——兆陽光熱創(chuàng)新性光熱技術(shù)體系系列深度報道之四

　　CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：“既然當(dāng)前主流的光熱發(fā)電技術(shù)的末端都是用水蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電，為何還要用導(dǎo)熱油、熔鹽去傳熱換熱呢？像傳統(tǒng)火電站一樣直接用水不是更簡單嗎？”

　　剛?cè)胄械娜送紩羞@樣一個疑問，這時，已經(jīng)被行業(yè)默認(rèn)的答案會告訴他，直接用水對集熱管和聚光集熱系統(tǒng)的技術(shù)要求過高、穩(wěn)定性不佳、沒有經(jīng)濟(jì)性的儲熱方案……。

　　那么，DSG（直接蒸汽發(fā)生）技術(shù)真的沒有未來了嗎？今天，北京兆陽光熱技術(shù)有限公司（下文簡稱兆陽光熱）總承包建設(shè)的張家口15MW類菲涅耳水工質(zhì)電站用其實際建設(shè)運行成果回答了這一問題。

　　事實上，光熱發(fā)電業(yè)界對DSG技術(shù)有較長時間的研發(fā)和示范，槽式、菲涅耳和塔式技術(shù)領(lǐng)域均建有對應(yīng)技術(shù)體系的DSG電站，其中菲涅耳和塔式DSG電站甚至達(dá)到了單機(jī)百兆瓦級的商業(yè)化規(guī)模。但這并未引領(lǐng)DSG成為主流的光熱發(fā)電技術(shù)。

　　兆陽光熱總工程師李維認(rèn)為，究其原因，DSG技術(shù)有兩方面的本質(zhì)缺陷難以克服：第一，DSG熱傳循環(huán)存在相變，工況遠(yuǎn)比單相工質(zhì)復(fù)雜得多，再加上光照強(qiáng)度和入射角度始終在變，工程設(shè)計中一般選擇相對簡單的直接產(chǎn)生飽和蒸汽方案，如果直接產(chǎn)出過熱蒸汽，輸出穩(wěn)定性通常較差，系統(tǒng)可靠性不高；第二、熱力循環(huán)存在的相變過程使與DSG配套的儲熱設(shè)計較為復(fù)雜，常規(guī)的熔鹽冷、熱罐倒換運行模式會造成熱源品位大幅下降，不具實用性，合適配套的長時間儲熱技術(shù)理論相對缺乏。

　　囿于此，目前，國際上已投運的DSG電站一般僅產(chǎn)出飽和蒸汽，且不設(shè)置長時間的大規(guī)模儲熱系統(tǒng)，需要增加補(bǔ)燃系統(tǒng)或與常規(guī)鍋爐蒸汽體系聯(lián)合運行才可滿足汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性需求，因此發(fā)展空間受到很大制約，未能形成大規(guī)模應(yīng)用。

　　對于常規(guī)的槽式聚光集熱系統(tǒng)，其真空集熱管隨著反射鏡一起轉(zhuǎn)動，若采用水作工質(zhì)，高溫高壓運行的DSG系統(tǒng)很難經(jīng)濟(jì)可靠地解決管路的活動連接問題；更重要的是，槽式聚光集熱系統(tǒng)的吸熱管呈半周加熱狀態(tài)，聚光分布不均勻性十分嚴(yán)重，輻照能流分配不均勻很容易導(dǎo)致吸熱管徑向溫差較大，已有研究表明，吸熱管的受光和背光兩側(cè)吸收的太陽能量比超過60:1，導(dǎo)致吸熱管徑向環(huán)溫差可達(dá)80℃。另外，隨著反射鏡的旋轉(zhuǎn)，受光區(qū)與吸熱管內(nèi)部液相區(qū)不能重合，會進(jìn)一步加劇吸熱管內(nèi)金屬管的彎曲，從而導(dǎo)致真空玻璃管破損，因此，單從這一角度就可判斷，槽式DSG的實際應(yīng)用難以成功。

