陳煜達(dá):二次反射塔式熔鹽示范系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與成果
來源:CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 0評論 | 11191查看 | 2015-07-06 16:38:00    
CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道:中國國際光熱電站大會暨CSPPLAZA年會2015于6月25~26日在京盛大召開,江蘇鑫晨光熱技術(shù)有限公司董事長陳煜達(dá)出席本屆大會并發(fā)表演講,重點(diǎn)分享了二次反射塔式熔鹽光熱發(fā)電示范系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與成果。

下面刊出的是陳煜達(dá)演講的主要內(nèi)容:(注:本文根據(jù)速記和錄音資料整理,文章內(nèi)容未經(jīng)演講者本人審閱。)

陳煜達(dá):我也是光熱行業(yè)的老面孔了,在過去幾年我也發(fā)了幾次言,每次都是用別人的或者是國外的圖片,這回終于我用自己的圖片了(笑)!

圖:陳煜達(dá)發(fā)表演講


今天我想講的是在江蘇建設(shè)的一個二次反射塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的示范,包括我們的數(shù)據(jù)的分享,包括一些下一步的計(jì)劃和推論。項(xiàng)目在江蘇鹽城,這是Google圖片,這是航拍的照片,如圖,有點(diǎn)像一個外星建筑。



二次反射系統(tǒng)其實(shí)沒有什么稀奇的,它的原理很簡單,如大家在左上角的圖上看到大的, 相對于傳統(tǒng)的塔式,把所有的光匯聚到這個里面的上焦點(diǎn)的情況下,增加了一塊太陽鏡子,這塊鏡子是旋轉(zhuǎn)雙曲線,這樣的情況下,這塊鏡子會把所有的光反射并且匯聚到下焦點(diǎn),這是基本光學(xué)原理。20世紀(jì)初以色列首先做了示范性的45千瓦系統(tǒng),09年阿聯(lián)酋和日本人在Masdar做了個一百多千瓦的系統(tǒng),但是聚光性不好,熱系統(tǒng)也沒有做。

這是我們現(xiàn)在做的,我們的規(guī)模相當(dāng)于阿聯(lián)酋項(xiàng)目的5倍,通過一個二次反射塔,把光匯聚到地面,加熱熔鹽到500℃,最后換熱產(chǎn)生440度過熱蒸氣推動一個小的汽輪機(jī)的發(fā)電,這個系統(tǒng)項(xiàng)目的配置基本是這樣。160面9.6平方米的塔式定日鏡,一個20米高15米口徑的二次反射塔,一臺300千瓦的腔式熔鹽吸熱器、兩個熔鹽儲罐,兩臺熔鹽泵,一套蒸汽發(fā)生器,包括預(yù)熱蒸發(fā),一臺10千瓦的小的汽輪機(jī),主要是為了消耗過熱蒸汽,因?yàn)楣I(yè)園區(qū)這么高的壓力這么高蒸汽的排放會造成很大的影響,園區(qū)也要求一臺汽輪機(jī)來代負(fù)荷。

    
圖--300KWt示范項(xiàng)目鏡場光效率

這是這個系統(tǒng)進(jìn)場光學(xué)方面的光學(xué)效率,最后綜合效率現(xiàn)場測算下來54%, 完全不同于塔式的進(jìn)場方式,完全是圓形環(huán)狀往外擴(kuò)張,中間上面是對光斑的仿真,這次采用的是熔鹽直接加熱,熔鹽是沒有管道的,不走在管道,光直接加熱熔鹽,這就涉及到光在熔鹽里的投射,一層層加熱,到底能加熱多少升,這些實(shí)驗(yàn)都是需要做的,這些都是理論方面的東西,包括熔鹽罐的設(shè)計(jì),二次反射塔盤的抗風(fēng),這個不光是為了以后西部,現(xiàn)在在鹽城經(jīng)常來一次臺風(fēng),所以說要做一些風(fēng)抗設(shè)計(jì)。

