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西北院解密全球最大熔盐塔式光热电站努奥三期设计全过程

2018.11.08 来自:CSP Focus 光略咨询


作为全球最大的塔式熔盐电站,努奥三期NOOR3自开始建站以来吸引全球光热同行目光,西北电力设计院有限公司作为设计单位参与努奥三期全过程。2018年10月20日努奥三期完成了十天的可靠性运行,性能指标优良,为全球范围建设大容量塔式熔盐电站提供宝贵经验和信心。



在此前召开的CSP Focus光热发电创新大会上,中电工程西北电力设计院努奥三期项目的设计总工程师樊涛博士现场发表了题为“摩洛哥努奥三期光热电站的设计经验分享”的专题报告,以下为具体内容分享:


第一,摩洛哥努奥三期光热电站简介


摩洛哥努奥三期项目位于摩洛哥瓦尔扎扎特以北约12公里的太阳能产业园,项目业主是摩洛哥太阳局MASEN和ACWA,根据总体分工,西北电力设计院承担发电单元、BOP以及全厂的土建设计工作



摩洛哥努奥三期项目采用塔式太阳能发电技术,采用熔盐进行储热,发电容量为150MW,全场定日镜7400面,采用HE54型定日镜,该定日镜由54个反射镜面模块组成,每个定日镜为178平米㎡,也是目前商业化应用最大的定日镜。储热容量为2770MWt,可提供汽轮机机组满负荷运行7小时所需要的热量,汽轮发电机容量为150MW。



下面通过这张图给大家介绍一下全厂总平面布置和主要的工艺系统,我们在核心区域的西侧主要布置的是储换热区,核心区的东侧布置发电单元和全厂BOP,吸热塔位于中心


储换热区域布置有一对冷热盐罐、SGS,还有相应熔盐泵组。冷盐罐采用碳钢材质,直径41.3米,高度14米,热盐罐采用不锈钢材质,尺寸大小跟冷盐罐一致。冷盐罐顶部配备有4台33%容量的冷盐泵,以及2台100%容量的调温泵。热盐罐顶部配置有3台50%容量的SGS熔盐循环泵。在冷盐罐和热盐罐底部有8个浸没式的电加热器,防止熔盐低温凝结。


对于SGS我们采用单列式布置,按照单台100%的容量配置。发电单元包括1台150MW容量的汽轮发电机机组和以及相应的辅助设备。汽轮机采用直接空冷,风机冷却单元按照4×6方式布置,共24个冷却单元。


BOP区域包括了工业生活水箱、消防车库、辅机冷却水以及工业废水处理系统。整个区域核心是吸热塔,吸热塔采用的是钢筋混凝土+钢结构的混合结构形式,塔高243米,200米以下采用的是钢筋混凝土结构,200米以上是钢结构。为满足吸热塔内设备布置和检修要求,在吸热塔内部设置有9层钢结构平台。

 

第二,摩洛哥努奥三期光热电站设计经验分享



工程设计是多专业的配合工作,强调的是整体工作质量和各专业间的协调配合效率。在摩洛哥努奥三期项目中,西北电力设计院与西班牙SENER公司通过PDMS三维设计软件Global模块开展了异地协同设计。从协同设计原理来讲西班牙SENER公司是中心,而西北院是卫星。西班牙SENER公司有两个办公地点,一个马德里,一个毕尔巴鄂,我们三地通过PDMS进行数据交换,在设计过程中两家公司共同使用同一套管道等级库和元件库,分别在中国和西班牙开展设计。



接下来,我简单谈一下协同设计中的接口配合问题。本工程工艺专业的设计范围与SENER基本分属在不同的区域,按照工艺设计流程,很多管道需要贯穿双方设计范围,所以在设计分界处有若干管道接口。对于一些冷管道或者管径比较小的工艺管道,如压缩空气和辅机冷却水管道,设计分界点的确定相对简单,这些管道的分界点可以确定在管架上统一的截面位置。应力计算时,在设计分界点上设置一个固定支架就可以解决。对于一些如高压给水、主蒸汽、再热冷段、再热热段等高温管道,尤其是管径比较大的管道,通过在设计分界点设定固定支架会导致固定支架上的扭矩非常大。


经过试算,我们发现应力计算的时候必须把另外一方设计范围内的管道与我们的管道进行联合计算才可以解决这个问题。经与西班牙SENER公司进行协商,设计联合体双方为了最小程度地影响设计进度,决定把各自范围内的管道布置方案和支吊架设计方案提供给对方,应力计算在各自范围内进行联算。如果一方设计边界或模型发生变化及时提供给对方,通过这个机制我们很好的解决了设计接口的配合问题。



下面主要谈一下协同设计中的专业协同问题。本工程是以机务专业为主导,在项目内部实现所有专业协同工作。也就是说不仅仅是机务专业管道和模型进入三维系统,其他专业包括电气、热控、暖通、供水、建筑等专业都需要在PDMS设计环境中建立三维外形实体模型进行协同设计。从而在设计阶段尽可能降低在现场出现设计问题的可能。譬如,碰撞问题在这种模式的协同设计下就可以很好的避免。对于碰撞问题一般出现在管道和设备之间、管道和管道之间、管道和支吊架之间。


