DSG光热发电技术真的没有未来吗?答案将因此而改变
发布者:walt | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 1评论 | 2621查看 | 2018-01-15 16:06:00    
  ——兆阳光热创新性光热技术体系系列深度报道之四


  CSPPLAZA光热发电网报道:“既然当前主流的光热发电技术的末端都是用水蒸汽推动汽轮机发电,为何还要用导热油、熔盐去传热换热呢?像传统火电站一样直接用水不是更简单吗?”


  刚入行的人往往都会有这样一个疑问,这时,已经被行业默认的答案会告诉他,直接用水对集热管和聚光集热系统的技术要求过高、稳定性不佳、没有经济性的储热方案……。


  那么,DSG(直接蒸汽发生)技术真的没有未来了吗?今天,北京兆阳光热技术有限公司(下文简称兆阳光热)总承包建设的张家口15MW类菲涅耳水工质电站用其实际建设运行成果回答了这一问题。


  DSG技术体系的固有缺陷和难点


  事实上,光热发电业界对DSG技术有较长时间的研发和示范,槽式、菲涅耳和塔式技术领域均建有对应技术体系的DSG电站,其中菲涅耳和塔式DSG电站甚至达到了单机百兆瓦级的商业化规模。但这并未引领DSG成为主流的光热发电技术。


  兆阳光热总工程师李维认为,究其原因,DSG技术有两方面的本质缺陷难以克服:第一,DSG热传循环存在相变,工况远比单相工质复杂得多,再加上光照强度和入射角度始终在变,工程设计中一般选择相对简单的直接产生饱和蒸汽方案,如果直接产出过热蒸汽,输出稳定性通常较差,系统可靠性不高;第二、热力循环存在的相变过程使与DSG配套的储热设计较为复杂,常规的熔盐冷、热罐倒换运行模式会造成热源品位大幅下降,不具实用性,合适配套的长时间储热技术理论相对缺乏。


  囿于此,目前,国际上已投运的DSG电站一般仅产出饱和蒸汽,且不设置长时间的大规模储热系统,需要增加补燃系统或与常规锅炉蒸汽体系联合运行才可满足汽轮机发电系统的稳定性和可调节性需求,因此发展空间受到很大制约,未能形成大规模应用。


  对于常规的槽式聚光集热系统,其真空集热管随着反射镜一起转动,若采用水作工质,高温高压运行的DSG系统很难经济可靠地解决管路的活动连接问题;更重要的是,槽式聚光集热系统的吸热管呈半周加热状态,聚光分布不均匀性十分严重,辐照能流分配不均匀很容易导致吸热管径向温差较大,已有研究表明,吸热管的受光和背光两侧吸收的太阳能量比超过60:1,导致吸热管径向环温差可达80℃。另外,随着反射镜的旋转,受光区与吸热管内部液相区不能重合,会进一步加剧吸热管内金属管的弯曲,从而导致真空玻璃管破损,因此,单从这一角度就可判断,槽式DSG的实际应用难以成功。


图:槽式吸热管受热分布示意图


  对于菲涅耳DSG技术而言,一些南北向线性菲涅耳DSG聚光吸热器较多地采用了多根裸管的布置方案,因镜场南北轴布置,聚光倍率相对较低,且单根吸热管直径较小,环温差相对较小,相较槽式真空集热管的弯曲更少,但简单的集热器和裸管结构,使得吸热管完全暴露于空气环境中,吸热涂层耐受温度较低、发射率和热损相对较大,导致南北轴向线性菲涅耳系统普遍运行在300℃左右的温度区间,只能产生饱和蒸汽,聚光集热效率较低,实用性不佳。


图:现有的菲涅耳和塔式DSG项目集热器示意图


  对于塔式项目,采用DSG技术最终产生的蒸汽参数可以轻松达到545℃,但由于聚光倍率很高,吸热器自身的局部温度会升高到700-800℃,且径向仅半周受热、轴向光强分布差异巨大且不断快速波动,工况极为恶劣,对材料及涂层的要求很高,可靠性和经济性较差。另外,塔式聚光体系对能流分布的匀化控制能力有限,按照类似上图右边部分所示的简单分区布置预热、蒸发、过热管束的方式,在大风或多云天气情况下难以实时控制各分区的能量分配,极易发生过热不足或超温烧毁的情况,即使通过各类改进性分区设计,实现连续稳定输出合格参数的过热蒸汽的挑战依然很大。


  为何还要研发DSG光热技术体系?


  既然DSG技术体系存在如此多的缺陷和难点,兆阳光热为何还要长期坚持发展DSG技术体系?


