中国独创的光热发电技术体系及其大规模推广前景
发布者:walt | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 801查看 | 2018-07-05 15:05:00    
CSPPLAZA光热发电网报道:“兆阳光热创新的原则,实际上就两点,可靠性和经济性。可靠性更多表现在稳定和寿命,经济性当然是它的基础。所有一切谈高效率、高精尖而不谈经济性的,其实是一个伪命题,很难想象投资者会为高难度买单。所以,我们从事技术开发的企业唯一能做的就是创新,在保证可靠性的前提下降低成本,提高经济性,其他的就交给政府和银行了。”2018年6月20~22日,第五届中国国际光热电站大会暨CSPPLAZA年会2018(CPC2018)在北京召开,北京兆阳光热技术有限公司总工程师李维出席大会并作主题演讲时如是表示。


李维表示,兆阳聚光热利用技术体系延承了槽式的可靠性和成熟性,选择了具有经济性优势的线性菲涅尔,同时沿用了火电中非常成熟的水体系,自主研发清洗车、雨水收集装置等实用化设计,并以农业优先,综合利用镜场底部架空土地。


据李维介绍,2018年6月1日,华强兆阳张家口一号太阳能热发电站一次性顺利通过24小时连续发电测试,兆阳光热完整的光热发电技术体系已获得全面商业化验证,证明了以东西轴南向斜面布局、高倍率聚光、水工质传热和混凝土固态储热为基本特征的兆阳光热技术体系具有强大的可靠性和经济性优势。


事实上,在本次会议闭幕后,该电站在6月22日到6月25日的两天三夜中,又顺利完成了连续60小时的发电测试。



在谈及电站建设、运行过程中的经验和教训,李维在会上表示,由于首次建设缺乏经验,导致堵塞卡涩、膨胀不畅、镜面过热等等小问题较多,但问题均能迅速彻底解决,困扰不大,反而充分显示了该技术体系具备很好的容错能力,朴素安全。而建设过程中遇到的大问题仅有一项:集热管玻璃管破裂及连带引起的CPC破损,用时数月分析研究,得以彻底解决,目前实际运行效果大幅优于国外电站披露的数据。


对于兆阳光热技术体系的前景展望,李维认为,兆阳光热独创的技术体系使用材料普通,安装调试简单,适宜大规模推广,是火电技术转型升级的优选。目前,完整的全国产化的兆阳光热合作供应链体系已经建立起来,国产核心零部件完全满足使用要求。未来,兆阳光热电站将进一步发挥优势,与经济成熟的光伏、风电组成清洁能源综合电站,基本实现按照电网日负荷曲线要求稳定可调度输出,同时实现与火电相当的度电成本,具有广阔的发展空间。


更多精彩内容,请阅读下面刊出的李维的演讲全文:


各位嘉宾,女士们、先生们,大家上午好!


我是北京兆阳光热技术有限公司的李维,今天很荣幸能够代表公司站在这个讲台上,首先我得感谢一下CSPPLAZA胡总对我们的邀请,同时感谢章总对我们的介绍!


在此之前,我们公司都是很少公开的宣传,通常都是怀着埋头苦干、行胜于言的理念。我们每届光热大会都参加,但是更多是以坐台下学习的姿态和听众的状态,大家对我们比较陌生或者认为我们是(一个)神秘的组织,今天站在这个讲台,是基于我们取得了比较重大的阶段性成果。


我们非常愿意跟大家分享一些我们的数据与结果,我们的结果是客观真实的,我们的结论是严谨可靠的。而且我们也非常有信心能够在比较短的时间内(进一步)实现可靠性、经济性比较大的提升,这也是我们独创技术的核心优势之一。另外,我们也希望能够与大家开展更加深入的合作,下面,我开始我的PPT介绍。我的PPT内容包括五个方面。


北京兆阳光热技术有限公司,从事这个行业有15年了,目前研发、设计、制造队伍有600余人,已经形成原创的光热发电技术体系,具备了全产业链完全的自主知识产权,目前已经获得了发明专利35项、实用新型专利110项,申请PCT有23项,获得14个国家和区域的专利授权。


目前我们公司办公地点在马桥,也就是亦庄南边,在东南六环。固安还有100亩区域是我们的试验场地,因为我们电站在现场制作,所以,我们目前还有一些制造人员和调试建设队伍在张北。


