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塔式光热电站施工图主要设计啥?且听西北院分解

2018.12.21 来自:CSPFocus光略咨询

西北电力设计院目前已经开展多项太阳能光热电站施工图设计工作,韩伟博士作为专家代表之一,深度参与了我国第一批多能互补项目,海西州多能互补集成优化等项目当中,作为项目热机专业主设人,全程参与项目的可研、初设、施工图设计等工作,积累了丰富的光热工程经验。


此前西北院联合主办CSP Focus光热发电创新大会上,韩伟博士发表了题为塔式光热电站施工图设计配合问题浅淡的主题报告,以下为具体内容分享:


分享的主要内容包括:首先是讲一下施工图设计主要工作,还有塔式光热电站主要设备系统划分情况,重点是下面的主要设备配合及性能指标,以及施工图设计阶段的个人体会。


首先,施工图设计的主要任务。


设计院主要是做系统设计、设备选型、管道及其附属选型计算、布置工作,还有主机、辅机安装,还有大量和设备厂家相互专业之间的配合工作。


第二,塔式光热电站主要设备系统。



为什么要讲这个系统呢,这个和我们设计范围有关系的。因为对塔式光热电站设计来说,可以按照单个设备进行,由设计院总体进行设计,或者把设计工作放到设备厂家让设备厂家做系统的设计。当然各有优缺点,其实对于设计院来说,我们做单个设备,集成之后做系统设计,这个是我们的强项,好处是全程把握整套系统所有的参数。这样的话从一开始就比较统一,整个过程比较容易把控。


如果把系统分给设备厂家来做系统集成,例如蒸汽发生系统,好处是可以把工作拆分开大家一块做,但是缺点是设计院还是要全程参与,把所有的整体参数全部都要统一,还牵扯到中间的很多工作量非常大。


 第三,主要设备配合及性能指标。


按照系统的配合方式,塔式光热电站有一个比较特别的地方,在于镜场和吸热器。镜场和吸热器现在有两种模式,一种是镜场和吸热器单独配合设计。另外一种方式镜场和吸热器整体进行设计。实际上这两种方式我们院在现在施工图过程中,都有接触。用不同的设计范围的划分方式,是跟业主设计的深入度有相关性的。


业主要把控哪些方面,尤其镜场是和吸热器单独设计的话,可以深入到镜场和吸热器中间的配合过程,把握的更深入一些,缺点是稍微有一些复杂;镜场和吸热器按照整体设计,最后由一家进行性能保证,看起来比较简单,缺点是业主不能够深入镜场和吸热器内部配合中,很多参数我们不了解。



对于镜场和吸热器如果采用单独的设计配合过程,牵扯到镜场性能指标,吸热器性能指标和他们整体耦合性能指标的特点。


一般情况下对于我们描述塔式光热电站都是从前往后,先是镜场,然后吸热器,然后再考虑整体。


实际上设计时有它的特点,从塔式光热电站镜场效率计算可以看出,特别是后面的截断损失没有办法进行测量,如果进行性能保证肯定牵扯到整个光热电站光热效率性能保证,如果从镜场效率,再乘以吸热器效率,再得到整体效率,看起来计算比较简单,但在现实中没有办法实现。



设计过程中,镜场会把热流密度分布和相关的参数提供给吸热器厂家进行设计。真正做性能保证的方法可能有三种:


一是正平衡方法,虽然说镜场本身效率没有办法测量出来,但是一般情况下有红外热像仪测量吸热器表面热流密度分布。尽管红外热像仪的精度不是很高,但是可以通过在天气良好情况下多次测量取平均值的方式,即所谓正平衡。但是不知道有没有在工程上应用过,只是看到过这样的理论。


二是反平衡效率理论,首先取吸热器的效率。吸热器效率最主要的是散热损失,将镜场整个关闭掉,仅看吸热器自身的散热损失就能获得吸热器的效率特征。但缺点是吸热器表面的吸收率、发射率没有办法体现出来。


不管是正平衡还是反平衡,都还是有一定的局限性,据我所知,有一些工程的镜场的提供方,他们有一些和吸热器厂家配合经验。例如Solar two电站,取两天光资源条件比较好的情况,分别取两个点,测试50%和100%的工况,进行公式计算,就可以获得相应的吸热器比较精确的效率情况,也是被很多吸热器厂家认可的测试方式。


这种测量方式首先确定吸热器厂家的效率,还要知道全厂性能指标要求,再反推到镜场。就是说,吸热器能够满足自己所有的指标,这些指标包括功率、效率,包括输出的参数,还有阻力特性等情况,在这种情况下由镜场满足最后的整体性能指标,这就是现在常见的一种配合方式。


所有配合中,我们作为设计院,要有能力评估他们的方案,当然我们也有自己的评估软件进行相应的评估,可以实现对定日镜,包括对镜场,还有吸热器的建模。这种建模是比较深层次的建模,和提供方的方案非常类似,可以导入,对其性能进行评价。只有在这种情况下我们才能够对整个方案进行更深入的了解,也会对中间的评价更为客观。




如果不考虑镜场和吸热器单独配合过程,按镜场和吸热器整体设计配合的情况下更关注整个集热单元输出情况,有一些主要的性能指标,当然这些性能指标不仅仅包括聚光集热部分,还包括全场性能指标。