圖--包括場平圖和二次塔盤的設(shè)計(jì),塔架的設(shè)計(jì)、換熱器的設(shè)計(jì)、汽輪機(jī)的布置圖。
    
1月份到3月份10個人160面鏡子,吊裝二次反射塔、常規(guī)島,儲熱罐、換熱器等等,這是定日鏡的光斑,定日鏡能不能追上,這是核心的問題。按照電工所定日鏡的精度規(guī)范做了精度的測試,做下來是全部都在1.5個毫弧度以下。
    
今天有很多嘉賓都展示了光照的數(shù)據(jù),很不好意思鹽城的數(shù)據(jù)實(shí)在拿不出手,數(shù)據(jù)很差,最好的一天是可以,最高也就是900,我們的系統(tǒng)是按照500 DNI進(jìn)行設(shè)計(jì)的,吸熱器上來的光斑,整整一天每十分鐘取樣一次來進(jìn)行的,塔式和二次反射系統(tǒng)主要是能不能追得上光,左邊的照片是可見光照片,也是帶了濾光片的,右邊是經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理的灰度值照片,最后所有的截?cái)嗦剩麄€光能夠照到中間下面的圓圈,這個圓圈的半徑1.5米的吸熱器,照到這個吸熱器的截?cái)嗦?,總共面積上計(jì)算是93%左右可以追到吸熱器里去。
    
這是做的散熱器的實(shí)驗(yàn),選取了100分鐘,沒有任何加熱,讓熔鹽在里面看怎么散,來獲得吸熱器的散熱,最后得到的散熱數(shù)據(jù)是每平方米9.85千瓦,與理論估算值也差不多,反演到大的12兆瓦左右的吸熱器,這個吸熱器的效率差不多接近91%,這證明了我們的猜想,如果吸熱器放在地面采用槍式熔鹽直接加熱,吸熱器的效率要遠(yuǎn)高于塔式排管式的吸熱器,那樣的吸熱器只有80%左右。

吸熱器加熱實(shí)驗(yàn),選取了10分鐘,現(xiàn)在的系統(tǒng)光照密度是比較小,因?yàn)槲覀円?guī)模比較小,已經(jīng)接近于500度的頂值了,10分鐘里從400多度升到了500度,瞬時有效功率接近于295 千瓦,熔鹽達(dá)到最高溫度是500度,Y軸線同時也是溫度也是當(dāng)時的輻照,當(dāng)時的輻照是500多。


圖--熔鹽溫度分布測試
 
這是熔鹽的溫度測試,紫顏色主要是因?yàn)橄旅嬗械陀?米以下的臺階,真正看紅顏色細(xì)圈里白顏色的部分,那塊是熔鹽,被加熱的熔鹽,做這個實(shí)驗(yàn)是證明在吸熱器里熔鹽在同一表面沒有溫度分布。

  
圖--熔鹽安全性問題 

熔鹽儲罐的保溫測試,首先從根源上解決熔鹽安全性問題,上圖是吸熱器的截面圖,基本上是開口的,上面是一個自動開關(guān)的蓋子防塵防雨,晚上蓋起來,平時的時候太陽光直接照在吸熱器里面,左下角三張圖,物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn),第一個不同波長的輻射在二元溶液中透射系數(shù),第二個照度一定深度熔鹽中的衰減,第三個光在熔鹽中的投射,通過直接吸收的腔式熔鹽吸熱器,所有的吸熱面沒有任何管路設(shè)計(jì),熔鹽不走管路凝固就沒有后果,每天不需要徹底的排空,這是塔式里最大的問題,每天早上要沖注,每天下午要排空,排不干凈不用承擔(dān)后果,是不是少了很多的問題。