兆阳公司还有一个全资子公司,四川苏能电力工程设计有限公司,目前拥有新能源设计和建筑全部资质,包括五个设计资质和四个工程设计资质。所以目前在这个资质范围内的建设工程都可以承接。


随着国内外光热事业的发展,目前服务范围逐渐扩大,我们也增加了我们的技术和队伍,目前可以承接重要的分系统的研发、制造、销售,包括一些已建成电站的诊断和改造,以及新建电站全部的EPC项目。当然,还包括调试和运行,我们都拥有全部的技术团队。


为什么我们要选择一个完全独立自主的路线来走呢?可能得说到十年以前了,我们的总裁刘阳先生在很早以前就有一个到现在来看都偏于理想的目标,那就是要实现一个无补贴的清洁能源,在之前也说到21世纪是高度发达的人类,不应该限制能源的使用,所以,他提出一个观点,说21世纪是能源自由的王国,当时我们听着也很受鼓舞,同时,感觉压力也很大。


纵观我们所有的比较成熟的技术体系,包括槽式、塔式、菲涅尔和碟式,再结合中国实际的光热电站资源条件,我们也深深地感觉到使用现有的技术体系实际上很难达成我们最终的目标。


目前,我们受到这样一些条件制约,第一,DNI值,中国整体DNI值不是特别高,大概在1700-2100左右,更多在1800、1900左右,相比较国外2100、2300、2700,我们只有羡慕,所以,我们只能更加努力。


另外,高纬度的问题,刚才大家也提到了这个问题,国内好一点资源都在35-42度,大家应该重视这个区别。


条件劣势,包括大风,还有霜冻、沙尘污染、严重缺水,都会影响到我们电站的建设,包括用钢量、建设期短、启动时候霜冻、镜面反射率下降,包括严重缺水,可能要使用效率比较低的空冷系统,建设成本比较高。


另外还要提到一点,行业竞争,随着我们目前火电慢慢退出,风电和光伏逐渐成熟,目前可能已经趋于平价上网,所以,我们面临更多的是行业外新能源的竞争,光热行业内部应该更多紧密地合作,更多体现在可靠性和经济性上,使得我们风电、光伏、光热真正能够形成新能源三足鼎立。


另外,我们的财政补贴,目前缺口比较大,而且补贴周期比较长,我们应该形成一个共识,不能够长期依赖国家补贴。


兆阳光热创新的原则,实际上就两点,可靠性和经济性。可靠性更多表现在稳定和寿命,经济性当然是它的基础,所有一切谈高效率、高精尖而不谈经济性的,其实是一个伪命题,很难想象投资者会为高难度买单。所以,我们从事技术开发的企业唯一能做的就是创新,在保证可靠性的同时,降低成本,提高经济性,其他的就交给政府和银行了,当然,他们有更多的创新,包括政策,包括银行一些合作模式。


兆阳技术体系经过各个环节的取长补短,真正完成我们可靠、成熟的技术,也做了下面这几项工作。菲涅耳技术本身不算太创新,它是槽式的延续,我们的菲涅耳延承了槽式的可靠性和成熟性,选择了线性菲涅耳的经济性,同时沿用了比较成熟的火电体系。产生过热蒸汽之后,我们应运而生开发了新的能够对过热蒸汽储热的技术,(也就是)混凝土储热技术。还有一些系统的综合的实用技术,整体的体系使用的是朴实的材料,而且沿用了以前火电的经验、规范,所以我们是真正的可以做得到可靠性和经济性完美的结合。


目前,北京兆阳光热技术已经完成了验证定型,进入大规模商业化推广阶段,与常规光热技术路线相比,可靠性和经济性得到明显加强。在中国较好的资源环境、资金政策等条件下进行规模化建设,短时间内能够实现与燃气发电相当或者更佳的综合指标。


当然,我们刚才提到一些条件:第一,资源环境,我们认为(DNI)要在1850((kWh/㎡/a))资源环境下;第二,资金政策,包括政府的政策和银行的政策;第三,大规模的建设,我们认为每一年有300兆瓦的建设量的话,我们是可以实现与燃气相当的综合指标的。


