CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：2018年6月20～22日，在北京召開的第五屆中國國際光熱電站大會暨CSPPLAZA年會2018（CPC2018）上，中電工程華北電力設計院有限公司新能源工程事業(yè)部副總經(jīng)理田增華分享了槽式太陽能光熱發(fā)電項目設計的關鍵性問題。

　　田增華指出，槽式光熱發(fā)電設計中的關鍵問題主要包括：1.熱力系統(tǒng)優(yōu)化及熱平衡計算；2.鏡場管道布置計算；3.儲熱罐設計；4.熔鹽系統(tǒng)防凝設計；5.鏡場布置及場平設計；6.鏡場土建基礎設計優(yōu)化；7.儲罐土建基礎設計；8.儲罐土建基礎設計。

　　田增華進一步指出，集熱場規(guī)模、儲熱容量、常規(guī)島規(guī)模匹配要以LCOE最小為目標進行優(yōu)化設計；熔鹽系統(tǒng)防凝設計時需設置合適的保溫并優(yōu)化管道布置；槽式技術廠址選擇時應盡量選擇場地較為平整的廠址；由于集熱器支架對沉降要求較高，可采用整體性較好或有較好的抗不均勻沉降的基礎形式及適宜的地基處理方案以滿足工藝要求等等。

　　大家上午好！今天想跟各位探討一些槽式太陽能熱發(fā)電涉及的關鍵性問題。華北院從07年開始介入光熱領域，到現(xiàn)在已經(jīng)有十余個年頭，我們做了很多項目前期的咨詢工作、以及初步設計和施工圖設計的工作，在這期間我所在的團隊和我本人有幸參與到這些項目中。隨著項目設計階段的深入，我們發(fā)現(xiàn)在項目設計過程中會出現(xiàn)許多非常關鍵的問題，有可能問題不大，但是都會對項目收益和項目的成本造價產(chǎn)生一定的影響。今天就這些我們認為比較關鍵的設計問題，在槽式太陽能熱發(fā)電方面想與各位專家進行探討。

　　我的介紹主要分四個方面：

　　一是光熱發(fā)電的概述

　　二是槽式光熱發(fā)電技術的概述

　　三是槽式光熱發(fā)電設計的關鍵性問題，包括了從系統(tǒng)集成到裝備設計、基礎設計等方方面面的問題

　　四是針對華北院公司做一個簡單的推介

　　通過這幾天的會議和論壇，大家對光熱發(fā)電都有比較深刻的了解。太陽能是目前最大的可以再生利用的可再生資源，太陽能聚光發(fā)電簡稱光熱發(fā)電，它利用不同的聚光裝置，將太陽光聚焦加熱工質(zhì)后，利用熱能發(fā)電。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電在儲能、規(guī)模化、與常規(guī)能源協(xié)同等方面具有顯著優(yōu)勢。目前，第一批示范項目（的裝機）都是50兆瓦、100兆瓦，而第二批示范項目至少100兆瓦（裝機），我們院也在做第二批示范項目的可研和前期的工作，（裝機量）都是100兆瓦起步，有些做到150兆瓦甚至更大規(guī)模。光熱發(fā)電更適宜規(guī)?；?，它和常規(guī)能源有相類似的特征，優(yōu)勢更加的明顯。

　　光熱發(fā)電（技術路線主要）有槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式，今天重點針對槽式進行探討。

　　槽式發(fā)電，主要包括了集熱系統(tǒng)、導熱油系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和常規(guī)島。常規(guī)島對于傳統(tǒng)的電力設計來說，并沒有特殊的特別新意，只不過可能汽輪機由原來的下排氣改為水平排氣，從布置上有一些調(diào)整，但是從大的原則性方面（來說）是沒有什么變化的。

　　和火力發(fā)電相比，（槽式發(fā)電的）主要不同點集中在集熱系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，我就圍繞這些系統(tǒng)來做關鍵問題的分析。

