DSG如何实现大规模储热?兆阳光热混凝土储热系统给出答案
发布者:admin | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 3521查看 | 2018-01-23 18:01:00    
  ——兆阳光热创新性光热技术体系系列深度报道之五

  CSPPLAZA光热发电网报道:在华强兆阳张家口一号15MW光热电站,一座白色的“实心”建筑矗立着。即便你是光热行业业内人士,如果不经介绍,你也无法猜到:这正是这座光热电站的储热岛。

  不同于你常见的熔盐储热,这座储热岛采用的储热材料为非常常见且廉价的固态混凝土,其完美匹配了北京兆阳光热技术有限公司(以下简称兆阳光热)的DSG光热技术体系,弥补了DSG技术难以配置长时间大规模储热系统的固有缺陷。

图:华强兆阳张家口一号15MW光热电站混凝土储热系统

  DSG传热体系为何要配套混凝土储热技术?

  目前,光热发电行业主流的储热介质为熔盐,熔盐储热技术为何不适合DSG传热技术体系?兆阳光热混凝土储热系统是如何实现与DSG传热技术相匹配的?下面参考简化的温度-焓增示意图,从技术原理角度进行简单论述。

  ▍导热油传热熔盐储热组合

图1:导热油传热熔盐储热的温度-焓增示意图

  图1展示的是目前常见的导热油或熔盐作为传热工质(以下以导热油为例),熔盐作为储热工质的技术路线,这是目前光热发电行业的主要传热储热模式。储热环节,低温导热油进入镜场聚光集热系统后温度升高,与低温罐的熔盐在导热油/熔盐换热器中进行换热,被冷却的导热油回流至聚光镜场再次受热,而被加热的熔盐储存至高温熔盐罐,实现热量的交换和存储;取热环节,汽轮机高加输出的水介质进入熔盐/水工质的蒸汽发生器中,①-②阶段从过冷水升温至饱和水,②-③阶段从饱和水同温度相变至饱和蒸汽,③-④阶段从饱和蒸汽升温至过热蒸汽,输出至汽轮发电机组发电。

  这种使用熔盐温差显热进行热量储存的储热方式,原理简单易懂,大量业绩实践已证明该技术的可行性,本文不再细述。为了降低熔盐储热体系的投资成本,槽式、菲涅耳式和塔式技术路线都趋向尽量提高储热工质的使用温差,达到降低材料用量减少成本的目的,但熔盐在高温情况下使用时对管路、容器及泵阀等器件的材料性能、设计制造要求严格,配套设备价格较高,存在泄漏风险,泄漏后维修时间长,影响电站的稳定运行。

  ▍水/蒸汽传热熔盐储热组合

图2:水/蒸汽传热熔盐储热的温度-焓增示意图

  如图2所示,当采用水/蒸汽工质进行传热、熔盐储热时,聚光镜场产生的过热蒸汽与熔盐进行热量交换,熔盐从低温状态接收蒸汽降温冷凝释放的热量变成高温熔盐。储热过程中,以过热蒸汽参数13MPa、450℃为例,其相变温度t2为333℃,图中可见在t2温度有一段平台,蒸汽在此相变点温度及以下可释放的热量占总可释放利用热量的比值大约为75-80%;取热过程中,以汽轮机满功率参数为10MPa、383℃运行为例,250℃水工质经过①-②的预热阶段—②-③蒸发相变阶段—③-④的过热阶段获得热量变成合格的过热蒸汽;汽轮机所需蒸汽参数相变点t1为303℃,蒸汽在t1相变点温度及以下需要吸收的热量占总所需热量的比值也大约为75-80%;而熔盐工质在换热过程中位于两个平台中间,为了说明方便,不计两次换热的温度端差,其理论最大可利用显热温差为30℃。简单来说,熔盐工质对镜场过热蒸汽储热和对汽轮机满功率发电取热的过程中,需要存储传递的总热量中大约70%的部分只能利用这30℃左右熔盐温差来实现,此温差远低于采用导热油显热传热熔盐储热方式时能够利用的近百度温差,更低于熔盐传热熔盐储热时可以利用的两百多度温差,因此使用水/蒸汽传热方式在储存相同热量时所需的熔盐数量会增加数倍(只考虑利用显热的情况),系统成本完全无法接受。即使为了获得更高的可利用温度差,降低汽轮机工作压力以降低取热相变温度点t1,但考虑到熔盐通常不能低于290℃的最低安全运行温度,最大理论可以利用温差也不超过40℃;即使将来换成多元熔盐,具有更低的可允许运行温度,以及进一步调整汽轮机可允许运行参数降低压力,提高熔盐的可利用温度范围幅度也很有限,且会导致整体发电效率较差。总之,在熔盐材料成本较高的现实情况下,由于其运行可利用温差偏低,导致水/蒸汽工质传热、熔盐储热体系的整体造价巨大,经济上不具备可行性。