下面说一下HLIACS聚光集热系统,以及DSG和储热系统。在2017年年底,CSPPLAZA对此进行了系统的介绍,在这里我可能不会特别详细地描述。在这方面,一个重要的区别

点是我们采用东西轴向阳倾斜布置的结构,聚光倍数达到160-200倍。这里我讲讲160-200倍的这个概念,刚刚俞总也提到了要向比较大的方向去发展镜面开口,我们镜面目前可以获得200倍的聚光倍数。它带来的好处是建设时集热管数量可以减少,大概会减少60%左右。更多的DNI使用范围,也就是在DNI较低的情况下都可以继续运行。在这个基础上,与常规的光热镜场部分相比减少40%成本。在使用的土地面积方面,我们的效率很高,我们(的镜场)是向阳斜的。


这两张图显示的是四个季度获得能量的均衡,左图可以看出来我们在1、2、3和10、11、12月得热量比槽式还高,使得全年得热量很均衡,右图取全年4个典型天,获得的信息是每个季节获得的能量是均衡的,差别在于每一天不同时刻的区别。比如说早晚在的DNI值比较低的情况下效率比较低,中午DNI值比较高的情况下效能比较高。


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这两张图想表达的是在DNI值不是特别高的中国,我们应该选择聚光倍数更高(的聚光系统),来解决经济性问题。右图描述的是我们设计的一个重要点,镜场入射到CPC入口的角度是我们能够获得200倍核心的原因。我们镜场因为是整体向阳布置,每一列回路中间都有很大的空档,我们可以综合利用土地,可以在中间设置温室大棚,可以做成养殖或者种植。要说明的一点是,可以实现以农业为优先、综合利用能源的目标,因为我们在CPC底下可以设置农业反射镜,通过镜场入射聚焦的点来控制入射大棚的光线,真正实现节能减排、降低运营成本的目的。


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水工质的优势,更多的是价格低廉,发电成本比较低,在大家努力寻找熔盐,80-100度低熔点熔盐的时候,实际上我们有一个天然的传热介质,而且是非常成熟的。我想描述的一点是,我们容错能力比较高,因为火电跑冒滴漏类似的现象比较常见,我们电站也一样,用的是水体系,跑冒滴漏问题因为我们(在这方面)经验丰富,迅速可以解决。另外,火电设计院和建设单位在寻求转型升级,当然,我们光热是一个非常好的方向,但是,我想强调的是,我们的水体系是火电转型最好的切入点。


对于DSG运行技术,这个图表达的意思是,蒸发段和过热段,中间还有蒸汽发生器,多条回路产生的过热蒸汽,进入到混凝土储热系统,凝结成水之后进入到镜场,进行第一回路的循环。第二,回路可以从储热系统进行取热,产生过热蒸汽驱动汽轮机发电,通过空冷系统冷凝完之后,进入混凝土再次循环,这两个系统是独立系统,可以在多云天气下进行,当然,如果天气特别好的话,完全可以实现镜场产生的蒸汽直接对汽轮机发电,我们整体对阳光的(不稳定性)影响有很大的可控制空间。

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这是现场的一张照片,描述的是镜场与汽水分离器的布置位置,汽水分离器是我们很重要的一个设备,可以有效地保证我们的振动不再发生,同时,我们可以保证集热管的寿命。我们镜场大概一万平米一个,布置一个汽水分离器,成本很低。


混凝土储热,我们做混凝土的时间,到现在来说,应该有七八年了,我们做了很多基础研究,进行了很多第三方测试,包括比热容、导热系数、密度、线膨胀系数和平均抗压强度。


储热岛配方混凝土与膨胀系统、增强换热结构经过反复优化,简单可靠,换热系统能够满足设计要求,扩散结构经过多版设计,可以快速地作业,浇铸非常方便,同时整体浇铸,冬季施工基本不受影响,全年均可施工。这对我们来说是很重要的点,以张北为例,平均气温只有5.4度,全年最低气温零下30度,现场待过的人都能感受到冬天伸出手不能超过2分钟,所以(施工建设)是很难的。真正的建设期只有6个月。


右边这张图是储热系统经过保温、钢架完成之后的整体图,耐温550摄氏度,储热容量比较大,能够实现阴雨天连续15天低负荷连续发电,运行负荷比较平稳,运行是安全的。我们(储热系统)整体造价大概是11-12万/兆瓦时,固态储热系统有比较好的前景,可以用在火电灵活性改造和供暖。