圖：槽式吸熱管受熱分布示意圖

　　對于菲涅耳DSG技術(shù)而言，一些南北向線性菲涅耳DSG聚光吸熱器較多地采用了多根裸管的布置方案，因鏡場南北軸布置,聚光倍率相對較低，且單根吸熱管直徑較小，環(huán)溫差相對較小，相較槽式真空集熱管的彎曲更少，但簡單的集熱器和裸管結(jié)構(gòu)，使得吸熱管完全暴露于空氣環(huán)境中，吸熱涂層耐受溫度較低、發(fā)射率和熱損相對較大，導(dǎo)致南北軸向線性菲涅耳系統(tǒng)普遍運行在300℃左右的溫度區(qū)間，只能產(chǎn)生飽和蒸汽，聚光集熱效率較低，實用性不佳。

圖：現(xiàn)有的菲涅耳和塔式DSG項目集熱器示意圖

　　對于塔式項目，采用DSG技術(shù)最終產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)可以輕松達(dá)到545℃，但由于聚光倍率很高，吸熱器自身的局部溫度會升高到700-800℃，且徑向僅半周受熱、軸向光強(qiáng)分布差異巨大且不斷快速波動，工況極為惡劣，對材料及涂層的要求很高，可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差。另外，塔式聚光體系對能流分布的勻化控制能力有限，按照類似上圖右邊部分所示的簡單分區(qū)布置預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱管束的方式，在大風(fēng)或多云天氣情況下難以實時控制各分區(qū)的能量分配，極易發(fā)生過熱不足或超溫?zé)龤У那闆r，即使通過各類改進(jìn)性分區(qū)設(shè)計，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定輸出合格參數(shù)的過熱蒸汽的挑戰(zhàn)依然很大。

　　既然DSG技術(shù)體系存在如此多的缺陷和難點，兆陽光熱為何還要長期堅持發(fā)展DSG技術(shù)體系？

　　李維認(rèn)為，新能源不可能長期依賴補(bǔ)貼發(fā)展，當(dāng)前風(fēng)電光伏已接近平價上網(wǎng)，光熱發(fā)電需要在較短時間內(nèi)盡快實現(xiàn)度電成本的大幅下降才可能有機(jī)會進(jìn)入到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，因此，選擇水、混凝土之類來源廣泛、經(jīng)濟(jì)安全的工質(zhì)材料，對于實現(xiàn)光熱發(fā)電平價上網(wǎng)目標(biāo)的意義特別重大，是兆陽光熱研發(fā)體系的長期戰(zhàn)略方向。

　　目前，光熱發(fā)電行業(yè)采用的傳熱工質(zhì)主要分為三種：導(dǎo)熱油、熔鹽和水/蒸汽。其中槽式電站最多采用的導(dǎo)熱油熱傳體系技術(shù)成熟、業(yè)績最多，但存在導(dǎo)熱油價格較高、額定工作點溫度較低、高溫裂解、需要過濾及定期更換、循環(huán)泵及電伴熱功耗大、運行管控要求高等缺點，且存在泄露污染及氣化爆炸的危險。

　　熔鹽熱傳體系作為新一代技術(shù)，具有額定運行溫度高、原料成本相對較低、熱傳熱儲簡單一體化等優(yōu)勢，但存在凝固點較高、保溫防凍能耗太高、具有腐蝕性，對材料性能要求嚴(yán)苛、專用設(shè)備選擇較少且價格高、泄露原因復(fù)雜、維修時間長、設(shè)計使用規(guī)范少、消防安全管理壓力大等諸多問題，且存在實際運行經(jīng)驗較少，安全經(jīng)濟(jì)運行難度較大等不足。