  需要说明的是,上述内容只是对水工质传热熔盐储热过程的极度简化说明,忽略了很多过程细节,但总体性质和结论与详细定量分析的结果基本相同:

  ◆水/蒸汽传热体系能够实现大规模储热;

  ◆储热系统可以利用的储热材料温差主要取决于存热、取热两过程的饱和点温差,此温差难以大幅增加;

  ◆利用熔盐温差显热的储热方案在经济上基本行不通。

  根据这几项判断可知,利用相变储热材料、选择低成本显热储热材料以及这两种材料组合使用成为具备可行性的方向,国际上对此也有相应的研究。兆阳光热分析各方面因素,以可靠性和经济性标准进行综合判断,选择以配方混凝土为低成本显热储热材料的技术路线,通过多年研究开发,形成了具有完全自主知识产权的兆阳光热水/蒸汽传热、混凝土固态储热技术体系。

  ▍水/蒸汽传热、混凝土固态储热组合

图3:水/蒸汽传热混凝土固态储热的温度-焓增示意图

  图3为使用水/蒸汽工质传热、混凝土固态储热的简单示意。储热过程中,聚光镜场产生的过热蒸汽对混凝土的高温部分进行储热、水工质的相变部分对混凝土的中温部分进行储热、水工质的冷凝水部分对混凝土的低温部分进行储热;取热过程中,经过汽轮机高加之后的过冷水从混凝土的低温部分进行取热,取热进一步变为蒸汽所需相变热量从混凝土的中温部分获取,而过热蒸汽所需过热热量从混凝土的高温部分获得,各部分热量都是由混凝土的温差显热提供,水/蒸汽传递热量的储存和汽轮机所需热量的提取过程可以近乎完美地匹配。

  该混凝土固态储热系统的换热过程运行曲线也同样位于两个蒸汽相变的平台中间,实际案例中可利用的温度差在40℃左右,因单位质量的耐高温混凝土材料成本大约仅为熔盐材料成本的1/12左右,而两者比热容参数差距不是特别大,这就使得这种小温差、大容量的显热储热方式具有了经济可行性。

  如图3所示的储热系统(或系统的部分单元)热量储满后,取热前期可以执行汽轮机的100%负荷运行,随着所存热量逐渐减少,温度品位逐渐有所降低,汽轮机还可以滑压方式运行,例如从100%出力逐渐至80%出力曲线,工作压力也随之下降到额定工作压力的80%左右,蒸汽饱和温度点也随之降低,取热温差增大,混凝土储存的大量热量得以继续释放;特别的,当遇到长期的阴雨雪天气,因混凝土储热体质量巨大且没有温度过冷凝固限制,当温差加大时能够取出巨大热量,因此可以使汽轮机在低负荷状态运行较长时间,例如极端情况下,能够保持汽轮机20%甚至更低负荷超长时间连续运行,使得光热发电的稳定性和安全性的特点更加鲜明和突出。混凝土固态储热系统的指标特点与常见电网调度需求特点一致,能够在聚光集热结束后储热量最大时提供一段时间的最大功率取热输出,对应支持晚高峰满负荷发电,接下来的低谷用电时段,汽轮机可以降低一定输出功率,以加大取热温差尽量多提取储存的热量,实现储热系统高效利用。


  需要说明的是,上述只是水/蒸汽工质传热混凝土固态储热运行的原理性描述,实际运行管控逻辑设计中需要对各类工况及电网调度需求特点进行综合考虑,对储热系统进行针对性设计,以确保实现各项设计目标。


  混凝土固态储热系统的基本优点有哪些?


