关于塔式光热电站吸热器,你应该知道这些
发布者:本网记者Grace | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 1评论 | 3304查看 | 2018-01-04 18:43:00    
——光热示范项目供应链关键产品设备系列报道之吸热器篇

CSPPLAZA光热发电网报道:对塔式光热发电技术来说,吸热器是类似于槽式技术中的高温真空集热管一样的核心装备,其承担着吸收太阳热能的重要作用。

塔式吸热器的技术含量很高,目前全球范围内拥有塔式吸热器设计制造能力的企业为数不多。那么,吸热器在加工制造过程中有哪些技术难点?运行工况较严苛的吸热器管材应如何选择?光热项目业主及EPC方在采购吸热器时应该考虑哪些因素?吸热器在运行过程中应注意哪些问题?吸热器的供货周期及成本下降空间如何?带着上述问题,CSPPLAZA记者采访了几家业内知名的吸热器厂商。

吸热管选材:普遍选用625与230材料

在塔式熔盐光热电站中,吸热器的太阳能流密度大,且其要在高温、腐蚀的工况下运行,这对吸热器管材的选择提出了非常高的要求。据了解,目前众多吸热器厂商普遍选用镍基合金材料如625耐蚀合金钢或Haynes230作为吸热管材料。

那么,这两种材料是否均能满足吸热器运行条件,两者又有何不同呢?对此问题,东方锅炉股份有限公司(简称“东方锅炉”)相关技术负责人表示,二者都具有非常良好的耐高温、耐腐蚀和抗疲劳特性,均可作为吸热管材料,且均有一定的应用先例。

杭州锅炉技术人员援引了ASME材料数据表中的资料表示,二者在600℃以下的平均热膨胀系数差异细微、高温抗疲劳性能接近。在高温强度方面,当温度大于750℃时,230的强度稍优,而在750℃以下,625的高温强度优于230;在耐高温熔盐的腐蚀方面,625材料的腐蚀速率略小于230;在焊接加工方面,230材料含钨量高,切削焊接性能不如625。

来自北京巴布科克·威尔科克斯有限公司(简称“北京巴威”)的代表则表示,由于625材料的使用温度通常不超过650℃,因此其对熔盐吸热器表面的热流分布要求较高,需要较好地实施光斑控制策略。

此外,CMI太阳能公司(简称“CMI”)方面表示,其对230材料的耐腐蚀性及应力情况等进行了深入研究,并通过大量的检验和检测确认该材料是极佳的选择。但是,该公司表示特定规格的625材料(并非所有的)应可作为管材,但需要进行进一步研究,同时项目是否采用ASME标准也会影响材料的选型。

国内外吸热器产品均在不断优化和创新

在熔盐塔式光热电站中,吸热器正常工作时需要耐受600℃以上的高温条件、2MPa左右的工作压力,而吸热器本身通常包含数以千计的吸热管,数以万计的焊接端口,每个焊接端口的质量都会影响到吸热器的可靠性,因此吸热器对加工工艺提出了非常高的要求。

杭州锅炉集团股份有限公司(简称“杭州锅炉”)技术人员告诉CSPPLAZA记者,在吸热器加工制造过程中,各生产厂家普遍面临薄壁镍基管材的弯管、焊接、管屏的组装和涂层的烘干等方面的技术难题,具体包括:小口径薄壁弯管的弯制;薄壁管接头和集箱对接;集箱、管接头、管组制造和装配精度的控制;薄壁管接头与集箱的焊接变形的控制;薄壁且异种钢管对接;热处理变形的控制;管屏表面吸收涂层的喷涂工艺等。

由于设计和制造难度较大,准入门槛较高,再加上商业化光热项目目前还比较少,导致目前全球范围内拥有塔式吸热器制造能力的企业较少,拥有商业化应用案例的更是屈指可数。但得益于塔式光热技术近几年异军突起,渐有超越槽式技术之势,同时中国光热发电市场也正式启动,为了迅速适应和占领市场,已进入该领域的国内外吸热器厂商正在不断对各自产品进行优化设计和创新。

  图:相关吸热器厂商及业绩统计

据CMI方面介绍,经过多年研究和实践,该公司已形成了一系列独有的定制化的创新设计。以该公司智利ATACAMA项目上所制造的吸热器为例,该吸热器的表面由16个管屏排列组成,形成2个并联的回路,每个回路由8个管屏组成,同时满足熔盐在不同管屏内的流速和压降的限制条件。

此外,为保障吸热器的安全运行,CMI对吸热器内部的入口罐以及空气罐进行特殊设计,并结合该公司开发的红外温度以及应力实时监控系统,从而避免出现吸热器过热现象。同时,CMI吸热器的钢结构以及护板采用全螺栓式的结构,在现场组装时,无需焊接,有助于减少现场安装工作量;在进行设备维修工作时,只要卸掉相应位置的螺栓即可,便于对管屏进行维护和保养。据悉,该公司保温密封护板结构、红外温度以及应力实时监控系统及吸热器维护系统都已获得专利。