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综合的实用化设计方面有清洗车,还有雨水收集(装置)。反射率是电站发电量保障的一个重要点,清洗车是整个光热电站投资回报最大的设备,至少能够提高反射率10%以上,对应的是发电量的10%。


15兆瓦的建设情况和测试运行结果。15兆瓦电站位于张家口张北县,离北京350公里左右,开车大概三个半小时到四小时,整体建设面积38万平米,目前一期有18万平米。传热用的是水体系,储热是混凝土,年发电量7200万千瓦时。我们项目场地很大,计划在其他地方布置一些光伏和风电,做成一体化综合的电站,同时也是我们的展示中心。2018年6月1日,储热系统完成了取热24小时的连续发电,对我们来说也是很关键的一步。常规岛部分,运行时间不够长,但是镜场和储热系统进行了详细的测试,全部结果均符合设计预期。


需要进一步说明的是,我们的光热电站是在20个示范电站之前已备案申请的,国家规定50兆瓦以下的(光热项目)不能当作示范项目,所以我们目前还没有电价,接入系统也没有真正完成,发电量自己产自己消耗。在近期可能会完成72小时连续发电,然后进入(储热系统整体温度)上升的一个阶段,再往后就得等我们接入系统了。


在建设过程中的一些经验和教训,整体来说小问题比较多,包括堵塞,因为我们在整体运行的时候,很多东西是第一次(尝试),包括储热系统,连上内部管道有一万多根,吹扫就是非常重要的一个环节,耽误了不少时间。还有膨胀不畅、镜面过热导致破裂、沙尘的影响、多云的影响、雨雪洪涝还有极寒天气都是影响我们建设进程的重要因素,好在我们(现在)都已经得到了应该有的经验。


大问题是集热管的破裂和连带引起的CPC破损,我们花了好几个月的时间进行分析,最终彻底解决了这个事。目前运行效果优于国外电站披露的破损的数据。我想强调一下,在我们寻找管道问题的时候,汇银公司的康总和总经理给了我们特别大的帮助,这是兆阳光热测试的成功,同时也是我们产业链配合、合作的成功。


镜场效率测试,详细说可能需要说很多内容,但是会场时间比较紧张。简单地说,镜场控制给水温度、压力、流量,然后测量出口过热蒸气的温度、压力、流量,然后与我们的设计量偏差值进行比较,实践证明,经过多次回路测试、多个时间段的测试,我们得热量与设计量偏差±5%,所以是完全满足我们的设计要求的。


混凝土测试,我们的设计是在蒸发段理论温差实测情况下取热功率是102W/m,经过最近发电和效率测试,得出在蒸发段当量值测试温差下可以取得98.76W/m,偏差值小于5%。从工艺和性能上来说,都是达到设计目标的。


这个是我们的取热实验,2018年6月6日,之前也有一些测试,我们1月份也做了测试,对其中一座单塔4号储热塔进行取热,整体运行温度非常平稳,取热功率大致在25兆瓦的量级上,我们电站本身也只有15兆瓦,我们一共有6座塔,分别有自己的功能。


这个是2018年5月31到6月1日24小时连续发电部分运行曲线,温度非常稳定,压力也非常稳定,方便控制。右图是我们储热塔在取热运行过程中的变化曲线,也与我们理论仿真结果极为相似,再一次证明我们的设计是满足我们的要求的。


建设测试运行数据总结,我们的聚光系统和混凝土系统,经过效率测试,基本可以说达成我们的设计目标,偏差率小于5%,储热系统对电站发电量的影响偏差应该小于3%。整体可靠性高、建设成本低、无污染、无泄漏、无爆炸风险,因为我们是自主研发的电站,同时,国产率比较高,所以,我们的产品基本都可以满足我们的使用要求。光热系统特别适合中高纬度区域的发展,具有广阔的推广前景。


对于前景展望,因为我们整体建设过程中都是比较普适的材料,在调试过程当中,也没有什么安全性(问题),泄漏、易燃易爆问题都不存在,我们有更好地满足建设要求的优势。我们的技术体系与火电基本兼容,所以,电力建设单位转型是非常容易的。在我们完整的光热电站上得到一些供应商的合作配合,我们建立了完整的供应链体系,国产核心零部件完全能够满足使用,服务支持及时到位,性能和可靠性表现优异,价格优势非常明显,达到了国家示范项目对核心组件国产化的目标要求。当然,我们还有镜片,还有阀门仪表、流量计,这些都是常规的电站使用的仪器仪表。