 
圖--集熱性能和光照適應(yīng)性

這樣一種形式的吸熱器可以大幅度提升集熱性能和對光方面的要求,這樣一種吸熱器,它液面的反射率相當(dāng)于塔式里面Pyromark 黑漆。 第二它的表層液面溫度比底層低,它的散熱系數(shù)不是按照565度峰值來算的,它可能更低, 第三液體內(nèi)的理論換熱系數(shù)是無上限的,在吸熱器將近7平方米全部是同一個溫度,它沒有階層沒有分布,因?yàn)槔碚摀Q熱系數(shù)是很高很高的,在同一個液體里面。它對光斑均勻性沒有要求,只要光是照在吸熱器里面就能達(dá)到加熱熔鹽的效果,不用擔(dān)心過于集中了產(chǎn)生過熱點(diǎn)了把鋼管燒掉了,因?yàn)闆]有鋼管,不需要這么昂貴的材料,在傳統(tǒng)里流速調(diào)解非常重要,這里面沒有流速調(diào)解,或者說流速調(diào)解不再受管道的限制,照度無上限,中間的光斑,這是一個商用電站的規(guī)模,中間紅點(diǎn)的照度是1.2兆瓦,我相信現(xiàn)在的塔式系列沒有一個這樣的照度存在,這太高了,任何基礎(chǔ)材料

沒有辦法這樣走,但是因?yàn)槭堑孛嫖鼰崞?,因?yàn)槭侨埯}直接加熱,所以對光斑的要求大大的降低。


江蘇鑫晨定位為太陽能發(fā)電進(jìn)場工程服務(wù)商和運(yùn)維服務(wù)商,我們做這個項(xiàng)目為了驗(yàn)證定日鏡的批量化設(shè)備生產(chǎn)能力,目前的示范系統(tǒng)是按照商用化定日鏡要求來生產(chǎn)的,驗(yàn)證中等規(guī)模工程實(shí)施能力,還有中等尺寸的二次反射塔的工程實(shí)施能力,以及熔鹽的吸熱、儲熱、換熱集成的能力,同時也配套小型的工業(yè)汽機(jī)為大型電站以后作為培訓(xùn)中心,也是為了準(zhǔn)備一些團(tuán)隊(duì)的儲備。另外也為了獲得足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),能夠反演到商業(yè)電站規(guī)模的級別,保證下一步開發(fā)商業(yè)電站的成功。去年年底的時候面臨決策,今年直接開工上商用電站還是先在鹽城建一個工程做一個大家看得見規(guī)模的系統(tǒng),把時間拖晚一年,最后結(jié)果我比較慶幸,我們愿意用多一年的時間多花一些錢去做這樣的中式規(guī)模的準(zhǔn)備工作。


最后得出來的結(jié)論,如果要進(jìn)行商業(yè)化規(guī)模的建設(shè),第一定日鏡標(biāo)準(zhǔn)的各種材料處理方面的專機(jī)這是必須要有的,第二裝配生產(chǎn)線,還有在現(xiàn)場安裝的專機(jī)也必須要有,安裝的精度要求很高,還有一些工程方面的內(nèi)容。


下一步來說,我們整個推進(jìn)的是標(biāo)準(zhǔn)模塊化的進(jìn)場,標(biāo)準(zhǔn)模塊是5兆瓦發(fā)電功率加6小時蓄熱的標(biāo)準(zhǔn)電場,包括4300面定日鏡,吸熱塔高60米,口徑60米,吸熱器的熱當(dāng)量是13.8兆瓦,配備了熔鹽罐100兆瓦時,這是冷熔鹽罐,還有一個低揚(yáng)程的高流量的熔鹽循環(huán)泵,我們的正好和傳統(tǒng)的塔式熔鹽泵相反,不需要高揚(yáng)程低流量,我們需要低揚(yáng)程高流量,更多的采用渦流板。


我們也遇到這樣的問題,做小模塊只做一個模塊5兆瓦好不好,現(xiàn)在的趨勢是大塔,我們并不是不能做大塔,現(xiàn)在如果把鋼塔升到120米,單塔也能做到50兆瓦左右的規(guī)模。怎樣步進(jìn)到100兆瓦規(guī)模的商業(yè)電站,它大概就是20個鏡場模塊,共用同一個高熔鹽罐,也就是每個塔底下只存冷熔鹽,所有加熱后的熔鹽匯聚到常規(guī)島上。100兆瓦的電站按照數(shù)據(jù)推算,光學(xué)效率接近52%,地面吸熱機(jī)效率91%,最后得到的光熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率是19%,上網(wǎng)總效率17.45%。


