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對兆陽光熱創(chuàng)新型技術(shù)體系幾項最受關(guān)注問題的深度解析

發(fā)布者：walt | 來源：CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 0評論 | 6037查看 | 2018-06-27 20:13:00

CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：在剛剛結(jié)束的CPC2018年度盛會上，北京兆陽光熱技術(shù)有限公司（簡稱兆陽光熱）的中國原創(chuàng)完整光熱發(fā)電技術(shù)體系斬獲技術(shù)創(chuàng)新大獎，成為與會代表關(guān)注的一大焦點。

大會同期舉辦的兆陽光熱技術(shù)項目交流對接活動取得了豐碩成果，兆陽光熱的東西軸斜面陣列高倍聚光系統(tǒng)、水工質(zhì)過熱蒸汽傳熱系統(tǒng)和固態(tài)混凝土儲熱系統(tǒng)展現(xiàn)出的樸素經(jīng)濟、安全可靠特性獲得了多方的一致認可。

近日，華強兆陽一號光熱電站又順利完成了60小時連續(xù)發(fā)電測試，再次引起行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和熱議。據(jù)了解，目前業(yè)內(nèi)已較普遍地認可并從原理上接受了此類斜面高倍聚光、水工質(zhì)傳熱和固態(tài)儲熱技術(shù)體系，認為其原理簡單易懂、與傳統(tǒng)火電技術(shù)體系兼容度高，可靠性和經(jīng)濟性優(yōu)勢明顯，顯示出很好的大規(guī)模推廣潛力。

但同時，作為一種創(chuàng)新型技術(shù)，該體系的工程技術(shù)細節(jié)和長期運行的可靠性等，也引發(fā)了業(yè)內(nèi)的熱烈討論，業(yè)內(nèi)專業(yè)人士也對其技術(shù)體系提出了一些深層問題，CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)記者據(jù)此總結(jié)提煉出了幾個普遍性的熱點問題，并在第一時間采訪了兆陽光熱總工程師李維。

CSPPLAZA：此次一號電站60h發(fā)電測試的試驗目的有哪些，測試期間的平均發(fā)電負荷是多少，對光熱電站的意義何在？

李維：此次60小時連續(xù)發(fā)電并非刻意進行的創(chuàng)記錄活動，僅僅是一次普通的按計劃測試工作，主要目的包括：

進一步進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，驗證當前消缺成果，以便進一步發(fā)現(xiàn)問題，安排下一步的消缺工作；

根據(jù)汽輪機廠家建議，設定保護參數(shù)并測試汽輪機極限狀態(tài)運行邊界條件，實測評估低功率運行時排汽溫度情況，目前汽輪機低功率下整體運行良好，高低缸溫差和排氣溫度都非常穩(wěn)定；

儲熱塔深度取熱能力評估；

存取熱聯(lián)合運行及切換試驗，存取熱聯(lián)合運行這次因為天氣原因未實現(xiàn)測試（但上次24h連續(xù)取熱時，實現(xiàn)了單座儲熱系統(tǒng)的取熱和相鄰座儲熱系統(tǒng)的鏡場儲熱模式的聯(lián)合測試）；取熱實驗對象為其中的2座，目的為切換平穩(wěn)地進行取熱發(fā)電，取熱實驗過程中按照逐座取熱（此項因天氣原因取消）、聯(lián)合取熱陸續(xù)進行；過程中實現(xiàn)了單座儲熱模塊與另一座中間的切換、兩座聯(lián)合取熱，再到兩座蒸發(fā)段聯(lián)合取熱+單座過熱取熱模式等多種運行模式，儲熱切換和各種運行方式過程中整體非常穩(wěn)定，汽輪機運行穩(wěn)定未出現(xiàn)因為切換模式出現(xiàn)跳機、停機等現(xiàn)象。

由于該電站送出線路尚未建成，目前發(fā)電測試均為離網(wǎng)運行，基于安全考慮發(fā)電功率須控制在1.5MW以下，測試期間的平均發(fā)電功率約為600kW左右。

我們前期已經(jīng)首先對大功率發(fā)電所需的高功率取熱特性進行了專項實驗測試，采用連續(xù)長時間大流量常溫進水、高溫高壓蒸汽直接排放的方式進行，在一個多小時內(nèi)蒸發(fā)排放量超過單座30T/h的水平，獲得了較精確的高功率取放熱能力參數(shù)數(shù)據(jù)，測試結(jié)果與理論設計吻合度很高，已經(jīng)證明在常規(guī)島系統(tǒng)正常的情況下儲熱系統(tǒng)能夠支持汽輪機滿功率發(fā)電（該儲熱系統(tǒng)共設置有六座儲熱單元），可以說儲熱系統(tǒng)設計建設和測試試驗已經(jīng)取得了圓滿成功（更多相關(guān)信息請參考已發(fā)布文章）。

