田增华详解槽式光热发电站设计中的关键问题
发布者:cspplaza | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 598查看 | 2018-07-02 14:49:00    
  CSPPLAZA光热发电网报道:2018年6月20~22日,在北京召开的第五届中国国际光热电站大会暨CSPPLAZA年会2018(CPC2018)上,中电工程华北电力设计院有限公司新能源工程事业部副总经理田增华分享了槽式太阳能光热发电项目设计的关键性问题。

  田增华指出,槽式光热发电设计中的关键问题主要包括:1.热力系统优化及热平衡计算;2.镜场管道布置计算;3.储热罐设计;4.熔盐系统防凝设计;5.镜场布置及场平设计;6.镜场土建基础设计优化;7.储罐土建基础设计;8.储罐土建基础设计。

  田增华进一步指出,集热场规模、储热容量、常规岛规模匹配要以LCOE最小为目标进行优化设计;熔盐系统防凝设计时需设置合适的保温并优化管道布置;槽式技术厂址选择时应尽量选择场地较为平整的厂址;由于集热器支架对沉降要求较高,可采用整体性较好或有较好的抗不均匀沉降的基础形式及适宜的地基处理方案以满足工艺要求等等。


更多精彩内容,请阅读下面刊出的田增华的演讲全文(注:本文根据速记和录音资料整理,文章内容未经演讲者本人审阅,仅供参考):

  大家上午好!今天想跟各位探讨一些槽式太阳能热发电涉及的关键性问题。华北院从07年开始介入光热领域,到现在已经有十余个年头,我们做了很多项目前期的咨询工作、以及初步设计和施工图设计的工作,在这期间我所在的团队和我本人有幸参与到这些项目中。随着项目设计阶段的深入,我们发现在项目设计过程中会出现许多非常关键的问题,有可能问题不大,但是都会对项目收益和项目的成本造价产生一定的影响。今天就这些我们认为比较关键的设计问题,在槽式太阳能热发电方面想与各位专家进行探讨。

  我的介绍主要分四个方面:

  一是光热发电的概述

  二是槽式光热发电技术的概述

  三是槽式光热发电设计的关键性问题,包括了从系统集成到装备设计、基础设计等方方面面的问题

  四是针对华北院公司做一个简单的推介

  通过这几天的会议和论坛,大家对光热发电都有比较深刻的了解。太阳能是目前最大的可以再生利用的可再生资源,太阳能聚光发电简称光热发电,它利用不同的聚光装置,将太阳光聚焦加热工质后,利用热能发电。与光伏发电相比,光热发电在储能、规模化、与常规能源协同等方面具有显著优势。目前,第一批示范项目(的装机)都是50兆瓦、100兆瓦,而第二批示范项目至少100兆瓦(装机),我们院也在做第二批示范项目的可研和前期的工作,(装机量)都是100兆瓦起步,有些做到150兆瓦甚至更大规模。光热发电更适宜规模化,它和常规能源有相类似的特征,优势更加的明显。

  光热发电(技术路线主要)有槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式,今天重点针对槽式进行探讨。

  槽式发电,主要包括了集热系统、导热油系统、蒸汽发生系统、储热系统和常规岛。常规岛对于传统的电力设计来说,并没有特殊的特别新意,只不过可能汽轮机由原来的下排气改为水平排气,从布置上有一些调整,但是从大的原则性方面(来说)是没有什么变化的。

  和火力发电相比,(槽式发电的)主要不同点集中在集热系统、储能系统和蒸汽发生系统,我就围绕这些系统来做关键问题的分析。

  在设计过程比较关键的一个问题,热力系统的优化和热平衡的计算。热平衡的计算是项目后续设计的基础,如果热平衡做的不好,那么后面设备招标、设备参数、系统计算等等都存在着一些问题。我们在设计过程中首先要抓的是热力系统的热平衡的计算和热力系统的优化。包括集热场的规模和储热系统的容量、常规岛的规模的匹配,常规岛做多大规模的装机,多大规模的储热容量,槽式多少条回路以及以什么原则,这块都要进行考虑,都要以LCOE最小为目标来进行合理的优化配置。

  集热岛、储热岛、常规岛的温降和压降的选择,这些取决于外部的环境条件,包括设备能力和设备的换热系数、设备的出力和管道的压降,因为压力和温度是相辅相成的,如果压力降低温度也会随之降低,所以管道压降对温度和系统的设计也至关重要。