举个简单的例子,在塔式光热电站设计中,吸热塔内的电梯布置从塔底贯穿到塔顶,会和多层钢结构平台、管道和桥架发生干涉。虽然电梯位置在设计之初已经固定,但不可避免的出现电梯附着支架与钢结构或者管道发生碰撞,或者电梯附着支架与钢结构电缆桥架发生碰撞。通过多专业协同模型检查在系统中很容易发现碰撞点,并及时把碰撞消除,从而很好的在设计阶段避免此类问题的发生。同时,本项目在设计过程中邀请业主开展了30%、60%、90%的三维模型审查。通过业主的参与,增强了设计承包商与业主之间的沟通,便于及时的根据业主的要求修改模型,避免了在设计后期有较大规模的返工。



下面谈一下小管道精细化布置的问题。对于国内项目来讲,DN50或DN80以下的管道布置,一般是由施工单位现场解决,设计院是不出安装图的。但对于我们摩洛哥努奥项目来说,全部的工艺管道均实现三维设计,下至管径一英寸的工艺管道均在PDMS中进行规划走线,实现了管道的整体布局、精细布置,避免现场临时布置小管道带来的走线不合理,或者返工问题。



我接下来谈一下土建结构设计的特点和难点。本项目土建设计方面,特别是吸热塔土建设计也是本项目的重点和难点之一。塔式光热电站的吸热塔属于高耸建筑的范畴,有一定质量的吸热器布置在塔顶。就拿我们摩洛哥努奥项目来说,塔顶荷重在3000吨左右,这么大质量的吸热器在塔顶,对整个吸热塔抗震性能非常不利。而同时,塔式光热电站的工艺布置对于吸热塔的塔顶位移有着严格的控制要求,这种矛盾就造成了吸热塔设计的难点。本项目设计过程中,西北院针对吸热塔阻尼比进行了2%阻尼水平的气弹模型风洞试验,并在吸热塔内部增加TMD,以增大结构阻尼,减小结构在风荷载作用下的动力相应,确保在一定风荷载下吸热塔安全可靠。另一方面,对于吸热塔圆环式平板基础的内力计算,目前国内外尚没有成熟的理论公式套用,我们也是通过建立ANSYS 等三维计算模型,计算得出基座基底最大应力远小于基底的允许承载力,安全度高。



熔盐泵支架和熔盐罐基础设计也是土建设计的难点之一。对于熔盐泵支架来讲难点在于结构的动力问题分析,我们也是同样的应用有限元软件对熔盐泵支架进行分析,最后计算结果表明,支架计算模型结果满足熔盐泵厂家提出的水平振动速度要求。而熔盐罐基础方面,设计难点在于不仅要考虑熔盐罐基础的强度问题还要考虑温度应力。本项目采用有限元软件对熔盐罐基础的温度场和应力场进行分析,通过多次比较,最终采用陶粒土作为熔盐罐基础的材质。


关于土建结构方面的设计特点和难点,今天下午西北院的土建结构室主任工程师李博士会做专题报告,希望大家进行收听。


第三,西北院海外业务的发展介绍



西北院拥有一支既熟悉国际工程设计标准、规范,又精通国际商务规则和工作流程的工程设计和工程管理团队。截止2017年年底,在建及已经设计、咨询完成的国际工程发电总装机规模达到了4000万kW,我们的项目涉及亚洲、非洲、欧洲、南美洲等23个国家,涉及的海外项目有传统的燃煤、燃油,新能源的光热、光伏、风电、以及变电站项目和线路项目。通过我们多年的海外的发展,我们的工作范围从单纯的设计、咨询已经逐渐走向EPC项目总承包。



下面挑一些典型项目给大家分享。巴基斯坦中电胡布2台66万燃煤电站项目,这是中巴经济走廊重点项目,也是我们公司在海外签署的第一个国际发电总承包项目,这个项目今年年底投产发电。第二个是50MW约旦光伏项目,这是西北院在中东地区的第一个总承包项目。第三个是马来西亚50MW光伏项目,它也是总承包项目,目前正在执行。第四个是500kV巴基斯坦木扎发戈盖提变电站,是我公司第一个国际变电总承包项目。第五个是马尔代夫环网项目,这个项目是我公司今年新签署的总承包电网项目,目前正在执行。


下面我要介绍的是以设计为主的项目。沙特拉比格两台66万燃油电站,这个项目是中国总承包商在中东地区签署单机容量最大的燃油电站。在2014年的时候这个项目获得了国家优质工程金奖。斯里兰卡普塔拉姆3台30万的燃煤电站项目,这是中斯两国最大的经贸合作项目,2011年斯里兰卡将电站图案印刷到了该国流通最大的100卢比新版货币上,凸显这个电站的重要性。阿曼萨拉拉500MW联合循环电站项目,我公司签署第一个海外燃机项目。埃塞俄比亚120MW风电项目,这个项目目前正在执行。


近年来,全球范围内已经掀起了新的光热投资和建设热潮。


西北院国际工程分公司也积极参与,分别在摩洛哥、南非、智利、澳大利亚、迪拜、希腊等地开展了前期或者投标工作。


后续,我们西北院也希望与在座的光热同仁一起合作,去开拓更大国际市场。

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