　　總的來看，導(dǎo)熱油、熔鹽作為光熱發(fā)電的傳熱工質(zhì)從技術(shù)層面看無疑是可行的，但也明顯存在安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性差的缺點。此類易燃易爆強(qiáng)氧化材料在運輸、儲存、使用、消納各環(huán)節(jié)都存在安全隱患，運行管理成本只會進(jìn)一步提高而很難降低，工質(zhì)原料及其配套設(shè)施組件的采購成本下降空間也較小，且此類工質(zhì)體系都需要與后續(xù)汽輪發(fā)電機(jī)組的水/蒸汽工質(zhì)體系進(jìn)行換熱，換熱環(huán)節(jié)較多，效率下降；另外，高性能導(dǎo)熱油的供應(yīng)還要依賴進(jìn)口，難以支持大規(guī)模應(yīng)用；同時，具備這些油鹽類特殊傳熱工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)工程運行管理經(jīng)驗的人員極為稀缺，很難在幾年時間內(nèi)滿足大規(guī)模發(fā)展需要。

　　李維進(jìn)一步從成本角度定量分析稱，在線聚光集熱發(fā)電系統(tǒng)的度電成本構(gòu)成中，與此兩類傳熱工質(zhì)相關(guān)的采購建設(shè)成本通常超過0.2元/kWh，再加上較高的運維管理成本，總體可能超過0.3元/kWh甚至更高，并且下降空間很有限。因此，我們認(rèn)為，該項成本在光熱發(fā)電的試驗示范階段是可以接受的，但如果無法短期內(nèi)大幅度削減成本，則很難發(fā)展到接近平價上網(wǎng)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)推廣階段。

　　而采用水/蒸汽工質(zhì)傳熱體系是一種高度成熟可靠的常規(guī)技術(shù)，其具有高的比熱容、相變焓及低密度，安全環(huán)保且其循環(huán)所需功耗也最低，幾乎被一致認(rèn)同為常規(guī)傳熱系統(tǒng)最優(yōu)的工質(zhì)；另外，水這種原料最為常見、工作溫度高、廉價無污染、安全無毒、運行成本低，系統(tǒng)簡單、所采用的閥門、儀表等零部件與常規(guī)火電站相同，有成熟的設(shè)計、施工、驗收及運行規(guī)范規(guī)程可以借鑒，水工質(zhì)系統(tǒng)運行維護(hù)經(jīng)驗豐富的人員數(shù)量眾多等優(yōu)點。

　　由此來看，如果能夠克服水工質(zhì)系統(tǒng)存在的固有缺陷和難點，其發(fā)展?jié)摿Σ豢上蘖俊?/div>

　　兆陽光熱如何突破DSG技術(shù)體系？

　　▌高達(dá)200倍的聚光倍率：HLIACS聚光集熱系統(tǒng)不但能夠充分利用較低的DNI輻照資源，還可以在較大幅度的光照條件變化環(huán)境中，始終保持很高的聚光集熱效率，從而實現(xiàn)大范圍的流量調(diào)節(jié)，較易維持蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，避免輸出溫度壓力隨光照變化快速波動，這有些類似在復(fù)雜路況情況下，大排量汽車操控性更好些安全性更高些的情況。多回路并聯(lián)的實際運行測試表明，即使在復(fù)雜的多云天氣下也可方便地實現(xiàn)輸出參數(shù)基本穩(wěn)定。調(diào)試實踐證明：一般天氣條件下，均可實現(xiàn)13MPa、450℃的蒸汽參數(shù)，并且投入回路越多，系統(tǒng)控制運行越穩(wěn)定。