  根据集热场的参数优化汽轮机的进气参数。通过我们的设计,汽轮机尤其是槽式汽轮机包括它的参数并不是一成不变的,不能机械的认为传热介质为联苯——联苯醚的槽式系统,汽轮机的进气参数就是381℃、传热介质为硅油的槽式系统,汽轮机进气参数就是420℃左右。我们设计过程中要进行优化,要考虑到不同的工况和储能工况时候进气参数的匹配性问题。以某个硅油槽式发电项目为例,它的镜场参数是按照425℃设计温度,我们重新进行考虑温降和考虑管道压降,重新进行核算,最后定到410℃这样的汽机参数。所以各种设备的系统拟定要根据各系统的关系进行优化。

  设计点的选择对设备选型影响比较大。我们针对项目做了热力平衡计算软件,对项目各工况热平衡进行了计算,对不同设计点的工况也进行了相应的计算。计算后发现,如果选取不同的设计点,对设备的出力和要求是不一样的。比如做一个项目的时候,我们选择了一个比较高的设计点,这时候它的系统镜场热量输出很大,油盐换热器这部分的流量也是非常大的,这就会对设备参数的选取造成一定影响。如过把设计点降下来以后,油盐换热器和蒸汽发生器流量也会随之下降,这些流量直接带来的影响是换热面积,直接影响到设备的造价。设计点的选取也是至关重要的,一般可以按照P50、P90进行设计点的选取。

  汽轮机工况的选择目前有两种,额定工况和汽轮机连续运行最大工况-TMCR工况。设计过程中系统匹配目前是按照TMCR(气机负荷出力最大的工况)进行选取,这样能保证各种系统匹配,不会限制汽轮机的出力。

  其他的关键参数,传热介质在镜场内温度提升是有限的,对回镜场的回油的温度、冷盐罐的温度的匹配,因为冷盐的温度间接影响到回油的温度,进而又影响到镜场出油的温度,也会影响到汽轮机的参数,回油温度和冷盐温度的优化也间接对蒸汽品质进行优化和匹配。

  如图,某个项目上做的热力平衡图,把各个模块都已经输入进去,然后进行各个工况的匹配,包括100%、75%、50%等负荷的工况都可以用软件进行匹配计算,主要是用于系统的优化和设备的招标。

  镜场的管道布置的计算,原来做前期(工作)的时候可能没有引起太多的重视,随着后续做司令图和施工图设计的时候,发现这是比较关键的。

  首先管道参数的选择,大家都关注系统里面的运行温度,比如导热油运行温度,比如联苯——联苯醚运行393(℃)、硅油运行425(℃)。但是管道选取的时候要注重偏焦的问题,镜场导热油达到什么温度情况下来进行偏焦,比如我们做一个硅油的项目,运行温度可以做到425(℃),但是430℃需要偏焦,那么导热油管道的设计应该是按照430℃设计,而不是按最大运行温度425℃进行设计。

  饱和蒸气压,涉及到系统压力的选取,联苯——联苯醚、硅油的温度和饱和蒸气压是不同的,考虑到饱和蒸气压再加上系统(内)的一些阻力,包括扬程之后,在泵的出口压力是非常大的,那块需要结合蒸气压和设计的温度综合进行管道压力和温度的选取。

  管材选取要考量温度,包括流体性质和经济性,我们做设计的时候任何都偏离不了经济性,一定要把经济性考虑进去。

  对于联苯、联苯醚,最高运行温度也就是393℃,它的蒸气压也就是1.4兆帕,导热油泵出口处的导热油压力一般在4.0MPa以下。联苯、联苯醚的材质选取上一般冷母管和热母管都会考虑碳钢管。目前有一些新型传热介质比如硅油,通过计算冷母管(用碳钢管)应该没有问题,因为回油温度290℃左右,但是热母管通过我们的计算,按照最高运行温度425℃,加上硅油蒸气饱和压更高,导致镜场导热油泵出口油压力达到了5兆帕左右。管道选取时温度和压力是匹配的关系,压力增高,适用的温度会下降,温度上升,适用的压力也要下降,通过计算,热导热油管道需要采用合金钢管,这对经济性是有一定影响。熔盐管道基本上要采用不锈钢管。

  