　　在設計過程比較關鍵的一個問題，熱力系統(tǒng)的優(yōu)化和熱平衡的計算。熱平衡的計算是項目后續(xù)設計的基礎，如果熱平衡做的不好，那么后面設備招標、設備參數(shù)、系統(tǒng)計算等等都存在著一些問題。我們在設計過程中首先要抓的是熱力系統(tǒng)的熱平衡的計算和熱力系統(tǒng)的優(yōu)化。包括集熱場的規(guī)模和儲熱系統(tǒng)的容量、常規(guī)島的規(guī)模的匹配，常規(guī)島做多大規(guī)模的裝機，多大規(guī)模的儲熱容量，槽式多少條回路以及以什么原則，這塊都要進行考慮，都要以LCOE最小為目標來進行合理的優(yōu)化配置。

　　集熱島、儲熱島、常規(guī)島的溫降和壓降的選擇，這些取決于外部的環(huán)境條件，包括設備能力和設備的換熱系數(shù)、設備的出力和管道的壓降，因為壓力和溫度是相輔相成的，如果壓力降低溫度也會隨之降低，所以管道壓降對溫度和系統(tǒng)的設計也至關重要。

　　根據(jù)集熱場的參數(shù)優(yōu)化汽輪機的進氣參數(shù)。通過我們的設計，汽輪機尤其是槽式汽輪機包括它的參數(shù)并不是一成不變的，不能機械的認為傳熱介質(zhì)為聯(lián)苯——聯(lián)苯醚的槽式系統(tǒng)，汽輪機的進氣參數(shù)就是381℃、傳熱介質(zhì)為硅油的槽式系統(tǒng)，汽輪機進氣參數(shù)就是420℃左右。我們設計過程中要進行優(yōu)化，要考慮到不同的工況和儲能工況時候進氣參數(shù)的匹配性問題。以某個硅油槽式發(fā)電項目為例，它的鏡場參數(shù)是按照425℃設計溫度，我們重新進行考慮溫降和考慮管道壓降，重新進行核算，最后定到410℃這樣的汽機參數(shù)。所以各種設備的系統(tǒng)擬定要根據(jù)各系統(tǒng)的關系進行優(yōu)化。

　　設計點的選擇對設備選型影響比較大。我們針對項目做了熱力平衡計算軟件，對項目各工況熱平衡進行了計算，對不同設計點的工況也進行了相應的計算。計算后發(fā)現(xiàn)，如果選取不同的設計點，對設備的出力和要求是不一樣的。比如做一個項目的時候，我們選擇了一個比較高的設計點，這時候它的系統(tǒng)鏡場熱量輸出很大，油鹽換熱器這部分的流量也是非常大的，這就會對設備參數(shù)的選取造成一定影響。如過把設計點降下來以后，油鹽換熱器和蒸汽發(fā)生器流量也會隨之下降，這些流量直接帶來的影響是換熱面積，直接影響到設備的造價。設計點的選取也是至關重要的，一般可以按照P50、P90進行設計點的選取。

　　汽輪機工況的選擇目前有兩種，額定工況和汽輪機連續(xù)運行最大工況-TMCR工況。設計過程中系統(tǒng)匹配目前是按照TMCR（氣機負荷出力最大的工況）進行選取，這樣能保證各種系統(tǒng)匹配，不會限制汽輪機的出力。

　　其他的關鍵參數(shù)，傳熱介質(zhì)在鏡場內(nèi)溫度提升是有限的，對回鏡場的回油的溫度、冷鹽罐的溫度的匹配，因為冷鹽的溫度間接影響到回油的溫度，進而又影響到鏡場出油的溫度，也會影響到汽輪機的參數(shù)，回油溫度和冷鹽溫度的優(yōu)化也間接對蒸汽品質(zhì)進行優(yōu)化和匹配。

　　如圖，某個項目上做的熱力平衡圖，把各個模塊都已經(jīng)輸入進去，然后進行各個工況的匹配，包括100%、75%、50%等負荷的工況都可以用軟件進行匹配計算，主要是用于系統(tǒng)的優(yōu)化和設備的招標。

