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联苯-联苯醚还是硅油?华北院分享导热油槽式光热发电项目工程设计研究

2018.11.26 来自:CSP Focus 光略咨询

第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)


中电工程华北电力设计院新能源工程事业部项目经理祝芳参与多项太阳能热发电项目设计工作,同时参与多项太阳能热发电项目的标准编写,光热发电项目设计经验丰富。在此前召开的CSP Focus光热发电创新大会上,祝经理发表了题为“导热油槽式太阳能热发电项目工程设计研究”的主题演讲,以下为具体内容分享:


这个题目很大,我今天主要关注点放在导热油系统相关的工程设计上,这是我要讲的几个内容:

一、槽式太阳能热发电技术的简介

二、导热油选择

三、系统优化设计

四、集热场管道布置及选型

五、蒸汽发热系统介绍


一、槽式太阳能热发电技术的简介



从这个图上可以看到,槽式电站分为几个系统,集热系统、储热系统、蒸汽发生系统、和常规发电系统后期设计和施工过程当中我们把导热油系统单独拿出来,便于设计的分界,施工的招标,以及标段划分。


槽式集热器


二、导热油选择


导热油,现在国内外已经建成和正在建的电站当中,绝大部分槽式电站都是联苯-联苯醚作为导热介质,集热温度是在293和393度之间。


还有一种介质是硅油,集热温度是300到425度之间,硅油现在并没有进行大型的商业化运行,但是现在国内有这样的商业电站正在建设过程当中(玉门龙腾50MW槽式光热发电示范项目)。


对于槽式电站来说,其实导热油的投资很大,不光是初投资,对于运维投资也相当大。


以我国气候条件看一下简单两个例子,一个100MW的常规导热油电站,配备10小时储能,导热油用量达到3800吨,综合单价2.5万,导热油初投资9500万,每年按2%到3%的补油率,25年电站全生命周期导热油费用是6000万。


对于50MW硅油的槽式电站,同样配备10小时储能装置,导热油用量是2600吨,综合单价按照4万算,导热油的初始投资1.04亿每年1%到2%的补油费用,全生命周期大概是3900万


这里6000万也好、3900万也好,都是不考虑资金的时间成本,按照现价算,实际上真正运维过程当中这个数字只会更大,而且按照现在的统计来看,不管是联苯-联苯醚还是硅油,价格都是有一个上升。


所以我们在选择导热油的时候,可能就会需要大家去投入更多的精力,因为我们在选择一个传热介质的时候,考虑的不是单单温度,或者说它的高低温性能,其实实际上归根结底我们最终考核的其实还是电站的经济性,就是两个,一个投入,一个产出。简单的来说导热油用量越大投资越高,导热油系统压力越高投资越高,导热油系统金属材料要求越高投资越高,导热油相关辅助系统设置越复杂投资越高,对于产出主要是导热油工作温度决定,工作温度越高整个电站产出就会越高。


对于导热油用量,金属材料以及发电量而言,最关键的是工作温度范围。先来说工作温度,对于联苯-联苯醚工作温度低于400度,这时候整个系统材质选用碳钢就能满足要求,对于硅油来说,工作温度425度,对于系统来说,可能相关的热流体这一部分材质要升一个等级,要用到合金钢。大家可以想象一下槽式电站和塔式不太一样,槽式电站导热油系统尤其是导热管道遍布几公里,当材质发生改变的时候,这一块投资有不小的增加。


再来看产出,跟火电站不太一样,光热电站汽轮机进汽参数由传热介质参数决定,可以优化但是跳不出去,所以说当我们导热油温度,简单举一个例子,硅油回路出口温度是425,汽轮机进口参数412度,联苯联苯醚回路出口温度393,汽轮机入口参数是381度,汽轮机进口参数,尤其是汽轮机进口温度,温度影响主要是影响汽轮机效率,当汽轮机进口参数有所提高的时候,也就是热到电转化效率提高,整个电站光电效率随之提高的。


