摘要：塔式太陽能光熱發(fā)電站中，熔鹽儲罐是工程的重要組成部分，其設(shè)計(jì)方案對工程成本影響巨大，從價(jià)值工程的角度，對其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。通過青海某光熱項(xiàng)目實(shí)踐，在對已建項(xiàng)目熔鹽儲罐設(shè)計(jì)方案分析研究的基礎(chǔ)上，從降低熔鹽儲罐死液位下冗余設(shè)計(jì)的角度，提出了多種設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，能夠有效降低此類工程的建設(shè)成本。

關(guān)鍵詞：塔式光熱電站;熔鹽儲熱系統(tǒng);設(shè)計(jì)優(yōu)化

前言

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，中國正在加速構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。作為一種清潔電力以及有效解決新能源發(fā)電波動性問題的成熟路徑，太陽能光熱發(fā)電成為國內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展的新方向。太陽能光熱發(fā)電站(見圖1)是通過聚光集熱系統(tǒng)捕獲并聚集太陽能后傳熱至高溫?zé)崃黧w，再通過熔鹽儲熱系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)傳熱至高溫高壓蒸汽，從而驅(qū)動傳統(tǒng)汽輪機(jī)來發(fā)電，具有可儲熱、可調(diào)峰、可穩(wěn)定輸出和可非日照時發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)。

圖 1 某塔式光熱電站實(shí)景

熔鹽儲熱系統(tǒng)是塔式光熱電站關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，能有效的提供能量在時間上的延遲供給，保障系統(tǒng)的有效運(yùn)行，其對整個光熱發(fā)電項(xiàng)目的工程成本、安全及可靠運(yùn)行影響極大。目前國內(nèi)現(xiàn)有熔鹽儲熱系統(tǒng)的研究成果中，對于熔鹽儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、溫度場分析、散熱損失分析和建造質(zhì)量管理方面的研究成果較多，對于儲罐方案和體型的創(chuàng)新和優(yōu)化研究目前尚未涉及。本文通過青海某光熱項(xiàng)目實(shí)踐，在對已建項(xiàng)目熔鹽儲罐設(shè)計(jì)方案分析研究的基礎(chǔ)上，從降低熔鹽儲罐死液位下冗余設(shè)計(jì)的角度，提出多種設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，為有效降低此類工程建設(shè)成本提供借鑒。

1、儲罐概況

調(diào)研青海某光熱項(xiàng)目(見圖2)和其它國內(nèi)已建光熱項(xiàng)目熔鹽儲罐典型設(shè)計(jì)方案發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)主流儲熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高/低溫熔鹽儲罐的雙罐設(shè)計(jì)方案。低溫熔鹽從低溫熔鹽罐中通過熔鹽泵抽送至吸熱器中,吸收熱量變?yōu)楦邷厝埯}后,進(jìn)入高溫熔鹽罐中儲存,發(fā)電時通過高溫熔鹽泵送至換熱系統(tǒng),與汽水進(jìn)行換熱后,溫度降低變?yōu)榈蜏厝埯},進(jìn)入到低溫熔鹽儲罐儲存。通過高溫與低溫儲罐間的熔鹽循環(huán)往復(fù)流動,實(shí)現(xiàn)儲熱和放熱功能。儲熱系統(tǒng)如圖3所示。

圖 2 某塔式光熱電站熔鹽儲熱系統(tǒng)建設(shè)實(shí)景

圖 3 塔式光熱電站熔鹽儲熱系統(tǒng)

由于熔鹽儲罐底部采用近似平底設(shè)計(jì),熔鹽泵下插至罐底時須預(yù)留0.5~1.0 m不等的最低操作液位,此液位以下的熔鹽不能充分參與系統(tǒng)循環(huán),處于無功效狀態(tài)。對于裝機(jī)規(guī)模達(dá)到100 MW及以上的塔式光熱電站,熔鹽儲罐往往體積很大,直徑30~50 m,熔鹽儲量過萬噸,成本過億,儲罐死液位占用了熔鹽儲熱系統(tǒng)的工程成本,對造價(jià)影響大。