  管径的选取,在镜场里面是属于逐级递减的过程,通过导热油和熔盐来说我们选取的流速基本都是2米到4米(每秒)左右,考虑的原则是要求整体镜场内导热油的雷诺数要大于2万以上,因为在雷诺数达到2万以上的条件下传热介质才能管道内形成湍流,均匀地吸收热量,尤其是集热管里面导热油(要形成湍流)不能形成层流,(形成层流的话)就有可能导热油超温、有些(导热油)会达不到设计温度。通过计算来说(流速)基本在2到4米(每秒)。离泵比较近的地方会选取比较高的流速、远端阻力比较大的时候会适当放低管径,选择2米(每秒)左右的流速。


  阻力计算会影响导热油的流量分配。流量分配和阻力计算有问题的话,会出现近端导热油温度达不到设计温度,远端有可能导热油会超温,甚至有可能会出现断流,空管运行对于集热场装置来说是非常危险的。我们一般通过流体的阻力计算软件进行计算,包括管径是通过EXCEL进行计算,通过EXCEL表格对各个工况下的管径,各个区域的管径进行计算,计算好之后需要带入一个阻力计算软件中建模,把每一个管道、支管、阀门通过AFT软件输入,统一计算系统的阻力和压降,保证流量和压力的平衡。


  储热罐设计主要参照的标准为美国石油协会APISTD650《焊接石油储罐》第12版,部分内容参考国内石油化工和压力容器设计规范;其次采用有限元计算软件ANSYS进行储罐的温度场模拟分析;最后采用有限元计算软件ANSYS进行储罐的应力计算,温度场作为体荷载施加在结构模型上,根据软件计算结果,参考JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》进行应力评定,判断储罐是否安全。这幅图是我们做储罐设计的时候所做的一些工作。


  储罐熔盐系统的防凝设计,熔盐系统凝固点是220℃,系统运行时温度不允许低于270℃。进行防凝设计的时候需要设置合理的保温,熔盐管道和阀门、附件和油盐换热器和储罐都要考虑保温,保温层的厚度可以按照经济厚度方法进行计算。要优化管道布置,尽量减少设备之间的管道长度,管道与熔盐罐的连接不宜采用π形弯曲的连接,这样会造成死区,出现冻堵问题,一般考虑用补偿器消除管道热应力。安全阀的布置位置要尽量靠近主管路关断阀,减少安全阀的伸出长度,同时疏盐母管道要尽量靠近疏盐点,在管道布置中不使用堵头。


  设置伴热和电加热的装置,在熔盐管道内、换热器内、熔盐储罐内熔盐温度低于保护温度时,管道、换热器外壳外部电伴热或熔盐罐侵入式电加热棒要自动的启动,保证熔盐温度不低于凝固点。熔盐管道及设备电伴热选用耐高温矿物绝缘伴热电缆。


  保持熔盐流动,防止局部低温凝固,为防止发生局部凝结,对于管道和换热器,如长时间停止运行,应排空管道和换热器中的熔盐;如仅仅是短期停止运行,为保证能快速启动,应保持管道和换热器内熔盐处于低速流动的状态。


  场平的设计,槽式(光热电站)对于场平设计有一定的要求,目前槽式集热器支架设计坡度一般为1%或1.5%,要求场平坡度在1%或1.5%。场地的自然坡度一般不可能是1%或者是1.5%,场地平整工程量也比较大。涉及到在槽式技术厂址选择的时候,尽量选择场地比较平整的厂址,尽量选择一些荒地,因为进行场平时对植被破坏程度比较大。


  根据厂区自然地形及地质条件,一般应采用南北分台阶布置,东西向按自然地坪布置方式进行场平设计,以减少场地平整土方工程量。在场地平整方面,填方区应该分层夯实。我们也通过做其他的项目,(得出来)夯实系数一般建议不低于0.95。目前集热器一般是采用灌注桩基础形式,成孔方式为璇挖式,如果夯实系数达不到,有可能成孔的时候会存在塌孔问题,造成返工,给经济性带来一些不利的影响。


  这张图是我们在做的某一个项目,按照南北(方向)做了四个台阶,每一个台阶高差在2米到3米左右,东西向按照自然地平来进行平整,在厂区内总共做了18个小区块进行平整,整体做下来挖填平衡,没有弃土。这张是我们利用分割网法做的场平设计的图。


