元。

 

而且一个槽式熔盐电站,我们计算过其在非吸热时段散热损失,大概占有效集热量的12%。这就很糟糕了。你要是用电伴热维持的话,可能会有很大的厂用电率。当然要是有一款价格合适的低熔点盐,事情就简单很多。同时,槽式熔盐电站,工作时段的热损失,大概占有效集热量的20%,注意这里的基数是有效集热量。这个数据也很可观。不过塔式的吸热器也有12%左右的热损失。塔式的溢出损失也比较大一些。应该说各有特点。我们认识发现问题的目的不是比较个谁好谁坏,是选择一个合适的技术给既定的边界条件。



槽式和塔式都采用熔盐作为储热介质,对于槽式电站温度比较低,假设这根柱子高度代表熔融盐总共储能的能力(低温不是按熔盐凝固点,是按照朗肯循环回热系统决定的,大概290度),红色代表熔融盐储能能力的利用情况,槽式只利用了33%,塔式熔盐电站利用了90%,我们在393度的槽式电站中采用熔盐储盐,并没有把熔盐储能更充分利用。为什么强度熔盐这个问题呢?我们知道国内有一些项目,近年熔盐成本高于前些年广核德令哈项目招标价30%,对100兆瓦的导热油电站来说,这部分成本可能在2个多亿,这就是一个比较致命的投资了。这么贵的东西要充分利用它才能更好地发觉其价值。



塔式电站有什么需要我们特别关注的问题呢,就是在项目选择的时候,我想有两个关键因素需要提醒。一个是抗风能力,因为新疆哈密有一些地区风非常大,塔式电站定日镜误差,包括运行中随着不同的风速,风速越高误差越大,会非常明显的增大,导致性能下降。还有一个问题,大气清洁度问题,比方说这跟实线是5公里的可见度模型和虚线23公里可见度模型,横坐标是定日镜距离吸热器的距离,纵坐标是大气衰减量,比如说100兆瓦的电站,最远的定日镜距离吸热器可能会到2000米,这里比较清洁的大气条件模型下,反射镜到吸热器能量传输过程中,能量损失20%多。更糟糕的情况下是某个厂址某个季节,或者全年空气脏兮兮的,沙尘雾比较多就会更夸张,当然实际中没有这么夸张的清洁度,但是还是很重要的一个因素在选址的时候需要重视。日喀则大气环境和德令哈、敦煌、玉门都不一样,选择的时候也是需要重视。

 

第三部分:结合上面提到的问题,谈一下中国厂址的典型特点



这里有一个云的影响,这是中国典型一个区域的365天统计结果,蓝色是晴天126天,红色是多云114天,可以看出多云天数非常高。并没有统计沙尘,因为大气衰减度目前常规气象观察里面并没有很严格指标,这也是中国做电站长期遇到的困难。

 

同时提醒运行阶段也要重视清洗策略,确保平均清洁度。最早中国光热电站招标的时候,年清洁度都是西班牙人在广核德令哈项目上提供的,大概是97%。后来我们调研认为这个指标在中国是不可能达到的,国内青海某投资方也在青海做过类似试验,证明上述97%指标是不可能存在的。在两年前,我们新疆哈密项目上就确定成90%,90%也是比较高的目标,我们需要结合实际情况看。还要重视运行策略,包括应对云的变化。

 

中国厂址有它的好处,比如天气比较冷,越冷汽轮机效率越高。上面那张PPT右下角,2-3这一过程,就是朗肯循环冷段运行温度,这个温度越低,发电效率也越高。



最后再强调一下风的问题,风大的话集热器设计成本比较高,比如上面这一组曲线,横坐标是风速,纵坐标是风速累积频率结果,两个曲线代表两个厂址。比如这个电站集热器要确保99%的风速下都可以工作,如果是红色间断线代表的厂址,那么这个地区风比较大,会发现集热器抗风要求比较高,可能到15m/s或者更高,这里的风速是10米高的平均风速,跟外国常说的3s阵风的不太一样,这里有个既定的转化关系。而对于蓝色实线代表的厂址,累积概率99%时对应的风大部分情况下都是6m/s以内,集热器前期投资可以控制在比较低的水平。

 

简单一句话,我们在选择技术路线的时候,特别需要关注风的问题,因为这个不仅会影响电站的性能,可能还会影响你的集热场的设备投资。

 

结论



槽式技术具有较好的光学效率,尤其是在低纬度区域。但是下游热到电的各个环节效率降低。

 

塔式技术工艺系统紧凑,可以实现更高的温度,因此热电转化效率高,具有更广阔的技术革新空间。

 

菲涅尔技术的聚光环节对设备精度要求较低,容错能力较强,碟式具有最高的效率,永远对着太阳,几乎没有余弦损失,但较难经济地解决大容量储热技术。

 

我们关注技术指标的同时一定要站在全局光到热、热到电,同时关注运维,更要关注各个系统的投资,因为我们最终目标只有一个就是比较好的电价,比较低的成本电价。中国不同区域有各自特点,中国比较大,不同的厂址选择一定要注重集热技术的特点,更重要的是每一个厂址的特点,风的问题,环境温度问题,沙尘问题,云的问题等等。

 

我今天要说的就是这些,谢谢大家。

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