对于蒸汽发生系统一样,我们设计院可以进行整体的全场热平衡计算来确定整套性能参数,这个工作实际上不管是设计院还是供货方来做都必须要完成计算。当然我们有自己的Thermoflex软件可以进行全场性能计算,而且在现在的几个工程当中也都有使用这个工具进行这方面的评估。


蒸汽发生系统的性能指标:



第四,施工图设计主要配合的工作体会。


现在我做的施工图过程中确实遇到了不少问题,自己稍微有一些体会,拿出来跟大家分享一下,可能不一定正确,希望大家多指教。


整个施工过程中,进度是业主非常关注的问题。


设计过程中,首先要把握整个施工图过程的关键点,这些关键点主要是一些设计、施工,或者交货周期比较长的环节。这些环节我列举几个,并不一定全面:


首先是组装车间和定日镜的安装,因为一个塔式光热电站镜场,包括定日镜少说几千,多则几万,工作量必然很大,会贯穿整个塔式光热电站的施工过程。


除此之外熔盐储罐,现在做了几个工程都是储热时长比较长,储热量比较大,储罐非常大,本身储罐是高温、大的容器,本身设计周期就很长。


还有一个问题,我们知道塔式光热电站是一个解耦运行的过程,实际上真正耦合环节就在于储罐,既和前端的吸热器相关,也和后端的SGS相关,所以和前后系统都相关,会导致配合口非常多,是配合量非常困难的一个环节。除此之外吸热塔本身也是设计施工都很困难的部分。


再就是熔盐泵、熔盐阀,看似是一些辅助设备,但是实际上供货周期都很长,也是我们应该关注的点。


再说施工图前期我们应该考虑哪些因素。首先是镜场相关的各个专业之间的提资,因为整个镜场面积非常大,数量又非常多,所以能够尽早提出一些资料的话对于后期设计有很大的好处。对于性能模型输出结果。这个可能有的人不是很理解,为什么一开始要确定这个参数,我后面会讲到,它是关系到设计参数,可以作为一些参考。除此之外还有吸热器主要参数,吸热器本身系统也很复杂,供货周期也很长,而且主要参数和全场热平衡的参数也是相关的。


还有总图设计的一些数据。我们知道总图对于光热电站来说,绝对坐标是非常重要的,一旦发生绝对坐标之间的误差,会对整个电站的性能造成非常大影响。比如说吸热塔绝对标高发生错误,可能整个镜场都需要重新设计,所以它的参数也非常重要。


储罐设计参数,储罐本身包含很多计算,包括容量、大小,上面各个接口的位置和后期的管道布置都是非常相关的,而且本身内部分配环,混温系统也是和系统设计相关。


除此之外全场热平衡,EPC合同中要求的参数,都毋庸置疑是必须要关注的数据。




性能模型的输出结果,这是我自己体会比较特殊的地方。后面的表格实际上是我们用软件算出来的数据结果,数据量很大。这些结果首先可以分析出来各个系统、各个设备的启动次数,还有熔盐储罐里面的温度特征。这些虽然不能直接用来作为我们招标的依据,例如说启动次数如果直接采用性能模型的额计算结果就可能过于理想化,因为性能模型只是用TMY文件,一种典型年来计算出来的次数,但是有一定参考意义。如果我们给各个设备提供的启动次数要求都小于启动次数的话,肯定是不合理的。还有储罐温度分析,整套系统全场热平衡计算下来,冷罐温度是由SGS回盐温度来确定,而熔盐从吸热器出口出来之后进入热罐,会牵扯到一个热罐平均温度问题。如果不通过比较精确的计算软件分析的话,只能通过假设,这样肯定会有很大的偏差。




吸热器参数有很多,首先几何参数、物性参数和镜场设计息息相关。流量功率曲线、阻力曲线,这些又是和熔盐泵设计相关。进口温度、出口温度和储罐设计温度相关。压缩空气、压缩系统的压力、充气时间和压缩空气系统的选型相关。还有运行模式和我们整套系统设计都相关,所以吸热器如果不尽早确定参数,会影响镜场设计、吸热塔设计、熔盐泵设计、熔盐管道设计、压缩空气系统的设计等。


刚才一直提到全场热平衡计算,牵扯到整套系统的参数确定,所以一开始的时候就应该把这一项工作完成,确定全场的设计基准,只有在这种情况下整套系统才是统一的。如果一开始的时候不进行这个工作,可能会导致各个系统在设计的过程中都采用自己的设计参数,最后就会发现系统设计整套参数是不能够匹配的。


比如说一开始不做全场热平衡计算,会导致SGS系统设计的时候提不出来非常有效的输入输出参数。按照常规印象中的参数进行设计的话,最终会导致设计的偏差。






最后讲一下储罐的设计配合,为什么放到最后呢,因为储罐这一块的配合工作量非常大,而且实际上储罐计算远远超过我们的想象。常规的来说,首先储罐计算包括储罐容量计算、储罐几何形状计算,储罐基础的计算,储罐有限元分析,储罐内部CFD模拟,包括对管嘴的设计配合和管道布置的配合,还有底下电加热器的功率选型都是和储罐设计相关。


储罐设计周期非常长,而且本身加工周期也很长,所以这一项工作尽快开展,过程中不断完善,否则会影响到整个项目的进程。


这就是我做施工图到现在的体会,不是很多,欢迎大家多多指点,谢谢!


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)

第四届CSP Focus光热发电中东北非聚焦大会(2019.6.27-28,迪拜)


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