  镜场土地建设基础设计优化,集热器支架对基础的沉降要求比较高,不均匀沉降对基础会产生比较严重的影响,目前常用的集热器基础形式呢有独立基础和桩基础。槽式集热器对水平位移和沉降要求非常高,而且(基础)数量非常多,一般的项目有可能是一万到两万根桩。从施工的工期和经济性角度考虑的话,目前一般都采用桩柱式技术,这样可避免采用独立基础时所需要的大范围土方开挖和回填工作。桩柱式基础可以有优化的空间,目前做的工作可能都是单桩基础,这种有可能桩径比较粗、桩长也比较长,对混凝土和钢筋的需求量比较大。也要根据集热器的形式,我们做了短桩加承台的形式,对土建的工程量优化非常多,因为从单个土建工程上优化的可能没有这么多,但是全场两万多个桩,一下子土方量优化就非常大了。


  储罐土建基础设计,这也是比较重要的一个问题。在(一些)塔式(项目)上熔盐罐都出现了不同程度的泄漏,有些是因为基础不均匀沉降造成罐体拉裂,从而造成的泄漏。一般储罐直径比较大,储罐的圆心与基础圆心是相重合的。围绕罐体轮廓可设置一圈环梁,罐壁置于环梁之上。环梁采用耐热混凝土浇筑而成。由于储热罐内的熔盐温度极高,因此罐顶、罐壁和罐底都需做好保温隔热措施。


  储热罐底的保温较为复杂,紧挨储热罐底部钢板的是细沙层,起防潮作用。下一层是隔热层,起隔热作用。混凝土环梁嵌入隔热层中。最后一层是水泥混凝土基础层,主要起承重作用。耐热基础层和水泥混凝土基础层间设置通风口进行冷却混凝土工作,保证冷却温度在80℃以下,使混凝土保持正常状态。


  由于熔盐储热罐罐底的变形从中心向边缘逐渐减小,因此,为了抵消罐底的变形位移,基础上的填料(细沙层和隔热层)应设置成中心略高周圈略低的凸面。


  关于隔热层常选择耐火砖、泡沫玻璃和陶砾等材料。耐火砖隔热性能较泡沫玻璃和陶粒较差,隔热层的厚度会显著增大,自重荷载较大,变形能力较差,无法抵消罐底的变形位移;


  泡沫玻璃隔热性能良好,但变形能力较差,无法抵消罐底的变形位移,价格远高于耐火砖和陶粒;陶砾导热系数介于耐火砖和泡沫玻璃之间,自重较轻,具有一定的变形能力,能够在一定程度上抵消熔盐储罐罐底的变形位移,价格相对低廉。


  我们华北院成立于1953年,主要向客户提供以勘查设计为龙头的总承包、工程咨询、建设全过程服务的国有企业,我们具有综合甲级设计资质,可以承担总包、咨询、设计、项目管理、项目招标等等业务,华北院多次荣获全国电力行业质量效益先进单位、被ENR评为中国最具成长性的工程设计企业。


  谢谢大家!


  主持人:大家都听明白了吗?前面两天都是宏观的方向去讲,但是可以看到要做好一个光热项目,真的每一个细节都要扣,每一个点都要考虑怎么去进行优化。


  提问:我想提下,您刚才提到镜场设计坡度一般为1%或1.5%,如果坡度大一些,3%或者更大的坡度(的话)对工艺有什么影响吗,只要不挡光可以吗?


  回答:第一,从设备方面来说,如果坡度做的比较大,有可能对集热器会造成影响,目前集热器一般是按照1%(的坡度)进行设备设计,一般是北高南低,按照3%的设计,有可能集热器设计并不满足要求,它的自重和轴承就会导致对设备一端的推力会比较大,有可能造成设备的变形。


  第二,从项目运行方面来说,如果采用联苯、联苯醚导热油,系统运行过程中会有气泡产生,如果坡度比较小的话,气泡有可能会位于管道的中间,随着流体流动气泡被带出系统,如果坡度比较大,可能气泡会集中在集热管的上部,造成一些空气在里面,导热油的流体整个流量会小,有可能会引起集热管的超温的问题。坡度的问题我认为是综合性的问题,我们也了解到一些厂商也在做大坡度的集热器的设计,在中广核项目上有些企业也提出想做3%(坡度的)集热器的设计,但是目前还没有相关的应用案例。

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