同時我們認為，安排極端特殊條件下利用固態(tài)混凝土儲熱體基礎(chǔ)儲備熱量進行長時間連續(xù)發(fā)電測試的意義重大：對我國各地區(qū)多年氣象數(shù)據(jù)的分析可知，大多地點均有可能出現(xiàn)連續(xù)一周甚至十天以上陰雨（降雪霜凍）天氣，這種極端天氣對光熱電站的傳熱工質(zhì)、集熱傳熱管路和儲熱體的保溫防凍性能是非常嚴酷的考驗，例如熔鹽儲熱系統(tǒng)在這種極端天氣條件下，僅維持自身集熱傳熱系統(tǒng)安全、防凝防凍，所需要的外部電力和熱量補充已非常大，能實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)發(fā)電的可能性和意義都非常小。

而水工質(zhì)固態(tài)儲熱系統(tǒng)在這種極端條件下，僅需利用汽輪機發(fā)電乏汽的熱量即可維持集熱傳熱系統(tǒng)的正常流動，無需排空和特殊的防凝防凍措施（當然，兆陽特有的線性超高聚光倍率的設計，使真空集熱管道用量減少三分之二左右，也為大幅降低防凝功率做出了重要貢獻），同時固態(tài)混凝土儲熱體儲存的基礎(chǔ)儲備熱量能夠支持一周以上的持續(xù)穩(wěn)定小功率發(fā)電，保障達成光熱電站對電網(wǎng)全年持續(xù)發(fā)電輸出的原則目標（目前測試結(jié)果看來完全有可能實現(xiàn)全年不停機運行（計劃停機除外）。

測試光熱電站是否有能力達到如此高的要求，就如同飛機定型前要進行一系列極限參數(shù)飛行測試一樣，雖然不是正常使用狀態(tài)，但確實有必要對系統(tǒng)的各維度性能進行全面細致的測試，清晰明確極限邊界條件，確保安全運行，同時使電站的內(nèi)在潛力最大程度得到有效利用。

例如通過本次幾十小時的連續(xù)發(fā)電測試，就已大幅增加了儲備熱量可利用深度值這個參數(shù)，并且確認該型汽輪機長時間低負荷運行時的排汽溫度低于60℃（遠低于80℃的廠家建議保護溫度）。運行操作簡單，設備安全穩(wěn)定，相信在需要的情況下，我們完全可以創(chuàng)造一個無外部輸入熱量條件下的連續(xù)發(fā)電時長世界紀錄。

CSPPLAZA：能否透露一下如果創(chuàng)造記錄的話大概是多少小時嗎？

李維：個人初步估計可以超過四百小時。

CSPPLAZA：很多專家和同行非常關(guān)注固態(tài)混凝土儲熱系統(tǒng)中的換熱管道和混凝土之間是如何實現(xiàn)熱膨脹匹配的，能否再詳細解答一下？

李維：這個問題也是國際混凝土儲熱研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的難點瓶頸問題，一直未見重大突破創(chuàng)新成果。兆陽光熱在近十年的研發(fā)試驗過程中，進行了大量的方案設計、仿真計算，并輔以幾十次的實際加工測試試驗，根據(jù)實測數(shù)據(jù)對仿真計算模型進行驗證修正，最終找到了一種經(jīng)濟可靠的方案，成功解決了這一國際難題，并申請了一系列專利，形成了系列專有技術(shù)儲備。在不違反企業(yè)保密原則的前提下，我可以盡量詳細地介紹一下有關(guān)方案設計。

其實固態(tài)儲熱系統(tǒng)設計難點是有膨脹匹配和增強熱擴散能力兩個方面。兆陽光熱的專利技術(shù)是在換熱管道和混凝土之間設計有膨脹匹配和增強換熱特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠大幅改善換熱鋼管與配方混凝土之間的換熱效果，同時將鋼管與混凝土進行隔離。由于該結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為鋁材，導熱系數(shù)很高、在250~450℃的溫度范圍內(nèi)、在混凝土和鋼管共同構(gòu)成的包覆環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定卻又非常柔軟極易變形，這樣一來，換熱管道與混凝土之間實際上并不直接接觸，而是使用了柔軟的鋁材進行過渡，在可以輕松滑動的同時還能保持高導熱性能，并且此鋁質(zhì)增強換熱結(jié)構(gòu)深入到混凝土內(nèi)，與混凝土形成高度牢固的粘接固定，熱擴散能力強。