  混凝土固态储热系统从建设成本上看,储热工质主体为混凝土,原材料为水泥、砂石和其他少量添加材料,不需要昂贵且不可靠的密闭罐体,一体化的换热通道为普通水蒸气管道,整体成本稳定可控,较熔盐系统有很大比例的成本优势。


  从运行安全上看,混凝土储热系统不会出现冻堵或超温、超压现象;整个系统不会出现过烧现象,基本上就像是一个永远不会过温、没有烟气侵蚀的锅炉,简单安全;并且实际投入运行后混凝土储热体每天工作运行温度波动范围可以控制在40℃以内,温度变化速率极低,对结构强度影响较小。


  从运行稳定性上看,混凝土储热材料没有冷凝冻结风险,对多云阴雨雪天气极不敏感;混凝土体积质量巨大,其显热比热容量巨大,温度难以突变,能够对与之相连接的DSG传热体系起到显著的稳定和调节作用,提供汽轮机运行所需的高稳定参数蒸汽;由于储热系统自身的基础温度高,即使连续阴雨雪天气,汽轮机仍可保持至少连续超过7日不间断运行,有非常大的安全稳定性优势。


  兆阳光热混凝土固态储热系统的性能指标


  兆阳光热混凝土储热体系经历多年研发,主要解决了经济性环保配方、高低温循环强度、高导热系数及高比热容等系列关键问题,同时进行配套的增强换热结构研发,通过大量的实际产品测试检验,在技术的经济性和可靠性得到初步验证后,先后建设了5m³的电储热试验平台进行储热试验以及20m³试验平台与菲涅耳聚光镜场联合运行测试,在充分分析测试数据并改进完善后,确定了各技术参数,完成了720MWh(th)的光热电站储热系统设计与建设工作。


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图4:混凝土样块


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  兆阳光热对研发的配方混凝土进行了抗压、强度、导热、比热、膨胀系数等一系列的第三方综合性能测试,各项指标均达到或优于国外资料公布的数据。


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图a:抗压强度随循环次数的变化曲线


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图b:兆阳光热与DLR混凝土样块测试结果对比


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图:配方混凝土第三方认证


  根据混凝土试块经过600-300℃高低温循环60次的抗压强度曲线可以看出,初始抗压强度达到了近60MPa,经过5次循环后强度大幅下降,达到35MPa左右,后期虽然经过60次循环加热,试块强度趋于稳定,基本不再下降。


  兆阳光热混凝土固态储热系统的实际应用


  在多年的混凝土固态储热系统研发以及性能测试验证成功的基础上,兆阳光热设计建造了华强兆阳张家口一号15MW光热电站的混凝土固态储热系统,设计储热时间为14h,最高工作压力为16MPa,长期运行条件下最高可耐550℃高温。


  该储热系统采用兆阳光热专有的配方混凝土,采用的主体材料均为建筑常规使用材料,无高成本的骨料。另外该储热系统中还采用了匹配增强换热设计以大幅度改善换热性能,提高储热系统的大功率储放热能力。由于该储热系统采用了常规的建筑使用的混凝土材料(如水泥、粉煤灰等)以及火电行业通用管材,大量消耗了社会的过剩产能,推动了当地的经济发展,提高了当地居民收入,起到了很好的扶贫效果。


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  该混凝土固态储热系统分为若干单元,在储热过程中,能够储存聚光镜场产生的热量,同时有效稳定聚光镜场DSG系统的运行参数;在取热过程中,稳定输出过热蒸汽推动汽轮机发电,保证电能稳定输出。


  实际测试表明各项性能满足设计要求


  固态储热系统的储热容量由储热材料的比热容、使用温差和总质量决定,在储热材料性能测试结果基本准确的情况下,根据所需储热容量及有效使用温差基本可以确定储热材料的体积(或质量)。同时,为了满足存入和取出热量时的功率要求,储热系统配备的换热能力必须达到相应存取功率水平。