除了工作温度来说,我们考虑一个温度范围,什么是范围,对于联苯-联苯醚,393到293温差100度,对于硅油温差是300度到425度,是125度,也就是说温度应用的范围多了25%,这个范围主要影响什么,刚才那张图有一个储热系统,储热系统的容量是由我们进行最开始的电站设计的时候已经决定的。但是储备量是由熔盐的温差决定的,熔盐温差取决于导热油温差,换句话说导热油温差越大那么我能利用熔盐温差越高,熔盐的温差越高就意味着,如果说同样储热量,利用温差越多需要的熔盐量越少。大家知道现在熔盐价格也不低,综合单价已经到了5000。所以这一块相当于工作温度范围,同时还会对储热系统的造价有一个影响。


压力等级影响,导热油系统压力等级其实是由导热油的蒸汽压决定的,因为当我们进行工程设计的时候,我们不光要考虑最优的额定工况,同时还要考虑的是极端工况和事故工况,这时候我们就会有一个要求,整个导热油系统压力是绝对不允许出现导热油由液体气化成气体的,这时候意味着整个导热油系统压力必须以蒸汽压作为一个设计基础,在这个基础上加上余量,所以导热油的蒸汽压会直接决定我这个系统压力等级,比如是究竟压力等级是PN25还是PN40,然后大家再去想想长达几公里导热油管道,如果说压力等级一旦跳级的话,管壁厚增加必将会带来成本增加。同样不光是你的管道,所有设备一样要跟着跳,所以蒸气压越高意味着你的导热油系统投资会越来越高。

同时看导热油辅助系统,
导热油辅助系统简单说就是防凝系统、再生系统和年补油量。大家需要最关注的点就是低温特性和高温特性,我们做工程选择时最关注的是凝固点,因为凝固点高低直接决定要不要设置防凝装置。


以硅油为例,推荐工作温度是零下40度到425度,对于零下40度来说我们国家能够建设光热电站的地区,极端温度基本上没有低于零下40度,这时候防凝系统不需要,不需要防凝系统意味着节省初投资,而且节省运维费用,因为运维过程中有人为消耗、电力消耗、设备维护投资,这是一大块投资。


除了凝固点之外还有一个参数是黏度,低温的时候虽然没有达到凝固点,但是如果黏度上升很快,就意味着对于我们在做设备选型的时候又一块出力要求,那么这时候会增加投资,所以这个点也是做低温特性时特别需要关注的一个点。


高温特性最关注的是分解产物,对于联苯-联苯醚高温下分解产物主要是低废物和高废物,低废物进行循环回收,也就是再生系统,高废物只能排除系统之外再进行处理。同时分解产物是什么,又决定了我们每年补油量是多少,所以这个需要我们特别关注的。除了这个之外还需要关注的是析氢量,导热油高温运行时析出氢气,会严重的破坏我们的集热管的真空,一旦集热管真空被破坏之后,那么传热特性会被破坏的很厉害,这时候对设计出现出力下降情况,也就是说导热油的析氢量直接决定了我们整个生命周期里集热管需要更换次数,这时候就会增加投资,所以大家选择导热油一定要着重关注高温特性。


三、系统优化设计



当我们选定了导热油之后,会做一个系统的优化设计,大家现在看到的这个表是我国的一个典型的槽式光热电站优化表,主要是度电成本和集热场规模、储热容量的一张表,这个工作通常可研阶段就完成,主要是用于集热场规模、储热容量和常规岛规模的匹配,优化目标是度电成本最小。


表里可以看出太阳倍数3.4的时候,度电成本可能是最低的,因为工程设计当中首先会考虑到第一个用地有红线,大家用地会有一个限制;第二随着集热场规模增大,现在造价相对比较高,可能给带来投资风险相对比较高,所以工程设计当中往往不会选择最低的点,有可能是会把集热场规模缩小一点,取到次低的点,这个需要在可研过程当中慢慢选择,也要和业主进行沟通。


在我们初设和施工图阶段,首先要做热平衡计算,我们院主要用Thermoflex进行热平衡计算。主要是把主机厂的一些相关设备参数输入进去,同时进行多工况计算。对于槽式来说因为它的发电系统和它的集热系统不能解耦运行,所以这一块我们需要把储能工况和释能工况进行不同的热平衡计算,同时比如额定工况、最大工况以及低负荷工况,都需要进行热平衡计算,所以这个其实也是多种的。