固態(tài)混凝土儲熱塔在實際使用過程中，從初始狀態(tài)升溫至工作溫度歷時較長（長達幾個月），不存在短時間內(nèi)較高的溫度突變；在正常工作狀態(tài)時，每日的溫度波動范圍不大于40℃，且升降溫速度很小，這比我國冬季北方建筑、橋梁等混凝土建筑結(jié)構(gòu)的升降溫速度還要柔和些，不會對換熱管道與混凝土匹配造成不良影響。

五六年來，在使用3倍以上的升降溫速度及3倍變化溫差的試驗條件下，混凝土塊體在較大的管路軸向長度方向上也只是出現(xiàn)少量裂縫，表現(xiàn)出很好的機械性能，增強換熱結(jié)構(gòu)與鋼管及混凝土之間依舊能夠保持緊密接觸狀態(tài)，鋼管與混凝土之間能夠正常產(chǎn)生最大至近100mm的伸縮膨脹差卻無任何疲勞損傷。

另外，在試驗和實際施工過程中，我們還嚴格遵守各類設計規(guī)范，進行了嚴格的變形應力校核等各類設計計算審查，充分考慮到了腐蝕、沖刷磨損，泄露情況時的對應措施等問題，采取了較為有效的防護措施，實際使用過程中未發(fā)生任何不可預見的問題。綜合試驗和目前的運行結(jié)果來看，固態(tài)混凝土儲熱體就像是一個永不過溫、不過燒的鍋爐系統(tǒng)，且換熱功率密度低，安全可靠性完全符合設計預期。

CSPPLAZA：水工質(zhì)光熱發(fā)電系統(tǒng)對集熱管提出了更高的要求，在該電站的調(diào)試、運行期間，真空集熱管的彎曲度、破損率如何？

李維：一號電站的鏡場采用的是我們自主研發(fā)的低成本高倍聚光（約200倍）系統(tǒng)，由于聚光倍率高，即使在較差的光照條件下也很容易輸出較高參數(shù)的過熱蒸汽。但是在調(diào)試初期，真空集熱管的破損在長達半年時間內(nèi)確實是最困擾我們的問題（也是目前碰到的唯一一個難題）。

經(jīng)過多種因素的原因查找分析，很早以前該問題已經(jīng)獲得成功并徹底解決。真空管（連帶部分二次反射鏡）早期出現(xiàn)頻繁破損失效的根本原因是真空管的非有效吸收段部位（波紋管段）超溫（超800℃）導致的，該超溫不僅會導致真空管玻璃-金屬封接處破損，而且還會使靠近該處的二次反射鏡（CPC）受熱損壞?；谝陨戏治?，我們針對性的進行了專利結(jié)構(gòu)設計，采取了增設特殊防護結(jié)構(gòu)的方式，有效避免超溫現(xiàn)象的發(fā)生，在國內(nèi)供應商的大力支持配合下，及時進行了改進完善，并取得了非常好的使用效果。在后續(xù)監(jiān)控的9個月時間里，真空管的破損率遠低于1%，大大低于目前已知的國際光熱電站披露的真空集熱管初始破損率。同時，實際運行證明大部分廠家的國產(chǎn)真空集熱管在運行過程中都通過了成功驗證，均可滿足使用要求。

兆陽光熱開發(fā)的吸熱器結(jié)構(gòu)，使真空集熱管的受熱相對均勻，局部聚光倍率并未高于傳統(tǒng)槽式，環(huán)溫差較小，另外由于使用的耐高溫高壓合金鋼管壁厚較大，進一步減少了環(huán)溫差，大幅降低了管道的彎曲程度。由于真空管采用了固定式的安裝方式，經(jīng)濟可靠，安裝簡單便利，并且增加了專利牽引結(jié)構(gòu)，真空集熱管可以自由伸縮滑動，實測真空管的彎曲度非常小，即使在調(diào)試初期出現(xiàn)多次操作失誤，發(fā)生嚴重超溫（600℃-800℃）的情況下，也沒有發(fā)生真空管彎曲破損的情況，可靠性大大優(yōu)于傳統(tǒng)槽式聚光系統(tǒng)的真空集熱管。

CSPPLAZA：還有其他您認為需要補充的行業(yè)人士可能存在疑問的問題嗎？

李維：兆陽光熱非常歡迎業(yè)內(nèi)人士對我們這套創(chuàng)新型光熱技術(shù)體系提出問題甚至是質(zhì)疑，我們都將本著實事求是、坦誠的原則給予解答，如果后續(xù)有更多問題，我們也將通過CSPPLAZA平臺進一步釋疑。

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