  根据图3可知,混凝土固态储热系统的实际储热容量是与存热取热工作点相变温差减去存热换热温差和取热换热温差后的剩余有效使用温差是成比例的,因此如何经济可靠地增强换热能力、降低换热温差、增大储热容量就成为改善固态储热系统性能的重要因素,是该领域工程研究的关键环节。


  增强储热系统换热能力的一般方法是在储热系统内部添加增强换热装置,目前国际上已开发的增强换热装置,结构相对复杂,材料使用量偏大,性价比不高。兆阳光热经过多年研究,创造性地开发出一套经济实用、高效可靠的混凝土固态储热系统匹配增强换热方案,经过对数十种具体设计方案的分析比选,充分考虑了最佳热扩散形状、原材料用量、高效加工组装及浇筑施工方便性等各方面因素后,选择出一种综合最佳方案,并开发出专用的大规模加工制造及检验专用装备,实现了经济高效自动化生产。该方案很好地兼顾了成本与性能两个方面,在保持足够经济性的前提下,实现了换热功率满足系统运行需要的目标要求;同时,能够对换热金属管路与混凝土材料之间的温差膨胀差异起到有效缓冲匹配,确保系统运行可靠性;兆阳光热增强换热技术成果的成本性能综合指标远优于目前披露的其它国际技术方案。


  大量的实际管路级测试验证了该匹配增强换热设计的有效性并交叉验证标定了各项基本系数。为进一步准确评估大规模应用情况下的实际参数,对15MW电站配套混凝土固态储热系统的模块单元进行了详细测试,测试结果曲线如下:


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图:不同换热温差/管内对流换热系数对应的取热功率


  实测结果表明:如左图所示,在液态水工质换热条件时,混凝土储热体平均温度与流体工质温度差越大,单位长度下换热功率越大;当温差为10℃时,单位长度换热功率为92W/m。如右图所示,换热温差为10℃情况下,不同管内对流换热系数对应有不同的单位长度换热功率,当管内对流换热系数为8000W/m2/k时,单位长度换热功率为106W/m。


  该测试结果与系统工程设计的仿真结果一致,使得该储热系统,在储热时,能够满足将DSG传热系统在各工况时段所产生的过热蒸汽全部冷凝为水,满足储热功率所需,基本无弃热现象;取热时,在储热系统基本储满情况下,能够实现3h晚高峰满负荷输出及等效汽轮机满功率14h的总储热发电量输出。


  增强换热技术与配方混凝土技术共同构成了兆阳光热混凝土固态储热技术,目前已经从系统计算、工程设计、组件制造、浇筑施工、养护蒸干脱水、保温防护、模块分组、故障检测、泄漏处置、运行方式等各个方面得到基本验证,初步形成了一整套设计、建设和运行维护技术体系。


  通过对该大规模混凝土固态储热系统的设计、建设及调试过程的实际数据分析可知,兆阳光热混凝土固态储热技术具有经济可靠、安全环保的突出特点,在光热电站规模的推广应用条件下能够比目前广泛采用的熔盐冷热罐技术方案降低四成甚至更多的建设成本,运维管理简单、无任何污染性材料、不存在冻堵泄漏风险、具备显著竞争优势。


  该混凝土固态储热技术还能够进一步深度开发,在其它例如工业热储存利用领域、民用储热供暖领域、弃电消纳供热领域等多个方面展现出巨大潜力,目前已经展开部分工作,能够在不远的将来通过实际业绩验证。


  综上所述,兆阳光热具有完整自主知识产权的混凝土固态储热技术体系,经过多年研究、开发完善,已通过规模化建设和初步经济技术指标验证,能够满足光热电站在各类工况下的技术要求,具有经济可靠、环保安全的显著优势,能够与兆阳光热DSG技术体系有效结合,充分保障兆阳光热发电技术的可靠性和经济性优势,为实现光热发电平价上网目标打下了坚实基础。

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