從價(jià)值工程原理講,在確保功能不變的前提下減少成本,是實(shí)現(xiàn)價(jià)值提高的有效途徑,有必要對熔鹽儲罐的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化給予足夠的重視。本文通過青海某國家示范性光熱項(xiàng)目實(shí)踐,對已建項(xiàng)目熔鹽儲罐設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析,從降低熔鹽儲罐最低操作液位的角度,創(chuàng)新和優(yōu)化熔鹽儲罐設(shè)計(jì)方案,減少工程熔鹽用量,以降低工程建設(shè)成本,提升系統(tǒng)價(jià)值,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2、典型項(xiàng)目優(yōu)化流程

以某裝機(jī)容量為100 MW的典型塔式太陽能光熱發(fā)電站為研究對象,引入PDCA管理循環(huán)的工作

程序,開展熔鹽儲罐的設(shè)計(jì)優(yōu)化探討。PDCA設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán)分Plan、Do、Check和Ac鄄tion 4個階段和8個事項(xiàng),按照順序依次開展工作,PDCA設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán)如圖4所示。

圖 4 PDCA 設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán)

將此循環(huán)流程應(yīng)用在研究項(xiàng)目熔鹽儲熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化上,具體過程詳見表1。

3、設(shè)計(jì)優(yōu)化方案對比

二元熔鹽和高、低溫熔鹽儲罐是熔鹽儲熱系統(tǒng)成本最重要的組成部分,是降低系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)價(jià)值的關(guān)鍵。研究項(xiàng)目高、低溫熔鹽儲罐罐壁高度均為15 m,熔鹽高度均為13.65 m。低溫熔鹽儲罐直徑為35.5 m,最低操作液位0.75 m,高溫熔鹽儲罐直徑為36.6 m,最低操作液位0.5 m。依據(jù)PD鄄CA設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán)流程,以典型塔式太陽能光熱發(fā)電站主流熔鹽儲罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ),從改變罐底體型以降低最低操作液位角度進(jìn)行創(chuàng)新,以典型塔式太陽能光熱發(fā)電站主流熔鹽儲罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ),提出4種不同技術(shù)路線的優(yōu)化方案。研究項(xiàng)目常規(guī)設(shè)計(jì)方案二元熔鹽用量26 000 t,二元熔鹽單價(jià)按6 700元/t計(jì)算,二元熔鹽總成本1.742億元。低溫熔鹽儲罐1臺,成本3 500萬元;高溫熔鹽儲罐1臺,成本5 900萬元/臺。由于最低操作液位以下熔鹽未有效進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán),此部分熔鹽用量高達(dá)2 320 t,4種方案(見圖5)以不同的罐底體型進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,將操作液位控制在局部體型范圍內(nèi),從而減少了系統(tǒng)二元熔鹽總用量。

圖 5 熔鹽儲熱系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 種優(yōu)化方案

方案1：多點(diǎn)局部下沉設(shè)計(jì)?？紤]最低操作液位要求,將儲罐底部設(shè)計(jì)為多點(diǎn)局部下沉結(jié)構(gòu)。即在每個熔鹽泵與儲罐底部配合位置設(shè)計(jì)局部下沉結(jié)構(gòu),各個熔鹽泵對應(yīng)的下沉結(jié)構(gòu)互相獨(dú)立，各泵對應(yīng)點(diǎn)的下沉高度以滿足最低操作液位要求為原則,下沉平面布置以泵軸為中心局部擴(kuò)大,為泵正常工作和熔鹽回流預(yù)留足夠空間,多點(diǎn)下沉結(jié)構(gòu)之間互不聯(lián)通。

方案2：連通凹槽下沉設(shè)計(jì)?？紤]最低操作液位要求和熔鹽流動性需求,將儲罐底部設(shè)計(jì)為連通凹槽下沉結(jié)構(gòu)。即在每個熔鹽泵與儲罐底部配合位置設(shè)計(jì)下沉結(jié)構(gòu),各下沉式結(jié)構(gòu)之間相互連通。連通凹槽各個泵對應(yīng)點(diǎn)的下沉高度以滿足最低操作液位要求為原則,平面上以泵軸為中心局部擴(kuò)大,熔鹽可在連通凹槽之間相互流動。

方案3：局部漸變下沉設(shè)計(jì)?？紤]最低操作液位要求和儲罐結(jié)構(gòu)體型的平滑過渡需求,將儲罐底部與熔鹽泵對接區(qū)域設(shè)計(jì)為局部漸變式下沉結(jié)構(gòu),每個熔鹽泵與儲罐底部配合位置均位于漸變式下沉結(jié)構(gòu)的深液位區(qū),高低液位區(qū)之間采用平滑過渡,熔鹽可從高液位區(qū)流動到低液位區(qū),再被各熔鹽泵從罐內(nèi)抽出至其它各系統(tǒng)。