  李维认为,新能源不可能长期依赖补贴发展,当前风电光伏已接近平价上网,光热发电需要在较短时间内尽快实现度电成本的大幅下降才可能有机会进入到大规模产业化发展阶段,因此,选择水、混凝土之类来源广泛、经济安全的工质材料,对于实现光热发电平价上网目标的意义特别重大,是兆阳光热研发体系的长期战略方向。


  目前,光热发电行业采用的传热工质主要分为三种:导热油、熔盐和水/蒸汽。其中槽式电站最多采用的导热油热传体系技术成熟、业绩最多,但存在导热油价格较高、额定工作点温度较低、高温裂解、需要过滤及定期更换、循环泵及电伴热功耗大、运行管控要求高等缺点,且存在泄露污染及气化爆炸的危险。


  熔盐热传体系作为新一代技术,具有额定运行温度高、原料成本相对较低、热传热储简单一体化等优势,但存在凝固点较高、保温防冻能耗太高、具有腐蚀性,对材料性能要求严苛、专用设备选择较少且价格高、泄露原因复杂、维修时间长、设计使用规范少、消防安全管理压力大等诸多问题,且存在实际运行经验较少,安全经济运行难度较大等不足。


  总的来看,导热油、熔盐作为光热发电的传热工质从技术层面看无疑是可行的,但也明显存在安全可靠性和经济性差的缺点。此类易燃易爆强氧化材料在运输、储存、使用、消纳各环节都存在安全隐患,运行管理成本只会进一步提高而很难降低,工质原料及其配套设施组件的采购成本下降空间也较小,且此类工质体系都需要与后续汽轮发电机组的水/蒸汽工质体系进行换热,换热环节较多,效率下降;另外,高性能导热油的供应还要依赖进口,难以支持大规模应用;同时,具备这些油盐类特殊传热工质发电系统工程运行管理经验的人员极为稀缺,很难在几年时间内满足大规模发展需要。


  李维进一步从成本角度定量分析称,在线聚光集热发电系统的度电成本构成中,与此两类传热工质相关的采购建设成本通常超过0.2元/kWh,再加上较高的运维管理成本,总体可能超过0.3元/kWh甚至更高,并且下降空间很有限。因此,我们认为,该项成本在光热发电的试验示范阶段是可以接受的,但如果无法短期内大幅度削减成本,则很难发展到接近平价上网的大规模产业推广阶段。


  而采用水/蒸汽工质传热体系是一种高度成熟可靠的常规技术,其具有高的比热容、相变焓及低密度,安全环保且其循环所需功耗也最低,几乎被一致认同为常规传热系统最优的工质;另外,水这种原料最为常见、工作温度高、廉价无污染、安全无毒、运行成本低,系统简单、所采用的阀门、仪表等零部件与常规火电站相同,有成熟的设计、施工、验收及运行规范规程可以借鉴,水工质系统运行维护经验丰富的人员数量众多等优点。


  由此来看,如果能够克服水工质系统存在的固有缺陷和难点,其发展潜力不可限量。


  兆阳光热如何突破DSG技术体系?


  历经十余年研发和对多个不同设计方案的回路测试实践,兆阳光热依托其独创的HLIACS聚光集热体系,逐项解决了传统DSG体系存在的缺陷问题,证明了兆阳光热DSG技术的基本可行性,并通过为其配套的大规模混凝土固态储热系统进一步保证了整体系统运行的稳定性和灵活性。


  综合来看,兆阳光热主要通过以下几个层面突破了DSG技术体系的缺陷。


图:兆阳光热DSG技术体系简要流程图


  ▌高达200倍的聚光倍率:HLIACS聚光集热系统不但能够充分利用较低的DNI辐照资源,还可以在较大幅度的光照条件变化环境中,始终保持很高的聚光集热效率,从而实现大范围的流量调节,较易维持蒸汽参数稳定,避免输出温度压力随光照变化快速波动,这有些类似在复杂路况情况下,大排量汽车操控性更好些安全性更高些的情况。多回路并联的实际运行测试表明,即使在复杂的多云天气下也可方便地实现输出参数基本稳定。调试实践证明:一般天气条件下,均可实现13MPa、450℃的蒸汽参数,并且投入回路越多,系统控制运行越稳定。


值得一提的是,水工质体系具有朴素安全的基本特点,即使特殊情况下个别回路的输出参数出现较大幅度地升高(例如大幅超温100℃或压力急剧上升等等),其也有充足的反应调整时间,水工质不存在过热分解的不良后果;同时,目前DSG系统的设计温度点远低于常规火电的运行温度,材料及设备设计冗余量充足,不易损坏;单个回路的超温过热蒸汽汇入主蒸汽管道后会迅速稀释降温,对整体输出参数影响极小;多回路并联运行时,能相互抵消参数波动,有利于实现在多云等复杂光照条件下的稳定输出;超压对空释放安全、清洁,几乎无经济损失等等,系统管控相对简单安全,易于掌握。


但如果采用导热油或熔盐传热工质,情况会有很大不同,因这些工质材料耐温有限,基本都已工作在接近上限许用的温度点,允许的温度波动范围很小,稍不留意就会过温分解,即使已经对各回路的一致性进行了精细调节,在稍微特殊的环境条件下或者运行操作稍有偏差时,仍难避免出现波动过温问题,对运行管控水平要求很高,一般认为过温分解现象难以完全避免,对传热工质的使用寿命以及度电成本影响很大;特别是特殊情况下的紧急排放更是极易发生汽化爆燃危险或造成环境污染问题,隐患很大。