值得一提的是，水工質(zhì)體系具有樸素安全的基本特點，即使特殊情況下個別回路的輸出參數(shù)出現(xiàn)較大幅度地升高（例如大幅超溫100℃或壓力急劇上升等等），其也有充足的反應(yīng)調(diào)整時間，水工質(zhì)不存在過熱分解的不良后果；同時，目前DSG系統(tǒng)的設(shè)計溫度點遠(yuǎn)低于常規(guī)火電的運行溫度，材料及設(shè)備設(shè)計冗余量充足，不易損壞；單個回路的超溫過熱蒸汽匯入主蒸汽管道后會迅速稀釋降溫，對整體輸出參數(shù)影響極小；多回路并聯(lián)運行時，能相互抵消參數(shù)波動，有利于實現(xiàn)在多云等復(fù)雜光照條件下的穩(wěn)定輸出；超壓對空釋放安全、清潔，幾乎無經(jīng)濟(jì)損失等等，系統(tǒng)管控相對簡單安全，易于掌握。

但如果采用導(dǎo)熱油或熔鹽傳熱工質(zhì)，情況會有很大不同，因這些工質(zhì)材料耐溫有限，基本都已工作在接近上限許用的溫度點，允許的溫度波動范圍很小，稍不留意就會過溫分解，即使已經(jīng)對各回路的一致性進(jìn)行了精細(xì)調(diào)節(jié)，在稍微特殊的環(huán)境條件下或者運行操作稍有偏差時，仍難避免出現(xiàn)波動過溫問題，對運行管控水平要求很高，一般認(rèn)為過溫分解現(xiàn)象難以完全避免，對傳熱工質(zhì)的使用壽命以及度電成本影響很大；特別是特殊情況下的緊急排放更是極易發(fā)生汽化爆燃危險或造成環(huán)境污染問題，隱患很大。

▌接收器位置固定：管路伸縮膨脹補(bǔ)償輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單成熟，同時方便進(jìn)行各類機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以減弱振動、輔助自由伸縮、控制真空集熱管彎曲度等，保證集熱系統(tǒng)的長期可靠運行。

▌CPC二次高倍聚光設(shè)計，能夠顯著改善吸熱管圓周能流分布均勻性、降低環(huán)溫差，再進(jìn)一步配合內(nèi)部均溫設(shè)計，可大幅改善真空集熱管工作狀態(tài)，增強(qiáng)換熱效果。

▌線性聚光集熱體系的能流密度在長度方向上分布均勻，除特殊的情況外，完全可以按照預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱各段的焓增量數(shù)值設(shè)計相同比例的功能段長度，而不需對聚光狀態(tài)動態(tài)調(diào)整，通常各種光照條件下都能維持預(yù)熱蒸發(fā)焓與過熱焓值的基本穩(wěn)定比例關(guān)系，天然簡單可靠，從原理上基本避免了過熱度不足或超溫?fù)p毀的情況；并且，兆陽光熱DSG體系還對預(yù)熱蒸發(fā)兩段進(jìn)行了優(yōu)化合并設(shè)計，進(jìn)一步降低成本、提高可靠性。

▌預(yù)熱蒸發(fā)段設(shè)置汽水分離裝置，維持較多的預(yù)熱蒸發(fā)段循環(huán)水量，通過特殊的管內(nèi)結(jié)構(gòu)保證蒸發(fā)換熱狀態(tài)穩(wěn)定及管溫穩(wěn)定，有效避免了振動水錘和材料疲勞破壞現(xiàn)象，確保器件結(jié)構(gòu)長期安全。再加上HLIACS聚光集熱系統(tǒng)的單個回路對應(yīng)鏡場面積超過一萬平方米，汽水分離裝置及配套管路閥門經(jīng)濟(jì)成熟、管理簡單，此項設(shè)計的攤銷成本很低，經(jīng)多回路各種光照氣候條件下長期實際運行證明，該設(shè)計經(jīng)濟(jì)耐用、運行安全可靠。

圖：集熱系統(tǒng)中設(shè)置的汽水分離裝置

▌過熱段增強(qiáng)換熱及均溫設(shè)計：針對入口干度穩(wěn)定的飽和蒸汽，在過熱段設(shè)計了增強(qiáng)換熱及徑向均溫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效降低壓降、保障過熱段的換熱效果和器件安全，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)輸出合格過熱蒸汽的目標(biāo)。