　　鏡場的管道布置的計算，原來做前期（工作）的時候可能沒有引起太多的重視，隨著后續(xù)做司令圖和施工圖設計的時候，發(fā)現(xiàn)這是比較關鍵的。

　　首先管道參數(shù)的選擇，大家都關注系統(tǒng)里面的運行溫度，比如導熱油運行溫度，比如聯(lián)苯——聯(lián)苯醚運行393（℃）、硅油運行425（℃）。但是管道選取的時候要注重偏焦的問題，鏡場導熱油達到什么溫度情況下來進行偏焦，比如我們做一個硅油的項目，運行溫度可以做到425（℃），但是430℃需要偏焦，那么導熱油管道的設計應該是按照430℃設計，而不是按最大運行溫度425℃進行設計。

　　飽和蒸氣壓，涉及到系統(tǒng)壓力的選取，聯(lián)苯——聯(lián)苯醚、硅油的溫度和飽和蒸氣壓是不同的，考慮到飽和蒸氣壓再加上系統(tǒng)(內(nèi))的一些阻力，包括揚程之后，在泵的出口壓力是非常大的，那塊需要結合蒸氣壓和設計的溫度綜合進行管道壓力和溫度的選取。

　　管材選取要考量溫度，包括流體性質(zhì)和經(jīng)濟性，我們做設計的時候任何都偏離不了經(jīng)濟性，一定要把經(jīng)濟性考慮進去。

　　對于聯(lián)苯、聯(lián)苯醚，最高運行溫度也就是393℃，它的蒸氣壓也就是1.4兆帕，導熱油泵出口處的導熱油壓力一般在4.0MPa以下。聯(lián)苯、聯(lián)苯醚的材質(zhì)選取上一般冷母管和熱母管都會考慮碳鋼管。目前有一些新型傳熱介質(zhì)比如硅油，通過計算冷母管（用碳鋼管）應該沒有問題，因為回油溫度290℃左右，但是熱母管通過我們的計算，按照最高運行溫度425℃，加上硅油蒸氣飽和壓更高，導致鏡場導熱油泵出口油壓力達到了5兆帕左右。管道選取時溫度和壓力是匹配的關系，壓力增高，適用的溫度會下降，溫度上升，適用的壓力也要下降，通過計算，熱導熱油管道需要采用合金鋼管，這對經(jīng)濟性是有一定影響。熔鹽管道基本上要采用不銹鋼管。

　　

　　管徑的選取，在鏡場里面是屬于逐級遞減的過程，通過導熱油和熔鹽來說我們選取的流速基本都是2米到4米（每秒）左右，考慮的原則是要求整體鏡場內(nèi)導熱油的雷諾數(shù)要大于2萬以上，因為在雷諾數(shù)達到2萬以上的條件下傳熱介質(zhì)才能管道內(nèi)形成湍流，均勻地吸收熱量，尤其是集熱管里面導熱油（要形成湍流）不能形成層流，（形成層流的話）就有可能導熱油超溫、有些（導熱油）會達不到設計溫度。通過計算來說（流速）基本在2到4米（每秒）。離泵比較近的地方會選取比較高的流速、遠端阻力比較大的時候會適當放低管徑，選擇2米（每秒）左右的流速。

　　阻力計算會影響導熱油的流量分配。流量分配和阻力計算有問題的話，會出現(xiàn)近端導熱油溫度達不到設計溫度，遠端有可能導熱油會超溫，甚至有可能會出現(xiàn)斷流，空管運行對于集熱場裝置來說是非常危險的。我們一般通過流體的阻力計算軟件進行計算，包括管徑是通過EXCEL進行計算，通過EXCEL表格對各個工況下的管徑，各個區(qū)域的管徑進行計算，計算好之后需要帶入一個阻力計算軟件中建模，把每一個管道、支管、閥門通過AFT軟件輸入，統(tǒng)一計算系統(tǒng)的阻力和壓降，保證流量和壓力的平衡。

　　儲熱罐設計主要參照的標準為美國石油協(xié)會APISTD650《焊接石油儲罐》第12版，部分內(nèi)容參考國內(nèi)石油化工和壓力容器設計規(guī)范；其次采用有限元計算軟件ANSYS進行儲罐的溫度場模擬分析；最后采用有限元計算軟件ANSYS進行儲罐的應力計算，溫度場作為體荷載施加在結構模型上，根據(jù)軟件計算結果，參考JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》進行應力評定，判斷儲罐是否安全。這幅圖是我們做儲罐設計的時候所做的一些工作。