▌接收器位置固定:管路伸缩膨胀补偿输出结构设计简单成熟,同时方便进行各类机械结构设计,以减弱振动、辅助自由伸缩、控制真空集热管弯曲度等,保证集热系统的长期可靠运行。


▌CPC二次高倍聚光设计,能够显著改善吸热管圆周能流分布均匀性、降低环温差,再进一步配合内部均温设计,可大幅改善真空集热管工作状态,增强换热效果。


▌线性聚光集热体系的能流密度在长度方向上分布均匀,除特殊的情况外,完全可以按照预热、蒸发、过热各段的焓增量数值设计相同比例的功能段长度,而不需对聚光状态动态调整,通常各种光照条件下都能维持预热蒸发焓与过热焓值的基本稳定比例关系,天然简单可靠,从原理上基本避免了过热度不足或超温损毁的情况;并且,兆阳光热DSG体系还对预热蒸发两段进行了优化合并设计,进一步降低成本、提高可靠性。


▌预热蒸发段设置汽水分离装置,维持较多的预热蒸发段循环水量,通过特殊的管内结构保证蒸发换热状态稳定及管温稳定,有效避免了振动水锤和材料疲劳破坏现象,确保器件结构长期安全。再加上HLIACS聚光集热系统的单个回路对应镜场面积超过一万平方米,汽水分离装置及配套管路阀门经济成熟、管理简单,此项设计的摊销成本很低,经多回路各种光照气候条件下长期实际运行证明,该设计经济耐用、运行安全可靠。


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图:集热系统中设置的汽水分离装置


▌过热段增强换热及均温设计:针对入口干度稳定的饱和蒸汽,在过热段设计了增强换热及径向均温的内部结构,有效降低压降、保障过热段的换热效果和器件安全,保证系统稳定性,实现输出合格过热蒸汽的目标。


▌大规模混凝土固态储热系统,进一步平滑稳定蒸汽参数。镜场聚光集热产生的蒸汽既可以在晴朗天气时段,由旁路分出部分汽量直推汽轮机,也可以把较复杂光照时段或参数不够稳定的蒸汽全部送往大规模混凝土固态储热系统进行分类储存,汽轮机则可以由储热系统输出单元产生的参数稳定的蒸汽进行推动,这是实现充分利用各类光照资源、确保持续稳定发电输出的系统性关键环节。


▌系列实用化专利设计,进一步保证系统稳定高效运行。为了保证DSG系统的长期高效运行,HLIACS系统还采取了一系列实用性很强的工程设计:


▶CPC二次反射镜设计有散热降温结构,确保高倍辐照条件下的常年使用寿命;


▶开发了集热器CPC二次反射镜和真空集热管的自动清扫车,定期擦拭清扫CPC镜片和真空集热管玻璃管壁,在无损伤情况下,保证反射透射效率,避免局部过热损坏;


▶真空集热管非有效接收段的增强防护及反射利用设计,保证真空集热管使用安全并有效提高聚光集热效率;


▶防冻系统和镜场启动预热系统联合节能设计,将汽轮机余热与镜场防冻系统的加热需求相结合,有效利用低品位能量,显著降低镜场防冻系统的伴生电耗;电站启动及预热系统的综合设计可以显著缩短镜场启动时间,实现防冻、预热和正常运行模式的启动平滑过渡,大幅减少每日投入启动时间,提升聚光集热效率。


兆阳光热DSG技术体系是在对国际上既有的DSG光热电站进行深入分析研究的基础上,结合直流锅炉热力系统的设计经验,利用HLIACS聚光集热系统的优势,经过近十年的研发、测试,历经小规模到大规模的实际验证,初步形成了较为完善的设计、制造和安装调试体系。从原理验证、工程完善到运行控制各方面逐项证明了该技术体系的可靠性和经济性优势。


位于河北省张北县的15MW光热发电项目已经证明了兆阳光热DSG技术体系的可行性,实际运行测试结果与设计目标一致,通过对设计、建设、调试运行中获得的各项技术经济指标数据进行详细总结分析表明,该DSG体系在安全可靠、简单实用方面远优于其它技术路线,且在大型示范项目中传热系统建设运行成本能够比传统传热技术体系下降接近一半,这对于降低建设运行风险、提高投资回报,推动光热产业稳健、可持续大规模发展具有重要促进作用。


注:关于DSG技术发展的重大技术障碍:难以配套长时间大规模的储热系统,兆阳光热通过其独创的固态混凝土储热系统予以有效解决。对该储热技术的深度报道即将在近期刊出,敬请关注。

最新评论
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zjchuaran
DSG即直接蒸气太阳能热发电发电技术最早见于欧盟的执行期为1996至2001的科技计划,之后在西班牙PSA开展实验,参与国家很多,德国DLR的科学家参与较多,对此技术抱有很大期望,基于实验中的问题,包括我们也有针对性的提出解决办法,寄希望有所突破,例如专利200910175484.2和201010238342.9是最早在国内以DSG技术为研究对象的专利文献,也提出了自己的改进办法。如果本文编辑有兴趣的话也可以上网搜一下PSA发布的由DLR科学家撰写的《Project DISS (DIrect Solar
2018-01-16 10:38:47
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