  图:采用CMI吸热器产品的南非Khi Solar One塔式光热发电项目

中外合资企业北京巴威公司则通过引进美国B&W公司完整的吸热器技术授权,完成了50MWe-100MWe大容量吸热器的研发,并成功参与了国内多个项目投标。北京巴威公司在执行国际通用ASME相关标准规范的同时,又针对国内情况对于各种细节考虑都进行了深入研究:吸热器及刚性梁的结构设计结合了美方的工程设计经验,考虑了管子在各个方向上的膨胀及应力;同时管屏的刚性可以抵御各种外来荷载,保证吸热器管屏的稳定性。此外,整个吸热器系统采用三维软件进行详细设计,有效保证了各个部件之间的接口和装配,避免发生碰撞,并预留出足够的检修操作空间。

图:北京巴威向esolar加州Sierra塔式光热电站交付的吸热器


国产供应商方面,经过近年来积极参与一些试验项目和首批光热示范项目,东方锅炉和杭州锅炉、首航节能等企业也在逐步崛起,在积累了一定项目业绩的同时,也研发出了拥有自主知识产权的吸热器制造技术并不断进行优化和创新。

截止目前,东方锅炉已完成了300MWt与600MWt容量等级的熔盐吸热器的全面自主开发与详细的技术设计,形成了系列化的技术设计标准及完整的运行控制策略。

  图:延庆1MW塔式光热发电试验项目选择了东方锅炉生产的吸热器

在结构设计方面,东方锅炉吸热器采用独立的模块化成套管屏结构,便于厂内设计制造、整体运输、现场组装及后期的更换与维护;合理的流速选取、流程设置及管屏数量,减小了吸热器的沿程阻力损失;适当的管屏宽度,保证了受热均匀,减小了流量偏差与热偏差;选用耐腐蚀、耐高温及抗热冲击的薄壁高镍合金管材料,可满足吸热器高热流、非均匀受热及频繁启停需求,同时减小散热面积,提高效率及降低成本;独立的限位固定管夹设置,允许管子轴向自由膨胀,限制其径向变形出列,保证吸热器安全运行及减小露光损失;专用的热套管结构,减小了集箱管接头热冲击所产生的局部高热应力,延长使用寿命。完整的吸热器运行控制策略,保证了吸热器在各工况尤其是突发状况下的安全稳定运行。

而杭州锅炉在塔式吸热器产品的研发历程已有8年多的时间,其已完成了水工质吸热器及熔盐工质吸热器产品的设计与供货,并成功实施了从数值模拟到小型试验(200kWt)再到10MWe级光热示范项目。在上述研究的基础上已经完成了300MWt、600MWt熔盐吸热器的研制工作(分别对应于50MW、100MW电功率,约10h储热时长的塔式电站)。

今年4月18日,杭州锅炉顺利拿下了青海中控太阳能德令哈50MW项目的熔盐吸热系统订单,供货范围包括吸热器本体、管道阀门仪表伴热和辅机系统(空压系统、电梯和塔吊等)。

图:杭州锅炉吸热器应用于中控太阳能10MWe塔式光热发电项目


另外,首航节能在其敦煌10MW和100MW光热发电项目上,则统一采用了其自己生产的吸热器。


下载.webp.jpg

图:首航节能敦煌10MW熔盐塔式光热电站吸热器正在工作中


运行过程易出现问题及应对措施  


鉴于运行温度高、太阳能热源的间歇性和系统介质熔盐的腐蚀性等因素,吸热器在运行过程中可能会面临熔盐泄漏、冻堵及超温等问题,如不能妥善处理,可能造成人身伤害或危及相关设备,最终影响电站的正常运行及经济收益。


对此,东方锅炉方面表示,为防止熔盐泄漏,应根据实际情况,在可能发生熔盐泄漏、溅射的地方,要设置防止熔盐溅射的装置,或设置防火墙、防爆墙等隔离装置。针对熔盐凝固,可采用成熟、可靠的伴热系统设计及快速疏盐系统设置,同时避免次日系统重启时产生严重的热应力。如果某处温度过低,可使用辅助热源。为防止熔盐超温,可采用多目标点镜场调度策略,实现吸热器表面能量的低溢化与热流均匀化,同时可联合运用红外热像仪及壁温测点对受热壁面进行实时在线监测,防止管屏超温。


