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干货丨西北院分享光热电站储热系统设计和预热化盐注意事项

2019.12.24 来自:西北院韩伟

近日,中电工程西北电力设计院(简称“西北院”)博士韩伟发表了题为“储热系统设计和预热化盐注意事项”的主题演讲,结合西北院作为我国光热发电行业龙头设计院具体参与的光热项目经验,就系统设计及预热化盐等光热电站储热系统核心话题进行分享。

本文为第三届CSP Focus光热发电创新大会现场演讲录音校正稿及演讲稿图示。


大家好,在正式分享我的报告之前想先就此前本次会议探讨的两个话题发表下简单的看法。

 

一个是此前ACWA Power的李总提到的,储热系统对于光热发电来说实际上是一个非常重要的系统。没有真正接触之前可能体会不到,真正投入到储热系统的设计和实际应用中,你可能会发现这是一个非常复杂的系统。


还有一个问题是中控太阳能的金老师也提到了的,是设计周期的问题。刚开始参与设计的几个项目确实进展比较慢,但经过了几个项目的设计工作,西北院相对来说还是有一些经验和储备了,我们设计的鲁能海西光热项目进展就相对来说很快了,相信之后的光热项目周期会缩短很多。一是我们设计能力提高了,二是我们国家光热发电所有的供货方经验也增加了,相信也会有助于整个光热项目设计周期的提速。

我报告的主题是“储热系统设计和预热化盐注意事项”,结合自己的心得体会与大家交流一下。

说到储热系统,上图为SolarReserve此前网上发布的一张系统图,看起来已经比较复杂了,但是这个储热系统里面也就两个罐子四根管道,看起来好像很简单,但实际上我们的储热系统有大量的接口,有各种计算,包括化盐预热,还有各种数值分析,所以相对是很复杂的一个系统。


从计算来讲,首先是熔盐量的计算,这是所有设计的基础。我们要确定整个电站的储热时长,通过储热时长还有罐子的基本初步设计和区域大小,容器内部的容积,最后确定需要的熔盐量大小,然后相应储罐的大小也就确定出来了。


有了储罐的概念设计之后就可以做储罐详细设计、基础设计、附属设备。附属设备包括分配环、混温环、保温结构、管嘴、排盐口、电加热器设计等等。

前面讲到一些都是简单的计算,复杂的计算包括CFD模拟,以及对预热、化盐还有一些运行工况的分析等。但正如之前华北电力设计院的田总(详见:全球光热装机量槽式仍居首位!田增华分享槽式光热发电集成设计技术探讨)也讲到过,光热电站的工况其实非常的复杂,不能像常规做一个罐子一样简简单单地提出最大液位、最小液位,提出一些公式就完了,如果把工况全部都考虑到的话计算量是非常大的。


刚才讲到了接口,储热系统的接口包括熔盐泵的接口、下降管的接口、预热的接口,还有化盐的接口、自身的呼吸口、再循环管道,还有SGS的回液管道和电加热器的接口等等,这些接口的配合量非常大。


塔式光热电站最大优点在于它有储热系统,是一个解耦运行的电站。储热系统连接了前端的聚光集热系统和后端的发电单元,所以它的接口配合工作量非常大,但是它和常规的接口不一样的地方就在于储罐是一个热容器,有很大的热位移和膨胀,这些接口的位移量、偏装量都是要在设计过程中考虑。

下面就我在做设计过程中的一些心得体会和大家交流一下。

首先储罐最低液位的确定。从罐子的最早设计开始就要考虑储罐的最低液位,因为罐子的直径非常大,30多米40多米都有,哪怕只是10毫米的液位差距,也意味着是非常大的熔盐量。现在的熔盐价格也不便宜,所以一点改动都会引起很大的投资变化。

关于最低液位的确定,大家比较容易理解的是有一个泵的限制,泵有个最低液位的要求,那么是不是只把这个满足就行?其实不然。除了泵的最小液位要求以外,我们还应该考虑电加热器的最小液位要求。在储罐化盐的初期,盐是没有没过电加热器的上表面的,此时电加热器是不能启动的。正常运行过程中,储罐的液位应该高于电加热器的上表面,如果把电加热器弄得很高的话需要的最低熔盐液位就会比较高。



除此之外,我们还要考虑熔盐罐的沉降现象。西北院已经设计了NOORIII努奥三期、鲁能海西和哈密三个塔式光热发电项目的储罐基础,三个项目储罐基础结构基本上类似,从现在的运行情况来看,沉降量不是很多。但是这一点还是一定要考虑的,正如我刚刚所讲,储罐设计稍微差一点就会导致熔盐需求的增加,相应成本的增加,所以我们一般设计的都会卡的比较死。一旦忽略了这一点,那么熔盐量就不够了。