　　儲罐熔鹽系統(tǒng)的防凝設計，熔鹽系統(tǒng)凝固點是220℃，系統(tǒng)運行時溫度不允許低于270℃。進行防凝設計的時候需要設置合理的保溫，熔鹽管道和閥門、附件和油鹽換熱器和儲罐都要考慮保溫，保溫層的厚度可以按照經(jīng)濟厚度方法進行計算。要優(yōu)化管道布置，盡量減少設備之間的管道長度，管道與熔鹽罐的連接不宜采用π形彎曲的連接，這樣會造成死區(qū)，出現(xiàn)凍堵問題，一般考慮用補償器消除管道熱應力。安全閥的布置位置要盡量靠近主管路關斷閥，減少安全閥的伸出長度，同時疏鹽母管道要盡量靠近疏鹽點，在管道布置中不使用堵頭。

　　設置伴熱和電加熱的裝置，在熔鹽管道內(nèi)、換熱器內(nèi)、熔鹽儲罐內(nèi)熔鹽溫度低于保護溫度時，管道、換熱器外殼外部電伴熱或熔鹽罐侵入式電加熱棒要自動的啟動，保證熔鹽溫度不低于凝固點。熔鹽管道及設備電伴熱選用耐高溫礦物絕緣伴熱電纜。

　　保持熔鹽流動，防止局部低溫凝固，為防止發(fā)生局部凝結，對于管道和換熱器，如長時間停止運行，應排空管道和換熱器中的熔鹽；如僅僅是短期停止運行，為保證能快速啟動，應保持管道和換熱器內(nèi)熔鹽處于低速流動的狀態(tài)。

　　場平的設計，槽式（光熱電站）對于場平設計有一定的要求，目前槽式集熱器支架設計坡度一般為1%或1.5%，要求場平坡度在1%或1.5%。場地的自然坡度一般不可能是1%或者是1.5%，場地平整工程量也比較大。涉及到在槽式技術廠址選擇的時候，盡量選擇場地比較平整的廠址，盡量選擇一些荒地，因為進行場平時對植被破壞程度比較大。

　　根據(jù)廠區(qū)自然地形及地質(zhì)條件，一般應采用南北分臺階布置，東西向按自然地坪布置方式進行場平設計，以減少場地平整土方工程量。在場地平整方面，填方區(qū)應該分層夯實。我們也通過做其他的項目，（得出來）夯實系數(shù)一般建議不低于0.95。目前集熱器一般是采用灌注樁基礎形式，成孔方式為璇挖式，如果夯實系數(shù)達不到，有可能成孔的時候會存在塌孔問題，造成返工，給經(jīng)濟性帶來一些不利的影響。

　　這張圖是我們在做的某一個項目，按照南北（方向）做了四個臺階，每一個臺階高差在2米到3米左右，東西向按照自然地平來進行平整，在廠區(qū)內(nèi)總共做了18個小區(qū)塊進行平整，整體做下來挖填平衡，沒有棄土。這張是我們利用分割網(wǎng)法做的場平設計的圖。

　　鏡場土地建設基礎設計優(yōu)化，集熱器支架對基礎的沉降要求比較高，不均勻沉降對基礎會產(chǎn)生比較嚴重的影響，目前常用的集熱器基礎形式呢有獨立基礎和樁基礎。槽式集熱器對水平位移和沉降要求非常高，而且（基礎）數(shù)量非常多，一般的項目有可能是一萬到兩萬根樁。從施工的工期和經(jīng)濟性角度考慮的話，目前一般都采用樁柱式技術，這樣可避免采用獨立基礎時所需要的大范圍土方開挖和回填工作。樁柱式基礎可以有優(yōu)化的空間，目前做的工作可能都是單樁基礎，這種有可能樁徑比較粗、樁長也比較長，對混凝土和鋼筋的需求量比較大。也要根據(jù)集熱器的形式，我們做了短樁加承臺的形式，對土建的工程量優(yōu)化非常多，因為從單個土建工程上優(yōu)化的可能沒有這么多，但是全場兩萬多個樁，一下子土方量優(yōu)化就非常大了。