在吸热器运行过程中,其表面的热流变化通常会受到来云的影响,容易造成对吸热器的热冲击。而为控制好吸热器表面的热流分布,杭州锅炉方面认为可以用可靠的镜场算法及快速的调度方案防止吸热器表面超温,并定期检查吸热管外表面的涂层和吸热管的变形情况。


同时,杭州锅炉方面表示,冷盐泵故障或失去电源对吸热器是一个潜在的威胁,如果在上述情况下没有可靠的安全措施(目前通常采用带压缩气体储能的进口罐作为事故安全措施),吸热器会因为失去熔盐的冷却而导致超温甚至烧毁。


北京巴威方面表示,应对吸热器的阀门和可能发生熔盐泄露的部位进行经常性检查,并采取正确的措施保证人员和设备安全。此外,在吸热器设计时应做好周全考虑,以良好的设计方案为基础,完备的启动与运行策略作保证,确保吸热器及整个光热电站的可靠性。


供货周期长和成本高问题如何解决?  


据吸热器供应商普遍反映,目前吸热器材料供货方的供货周期通常在6-9个月之间,加上吸热器的制造及运输通常需要3-4个月的时间,因此吸热器整体供货周期大约在9-12个月之间。


对此问题,东方锅炉方面表示,随着光热行业的规模化发展及关键材料的国产化推进,吸热器供货周期将大大缩短。杭州锅炉方面则表示,吸热器制造周期的瓶颈在于原材料及配套件的采购周期。目前,塔式熔盐光热项目吸热器通常采用进口材料,而不同项目对吸热器管材的规格要求多样,这样就导致材料采购周期较长。


而针对吸热器整体成本目前仍较高的问题,东方锅炉方面表示,就国产吸热器而言,其现阶段的成本下降空间关键在于吸热器原材料价格,同时也受制于国内相关配套件产业链不完善或经验欠缺等因素;从中长期来看,要推动吸热器设备的价格进一步下降,还需要在设备结构定型、制造工艺提升、生产自动化、材料性能进步等多方面进行努力。


CMI也表达了类似的观点,并认为由于吸热器技术的发展历史较短,其成本下降是一个长远的话题,目前各个厂商应从设备研发、确保产品质量及积累项目经验等方面着手,不断提高产品竞争力。


北京巴威则补充道,随着一些新的吸热介质如固体粒子的出现及超临界CO2技术的日益完善,吸热器的成本也会不断降低。


如何采购高性价比的吸热器产品?  


随着中国首批光热示范项目的推进,部分项目的采购工作已经大规模展开。而在开发经验极少和可参考信息非常有限的前提下,如何采购到高性价比的关键装备无疑是业主与EPC方极为关切的重点问题。


目前已有多个采用塔式技术的首批示范项目都已经完成或正在进行吸热器设备的招标工作,那么,对于吸热器的采购,供应商们会提出哪些建议呢?


东方锅炉方面建议,业主及EPC方在进行吸热器设备采购时,应选择品牌和规模都相对较好的大型热能动力装备制造企业,综合考虑厂商在产品设计研发、制造工艺、及质量控制等方面的水平。另外,对国内品牌应给予一定的信任与支持,促进光热产业链的发展与完善,降低光热发电成本,推动光热产业的发展。


杭州锅炉方面也表达了类似的观点,其认为业主和EPC方除了考虑价格因素,还应考虑设备的运行成本、维护速度及服务质量等因素。此外,由于吸热器的供货周期较长,业主或EPC方进应做好统筹安排,以免影响项目的整体进展。


目前,业主和EPC方大多将吸热器和镜场合成一个采购包开展招标工作,这样有利于设备和系统的内部优化,提高整体效率和可靠性。但是,从目前已招标项目的付款条件来看,制造商前期垫资负担过重。对此,北京巴威呼吁道:“在镍基材料非常昂贵的前提下,我们希望项目的付款方式更为合理,在获得必要的资金投入的前提下确保合同的顺利执行。”


而在谈及国内外吸热器产品的差异时,受访企业大都表示,光热发电事业在国外的起步与发展较早,因此国外厂商主要在设计、制造及运行经验方面相对较为成熟,大容量的投运业绩更容易赢得业主信赖。但就国内项目而言,进口吸热器在设备成本、制造周期、海关运输、现场服务、备品备件等方面会存在诸多不便,国内厂商在这一方面相对具有优势。

最新评论
1人参与
zjchuaran
美国巴威除设计了熔盐塔式接收器,近期还设计了固体例子接收器,结构与桑迪亚的很类似,希望大家在关注现有熔盐塔式技术的同时,最好也关注一下美国第三代光热发电技术的进展。估计美国会采用跨越式发展模式,今后将直接采用固体粒子塔式太阳能热发电技术,特别是与超临界二氧化碳发电技术结合,再创美国第一。
2018-01-15 12:27:13
0
马上参与