进行热平衡计算过程当中,我们就会有以下几个问题,集热岛、储热岛、常规岛之间的温降和压降怎么选,现在国内没有太多实际经验去做这个事情,现在根据以往在火电上的工程经验,再加上环境条件、设备出力、管道设计来考虑管道压降。通过所有这些最终要做的事情就是优化汽轮机的进汽参数。


在几种技术路线里面槽式电站光热效率相对比较高的,但是缺点在于我的热电效率比较低,因为主要是受导热油的温度影响。所以怎么样去选择好这些点,最终去优化汽轮机进汽参数,提高汽轮机的效率,这是我们这一块当中需要跟厂家不断配合的,这是一个循环往复的过程。


在优化过程当中其实最关键的是两个参数的优化,一个是回油温度,一个冷盐罐温度,回油温度主要是从蒸汽发生系统回来,或者从熔盐系统换热完回来的。冷盐罐的温度为什么重要呢,因为冷盐罐的温度大家都知道换热有一个温度损失,不管用什么换热器都有温度损失,所以你的冷盐温度取多少,会决定你的熔盐量是多少,同时又会决定你的回油温度是多少,同时还会影响的是我们用储热发电这个工况下汽轮机的进汽参数是多少,所以这个值是做热平衡计算的时候,以及优化汽轮机进汽参数的时候,需要和厂家重点讨论的。厂家只能回馈的是这个温度可不可以做,这个压力可不可以做,真正整个热平衡计算的点还是落在设计院身上,所以这是我们的工作,这里是比较复杂也循环往复的过程。


四、集热场管道布置及选型



下面再说一个集热场管道的布置和选型,集热场管道布置对设计院最难的一点不光是长,而且还多,而且有一个压力分配问题。大家可以想一下,比如说好几百条回路,在运行的过程当中最远端有好几公里,最远端容易出现的问题是断流,不可以让你的流体流不到最远端,让最远端是空的,这时候就是集热场管道布置当中最难的一个点。


大家看设计参数,集热场管道设计参数无非是温度和压力,温度主要取决于集热器偏焦温度,压力主要取决于整个流体的蒸汽压。管道材料对于联苯-联苯醚来说不管是冷管还是热管都选择碳钢,对于硅油来说冷管是取用碳钢,热管选用的是合金钢,这主要是从经济性角度考虑的,所以我们选择不同的材质。

至于整个系统设计,管径选取逐级递减方式,主要是控制管内流速是在2到4米每秒之间,原则上分块布置尽量对称,尽量对称的原因就是刚才我说的流量分配。其实
流量分配是整个设计过程当中最难的一部分。



首先我们是采用AFT工况进行计算,大家一定要做的一个事情就是多工况计算,为什么是多工况计算,大家简单想一下,刚才大家看见的那张图太阳倍数是3,我们以这个太阳倍数3举例子,意味着什么,简单说有一个概念,3意味着有2去了储能系统,有1去了常规发电岛系统,这就意味着当你储能系统不运行的时候,仅仅只发电的时候,这时候整个导热油系统的流量是额定流量的1/3,这是满发,是额定的,如果机组低负荷运行呢,按照最低负荷15%来说,这时候再算一下整个管系的流量不到额定流量的5%,这时候意味着你远端的回路有可能出现断流。这个结论也是我们用AFT模拟很多次之后得出的一个结果,断流是在回路入口调节阀不动,开度一样,保持额定工况的情况下出现,所以我们现在做系统设计的时候把回路入口的调节阀全部改成电动,这时候可以避免人多次的去调节,而且电调精度更高一些。

因为现在国内的主要调电方式还是新能源作为不限电,能发多少发多少,这时候可以用手动,因为调节的时候很少。但是有一个问题,
关于光热电站作为调峰电站,我们院现在已经有好几个项目在做多能互补,设置有风电、光伏、光热,光热作为调峰电站运行,所以很多时候要压负荷,也就是低负荷运行时候,那么低负荷运行的话,如果低负荷运行时间很多,但是又没有采用电动门的话,那么远端的调节可能每天会调几次,也很花成本和代价。