為什么要做小的單模塊疊加形成一個電場,首先從占地進(jìn)行考慮,標(biāo)準(zhǔn)大塔型的電場,最密靠近塔的一圈把鏡子抽出來最后形成,單位裝機(jī)8.9英畝,現(xiàn)在這么做單位裝機(jī)只有5.3英畝,單位Gwh發(fā)電量只有1.89英畝,按照NIREL統(tǒng)計(jì)是2.8,也就是說占地率比國際同樣的塔式水平占地水平高48%,地不是免費(fèi)的,能省就要省,不光是地價的問題也是后期土建處理的費(fèi)用。


從塔式設(shè)計(jì)的角度或者從光學(xué)角度來說是一個的規(guī)律,離塔越近鏡子越密,占地率越高,離塔越遠(yuǎn),鏡子占地率越低。離塔越近,光學(xué)效率越高,離塔越遠(yuǎn),光學(xué)效率越低。這是數(shù)學(xué)定律。為什么大家要往大大塔來做,可能是因此熱功太貴了,我們核算過,單50兆瓦的塔定日鏡和10個5兆瓦模塊,同樣的配置、同樣的發(fā)電量,占地多30%多,造價也差不多貴30%,至少在我們這個案子里小塔更有優(yōu)勢。


555.png

圖--熔鹽管道壓降與溫降


塔式電站的熔鹽管很長,100兆瓦電場熔鹽總管道6.48公里。左邊是這6.48公里沿程阻力,570度是熱熔鹽輸送過程熱損,第二行是冷熔鹽輸送回去過程熱損表,整個全部把熱損用電補(bǔ)上大概只有1.75%,相對于地面吸熱器,泵功很小,揚(yáng)程只有3-4米,相對于100米揚(yáng)程的大塔至少7%到8%自用電率,這樣1.7%自用電率是賺了的,還有一個好處是,中國業(yè)主比較喜歡的,多模塊可以分布建設(shè),比如說100兆瓦需要20個模塊,先建十個模塊,建一個常規(guī)島,可以滿功率發(fā)電,發(fā)電效率不會變化,但是發(fā)電時長變化了,這樣周期是在一年的時間就可以電站建成發(fā)電,甚至更進(jìn)一步可以把建成發(fā)電的電站先抵押了,雖然是半個電站,剩下的一年時間過了冬天以后再建剩下的十個鏡場模塊,這樣把兩年半的建設(shè)周期分成兩個階段,可以大大改善業(yè)主前五年的項(xiàng)目建設(shè)期和項(xiàng)目前期的財(cái)務(wù)環(huán)境,對財(cái)務(wù)模型有很大的改善。


蓄熱和太陽倍數(shù)的問題,把所有的數(shù)據(jù)帶進(jìn)去計(jì)算,它不是單一的值,可能是一個區(qū)間,縱軸是代表蓄熱小時數(shù),橫軸是太陽倍數(shù),太陽倍數(shù)進(jìn)場輸出規(guī)模是汽輪機(jī)的倍數(shù),顏色越深代表的電價越低,其實(shí)是一個區(qū)間,可以1.2個太陽倍數(shù),接近6小時蓄熱和選1.4的倍數(shù)接近8小時蓄熱,其實(shí)單位成本電價上是一樣的,這樣提供了另外一種可能性,按照這樣的模型有沒有可能建完一個100兆瓦電站,如果覺得再擴(kuò)容幾個模塊、擴(kuò)容一些熱罐是不是可以保證原來最低的單位成本電價。


從幾個角度去考慮怎么設(shè)計(jì)這個電站,最終獲得更低的綜合成本,一縮短工程設(shè)計(jì)周期,相對大塔需要很長的設(shè)計(jì)周期,設(shè)計(jì)一個進(jìn)場模塊其他的拷貝就可以了,工程設(shè)計(jì)量大大的減少了,第二加快工程安裝施工,因?yàn)槎际悄K化設(shè)計(jì)。每一個模塊化施工很快,第三熔鹽蓄熱是安全穩(wěn)定,減少了運(yùn)營成本,第四鏡場模塊是最佳性價比,分布投資提高資本的利用率,最后達(dá)到更低的綜合成本。


謝謝大家!

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