方案4：罐外下沉小罐設(shè)計(jì)?？紤]熔鹽儲罐直徑大,為降低罐底最低操作液位以下熔鹽的浪費(fèi),熔鹽儲熱系統(tǒng)在高、低溫熔鹽儲罐外增設(shè)下沉小罐,高、低溫熔鹽儲罐與下沉小罐之間結(jié)構(gòu)獨(dú)立但通過底部管路連通,系統(tǒng)循環(huán)時,使熔鹽先流出至小罐,再從小罐內(nèi)用泵抽出至其它各系統(tǒng)。

總體而言,方案1~4通過不同的方式,降低了常規(guī)設(shè)計(jì)方案熔鹽儲罐最低操作液位以下的冗余熔鹽,節(jié)省二元熔鹽的總用量,降低熔鹽儲罐的整體高度,從而節(jié)省了工程成本。與常規(guī)設(shè)計(jì)方案對比,方案1~3均采用儲罐底板下沉式設(shè)計(jì)的思路,由于技術(shù)路線的差異,一方面會引起節(jié)省熔鹽用量和熔鹽儲罐成本的不同;另一方面,不同的下沉結(jié)構(gòu),對應(yīng)熔鹽儲罐底板在下沉位置的流動性和適應(yīng)溫度變化能力會有所不同。方案4采用的罐外下沉小罐設(shè)計(jì)理念,能夠避免熔鹽儲罐底板的下沉設(shè)計(jì),但會額外增加小罐的成本和附屬管路,但會減少熔鹽泵的成本。為全面反映以上4種優(yōu)化方案在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上與常規(guī)設(shè)計(jì)方案的區(qū)別,將優(yōu)化方案與常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析,具體見表2。

從對比結(jié)果可知,4種方案可節(jié)省研究項(xiàng)目熔鹽儲熱系統(tǒng)成本分布在1 322萬~1 761萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。從節(jié)省成本的角度講,方案1最佳,方案2次之,方案3再次之,方案4一般;從罐底熔鹽的流動性講,方案3和方案4最佳,方案2次之,方案1一般;從熔鹽儲罐底部對溫度變化的適應(yīng)性講,方案3最佳,方案2次之,方案1和方案4一般?？傊?4種方案從不同的技術(shù)路徑,創(chuàng)新了熔鹽儲熱系統(tǒng),與常規(guī)設(shè)計(jì)方案對比各有其特點(diǎn),但均能夠有效減少項(xiàng)目二元熔鹽用量和降低項(xiàng)目的建設(shè)成本。

4、結(jié)論

熔鹽儲罐的設(shè)計(jì)方案對塔式太陽能光熱發(fā)電站的工程成本影響巨大,從價(jià)值工程的角度,對其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),具有重要意義。本文從降低熔鹽儲罐最低操作液位的角度,創(chuàng)新和優(yōu)化了熔鹽儲罐設(shè)計(jì)方案,能夠減少工程熔鹽用量、降低建設(shè)成本、提升系統(tǒng)價(jià)值,經(jīng)濟(jì)效益顯著,可為后續(xù)類似光熱項(xiàng)目熔鹽儲罐的建設(shè)提供參考。主要結(jié)論如下:

(1)通過引入了PDCA管理循環(huán)的工作程序,從減少熔鹽儲罐最低操作液位的角度提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。以典型塔式太陽能光熱發(fā)電站主流熔鹽儲罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ),從改變罐底局部體型的角度提4種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

(2)優(yōu)化方案對熔鹽泵處罐底局部體型進(jìn)行了創(chuàng)新,以局部空間的改變適應(yīng)熔鹽泵最低操作液位的要求,從而避免罐底整體空間因適應(yīng)最低操作液位要求造成的設(shè)計(jì)冗余。從節(jié)省成本、罐底熔鹽流動性和溫度變化適應(yīng)性方面,推薦方案3。

此次開展的塔式光熱電站熔鹽儲熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念探討成果具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,能夠有效降低此類工程的建設(shè)成本,對于類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化及管理工作具有一定的指導(dǎo)意義。

作者：許立國，祁林攀，沈亞軍，戴雨薇