最后是
应力计算,应力计算对于我们比较熟悉,我们用CII模型。这是电站的一个典型系统设置,我们把电站依据回路数划成了四块,这个就是AFT的计算模型,所有的元件也都模拟进去了。


我们再来看一下坡度,集热器支架对坡度的要求比较高,一般来说1%或者1.5%,现在也有厂家在开发2%的集热器支架,但是目前还在开发当中,所以对整个场地平整工程量比较大,这样要求我们槽式电站选址的时候一定要选择比较平整的厂址。



我们院设计的这几个工程都是根据厂区的自然地形和地质条件,采取南北分台阶布置,东西向按自然地平的布置方式进行场平,也是为了减少土方量。因为一个回路600米,所以说南北分台阶布置现在基本上三百米一个台阶,但是如果你的场地条件再恶劣一点,或者说你想再减少平整的土方工程量也可以,150米一个台阶,这就是具体工程具体分析了。因为槽式集热器对沉降要求比较高,所以在平整过程当中填土一定要分层夯实。这是我们的总平面布置,中间是动力岛,也可以说是所有的设备都在中间,集热系统在旁边,这里我们相当于分成四个台阶,300米一个。


在施工过程当中,因为一个回路600米,大家可以想象一下基础有多少,所以说可以想象几公里之内是密密麻麻,所以对于槽式的阵列一般是选用桩基础,因为独立基础就需要土方开挖或者回填,所以我们直接选择灌注桩基础,也是土建专业经过优化之后得到的结论。


蒸汽发生系统的设备选型,可以简单想象成蒸汽发生系统就是火电锅炉,其实选择又和火电不太一样。首先看系统容量,设计容量主要是和汽轮机额定出力相匹配,同时满足汽轮机最大计算容量工况,这个是和火电完全不一样的地方,我们只需要满足最大的,不需要去匹配。

系统设置主要是单列和双列,这个争论比较久,我们常看见的双列是相当于系统的可靠性稍微高一些,一旦出现事故,那么至少我的电站还有50%可以出力。那么对于单列系统来说,最大优势首先是系统比较简单,运维比较方便,同时投资会比较少。根据国内一些设备厂家的经验,包括核电的换热器都是按单列设计的,包括设备的品质也是有保证的,所以这一块我们现阶段还是推荐单列布置,但是这个主要也需要后期工程建设过程当中跟业主进行沟通。主要形式就是发夹式和管壳式,换热介质唯一有一点不同,蒸汽发生器不太一样,油要走到管侧去,主要由于工艺要求决定的。



这两张图是典型的蒸汽发生系统的示意图,首先主要看回油温度,主要受汽包压力影响,汽包压力反推回去是汽轮进气压力,回到优化系统方面,是整体优化,所有都需要跟厂家,包括蒸汽发生系统厂家,包括汽轮机厂家做配合工作。最担心回油温度超温,比如以联苯-联苯醚来说,回油温度希望是293度,但是实际工程过程中经常会发现293可能满足不了,当你回油温度如果升高的话,整个会对集热场的面积都会有一定的影响,所以我们能做的就是控制回油温度。


最后是我们院的简单介绍,我们院全称华北电力设计院有限公司,成立于1953年,隶属于能建集团,是综合甲级资质,主要从事业务范围是工程总承包、勘测设计、工程咨询这些方面的服务,现在也在进行创新转型过程,也会涉及非电业务。同时获得国全国电力行业质量效益型先进企业,全国电力行业质量特别奖,同时获得我国勘察设计企业综合实力百强排名前50,被ENR杂志评为世界总承包商225强和中国承包商及工程设计企业双60强。在光热领域方面,2000年初投入这方面研究,在塔式和槽式方面都有一定程度积累,现在正在进行的工程主要是玉门龙腾的第一批的示范项目正在建,同时手里还在做多项前期工作。


相关线下活动:第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)


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