 

此外还包括安装误差、平台的沉降等等。刚才讲到泵的最小液位要求,大家一定要注意一点,这个是从储罐底部的上表面算起的。因为在储罐计算的时候,储罐设计方在设计时,储罐底面的参考坐标是按照钢板的中心线来的。而做布置专业的设计人员参考的坐标是从储罐底面钢板的下表面,但是泵的参考坐标是从储罐底面钢板的上表面,所以说这些都是有差别的,在设计过程中一定要充分重视。

刚才讲到了储罐基础设计,这个也是一个重要的环节。现在我们院设计的主要是陶粒土外加底下通风管这种设计结构,当然现在也有新式的。总之在设计储罐基础的时候,一是要考虑强度,因为底下的陶粒土越厚肯定保温效果越好,但是这就意味着它底下的强度可能会越小,所以说这是一个综合的过程,既要保证散热量小,还要保证强度足够。最好是要把罐体和基础做耦合式的分析,因为一旦在这种基础变形的情况下,储罐底部会跟着变形,不做耦合式分析不能真实的反映储罐在这种状况下的运行工况。

说到电加热器,看起来比较简单,有多种形式,常见的还是上图所示的这种套管式的,插入到罐的底部。电加热器首先要注意的是功率,功率选择是最重要的,当然要考虑实际的工况问题。比如化盐初期储罐基础是冷的,有可能我们会面临一种尴尬的局面就是设计的时候是按照储罐正常运行工况时候算热量,加一点余量来设计的。但等到化盐的时候,发现储罐的温度一直在降低,底部散热量非常大,仅仅考虑正常运行工况时候的散热量是不足够的。


电加热器的长度设计和布置设计也很重要。如果长度做长,可能会和中间的设备碰撞;如果做短,可能会导致电加热器的直径非常大,因为我们要保证它得有足够的散热表面,所以这也是一个重要的环节。

除此之外,我们还要对加热元件和壳体的温度做一个规定,温度高肯定功率会大一些,但是温度太高的话传导到储罐之后会导致储罐温度升高。此外还要注意对电加热器的加热性能进行分析。

上文所讲的内容对设计方和储罐的供货方可能更有参考意义,那么对于业主、投资方和EPC方来说,其实要关注的是规范书应该写什么

 

储热系统非常复杂,采购储罐的时候不能像采购常规的储罐一样,还需要考虑很多其它的因素。首先要明确设计范围,除了考虑储罐本体之外,还应考虑附属设备、接口和参数。此外,还要考虑基础是和谁一块做,是由储罐来做连算的分析还是基础的设计方来做连算分析?此外,还包括保温还有各种运行工况有没有提的完善,静水压试验、加工方法,焊接方案这些是不是完备的。一定要把设计范围划分清楚,包括有些计算和CFD模拟,如果在规范书中,设计范围中罐子只包括一个本体,用API650设计一个罐子,拿过来之后我们会发现用CDF模拟之后,有很多工况是不能满足的。

 

还有就是设计边界条件应该和设计范围结合。对于储罐设计来说边界条件是什么?它所处的环境情况如何?预热空气情况适用的空气还是烟气?电加热器用的是套管形式还是小束管形式?还有各种运行工况是不是提得完备,这都是在做规范书的过程中应该注意的一些问题。

刚才讲了那么多,但不是已经全部完善了。有可能发生的情况是,等到罐子非常完备的放置到现场了,负责调试的人员需要知道罐子如何预热,预热参数是多少,设计人员自己提了一套参数给他们。而之后罐子漏了,这时候找到罐子厂家,罐子厂家说这不是我的责任,预热的时候参数我没确认,可能是罐子表面温差太大了,或者罐子温升太快导致的泄露。所以,预热过程中我们要注意空气温度的控制,不是说冷罐需要预热到300多度,我们只需要拿400多度的空气给它加热就行了,实际上它是一个逐渐升温的过程,包括温度的控制,整个罐体的表面温差不能超过多少度,这些都是确保储罐处于一个非常完美的前期启动过程需要注意的事项。

对于化盐系统来说也是一样的,但是它和预热过程不一样的地方是我们还要更多考虑熔盐品质,是不是需要过滤或者排污这些方面的问题。

关于熔盐的品质现在国标里都有具体的产品技术要求,上述图表列出了一类和二类产品技术标准。

上图所示情况为化盐、升温和电加热器运行的过程中,底板受到电加热器的热辐射影响,一些应力损害是一个长期的过程,短时间内可能看不出来。


以上为我的一些心得体会,拿出来与跟大家交流,也希望之后可以继续交流经验,互相学习,共同把光热发电系统设计等做的更加完善更加科学合理。


谢谢大家。


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