▌大規(guī)模混凝土固態(tài)儲熱系統(tǒng)，進(jìn)一步平滑穩(wěn)定蒸汽參數(shù)。鏡場聚光集熱產(chǎn)生的蒸汽既可以在晴朗天氣時段，由旁路分出部分汽量直推汽輪機(jī)，也可以把較復(fù)雜光照時段或參數(shù)不夠穩(wěn)定的蒸汽全部送往大規(guī)?；炷凉虘B(tài)儲熱系統(tǒng)進(jìn)行分類儲存，汽輪機(jī)則可以由儲熱系統(tǒng)輸出單元產(chǎn)生的參數(shù)穩(wěn)定的蒸汽進(jìn)行推動，這是實現(xiàn)充分利用各類光照資源、確保持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電輸出的系統(tǒng)性關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

▌系列實用化專利設(shè)計，進(jìn)一步保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行。為了保證DSG系統(tǒng)的長期高效運行，HLIACS系統(tǒng)還采取了一系列實用性很強(qiáng)的工程設(shè)計：

?CPC二次反射鏡設(shè)計有散熱降溫結(jié)構(gòu)，確保高倍輻照條件下的常年使用壽命；

?開發(fā)了集熱器CPC二次反射鏡和真空集熱管的自動清掃車，定期擦拭清掃CPC鏡片和真空集熱管玻璃管壁，在無損傷情況下，保證反射透射效率，避免局部過熱損壞；

?真空集熱管非有效接收段的增強(qiáng)防護(hù)及反射利用設(shè)計，保證真空集熱管使用安全并有效提高聚光集熱效率；

?防凍系統(tǒng)和鏡場啟動預(yù)熱系統(tǒng)聯(lián)合節(jié)能設(shè)計，將汽輪機(jī)余熱與鏡場防凍系統(tǒng)的加熱需求相結(jié)合，有效利用低品位能量，顯著降低鏡場防凍系統(tǒng)的伴生電耗；電站啟動及預(yù)熱系統(tǒng)的綜合設(shè)計可以顯著縮短鏡場啟動時間，實現(xiàn)防凍、預(yù)熱和正常運行模式的啟動平滑過渡，大幅減少每日投入啟動時間，提升聚光集熱效率。

兆陽光熱DSG技術(shù)體系是在對國際上既有的DSG光熱電站進(jìn)行深入分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合直流鍋爐熱力系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，利用HLIACS聚光集熱系統(tǒng)的優(yōu)勢，經(jīng)過近十年的研發(fā)、測試，歷經(jīng)小規(guī)模到大規(guī)模的實際驗證，初步形成了較為完善的設(shè)計、制造和安裝調(diào)試體系。從原理驗證、工程完善到運行控制各方面逐項證明了該技術(shù)體系的可靠性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

位于河北省張北縣的15MW光熱發(fā)電項目已經(jīng)證明了兆陽光熱DSG技術(shù)體系的可行性，實際運行測試結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)一致，通過對設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試運行中獲得的各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)分析表明，該DSG體系在安全可靠、簡單實用方面遠(yuǎn)優(yōu)于其它技術(shù)路線，且在大型示范項目中傳熱系統(tǒng)建設(shè)運行成本能夠比傳統(tǒng)傳熱技術(shù)體系下降接近一半，這對于降低建設(shè)運行風(fēng)險、提高投資回報，推動光熱產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健、可持續(xù)大規(guī)模發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

注：關(guān)于DSG技術(shù)發(fā)展的重大技術(shù)障礙：難以配套長時間大規(guī)模的儲熱系統(tǒng)，兆陽光熱通過其獨創(chuàng)的固態(tài)混凝土儲熱系統(tǒng)予以有效解決。對該儲熱技術(shù)的深度報道即將在近期刊出，敬請關(guān)注。