　　儲罐土建基礎設計，這也是比較重要的一個問題。在（一些）塔式（項目）上熔鹽罐都出現(xiàn)了不同程度的泄漏，有些是因為基礎不均勻沉降造成罐體拉裂，從而造成的泄漏。一般儲罐直徑比較大，儲罐的圓心與基礎圓心是相重合的。圍繞罐體輪廓可設置一圈環(huán)梁，罐壁置于環(huán)梁之上。環(huán)梁采用耐熱混凝土澆筑而成。由于儲熱罐內(nèi)的熔鹽溫度極高，因此罐頂、罐壁和罐底都需做好保溫隔熱措施。

　　儲熱罐底的保溫較為復雜，緊挨儲熱罐底部鋼板的是細沙層，起防潮作用。下一層是隔熱層，起隔熱作用?；炷镰h(huán)梁嵌入隔熱層中。最后一層是水泥混凝土基礎層，主要起承重作用。耐熱基礎層和水泥混凝土基礎層間設置通風口進行冷卻混凝土工作，保證冷卻溫度在80℃以下，使混凝土保持正常狀態(tài)。

　　由于熔鹽儲熱罐罐底的變形從中心向邊緣逐漸減小，因此，為了抵消罐底的變形位移，基礎上的填料（細沙層和隔熱層）應設置成中心略高周圈略低的凸面。

　　關于隔熱層常選擇耐火磚、泡沫玻璃和陶礫等材料。耐火磚隔熱性能較泡沫玻璃和陶粒較差，隔熱層的厚度會顯著增大，自重荷載較大，變形能力較差，無法抵消罐底的變形位移；

　　泡沫玻璃隔熱性能良好，但變形能力較差，無法抵消罐底的變形位移，價格遠高于耐火磚和陶粒；陶礫導熱系數(shù)介于耐火磚和泡沫玻璃之間，自重較輕，具有一定的變形能力，能夠在一定程度上抵消熔鹽儲罐罐底的變形位移，價格相對低廉。

　　我們?nèi)A北院成立于1953年，主要向客戶提供以勘查設計為龍頭的總承包、工程咨詢、建設全過程服務的國有企業(yè)，我們具有綜合甲級設計資質(zhì)，可以承擔總包、咨詢、設計、項目管理、項目招標等等業(yè)務，華北院多次榮獲全國電力行業(yè)質(zhì)量效益先進單位、被ENR評為中國最具成長性的工程設計企業(yè)。

　　謝謝大家！

　　主持人：大家都聽明白了嗎？前面兩天都是宏觀的方向去講，但是可以看到要做好一個光熱項目，真的每一個細節(jié)都要扣，每一個點都要考慮怎么去進行優(yōu)化。

　　提問：我想提下，您剛才提到鏡場設計坡度一般為1%或1.5%，如果坡度大一些，3%或者更大的坡度（的話）對工藝有什么影響嗎，只要不擋光可以嗎？

　　回答：第一，從設備方面來說，如果坡度做的比較大，有可能對集熱器會造成影響，目前集熱器一般是按照1%（的坡度）進行設備設計，一般是北高南低，按照3%的設計，有可能集熱器設計并不滿足要求，它的自重和軸承就會導致對設備一端的推力會比較大，有可能造成設備的變形。

　　第二，從項目運行方面來說，如果采用聯(lián)苯、聯(lián)苯醚導熱油，系統(tǒng)運行過程中會有氣泡產(chǎn)生，如果坡度比較小的話，氣泡有可能會位于管道的中間，隨著流體流動氣泡被帶出系統(tǒng)，如果坡度比較大，可能氣泡會集中在集熱管的上部，造成一些空氣在里面，導熱油的流體整個流量會小，有可能會引起集熱管的超溫的問題。坡度的問題我認為是綜合性的問題，我們也了解到一些廠商也在做大坡度的集熱器的設計，在中廣核項目上有些企業(yè)也提出想做3%（坡度的）集熱器的設計，但是目前還沒有相關的應用案例。