我们有自己完全的自主知识产权体系,所以我们可以保证光热发电产业的长期可持续发展,立足于中国,走向世界。我们电站目前在建设光伏、风电,想建成清洁能源综合电站。充分利用兆阳低成本聚光集热技术、固态储热发电技术与经济成熟的光伏风电组成清洁能源综合电站,基本实现电网日负荷曲线要求和可调度输出。目前兆阳已经展开了相关的试验、示范电站的规划和设计工作,也欢迎有关领导、单位参与,共同合作、共同发展。


下面为商业化电站技术经分析内容,以100MW光热电站设计为例,DNI值1800(kWh/㎡/a),大概需要面积是200万平米,储热容量是3000兆瓦时,总投资26.8亿。


这是上网电量估算表,我们可以获得4亿上网电量,综合光电转化效率11.34%,在报示范项目的时候,11.34%是效率最低的,当时我们也遭到了行内一些人的批评,说为什么你们电站只有这么低的发电效率,没有经济性,我们后来发现我们才是真正最保守和可信的效率估算,是最为贴合的设计。这里是其它的指标,0.86元/kWh的电价,内部收益率可以获得12.49%。如果大家想要获得更多的信息和知道我们计算的边界条件,欢迎大家到我们交流会上进行深入的探讨。谢谢大家!


提问:你好,我是来自双良龙腾的卢智恒。我想问一下对于混凝土储热的,现在你们这边是怎么解决膨胀的不一样?怎么解决管道和混凝土材料之间的膨胀匹配的?现在混凝土储热系统一共运行了多长时间?因为有些问题是运行时间长之后才会暴露出来的。


李维:这个问题是从一开始我们就知道了,为了解决换热性能的问题,我们在混凝土与管道之间增强了换热,加了一些增强结构,混凝土跟管道不是直接接触的,所以,可以有效解决膨胀,这类试验已经进行过六年了。另外,整体储热系统在正常运行时候温度波动只有40摄氏度,在昼夜温差比较大的区域对建筑和刚架、桥梁、混凝土桥梁(的影响)可能都比我们严重,所以,整体来说经过了大大小小回路测试和性能评估,没有发现任何的变化。


另外,混凝土的运行情况,刚才也说了,我们是在六年间做了很多小型实验、系统测试之后才建立了今天的720兆瓦时的系统,从去年年底我们已经开始对混凝土升温,混凝土浇筑过程中大概有10%的水,在整体升温过程中,我们需要花很大力气将混凝土真正地升起来,这也是我们刚刚说为什么在连续阴雨天气可以持续低负荷运行,大概10来天的可能性,原因是什么?原因是基础能量比较大,我们需要花很多时间升下来,同样需要花很长时间降下来,目前该720兆瓦时储热系统已经大概运行了6个多月。


提问:混凝土外面有保温措施,对吗?


李维:对。


提问:李总您好!我是青岛华峰伟业的,我们是在NOOR二期和三期关注调试和运行的,在NOOR二期运行中,我们发现一个问题,在夜班停运以后,系统导热油温度降得比较多,你们这个系统直接加热蒸汽和水的,夜班停运以后怎么做的呢?没有热源的情况,蒸汽可能会温度比较低。


李维:这个问题分两个部分说,一个是夏季运行,一个冬季运行。夏季运行的时候,每天在DNI值比较低的情况下开始停运,整个系统在有压力情况下进行冷却的,因为环境温度足够低,整体压力保不住的话,我们会往系统里补充水,这是夏季运行的情况。在冬季运行情况下,因为整体环境温度比较低,我们电站在现场可能达到零下30度,我们会进行循环防凝操作。现在的话,因为上一个冬天我们没有进行混凝土的投运,只能把集热器里面水都排尽,这也是我们的优势,我们可以排水,但是熔盐或者导热油不方便排,只能打循环。在冬季将来运行的话,我们会利用汽轮机的乏汽进行冷却,让整个系统不使用其它额外的能量,保证集热管里面的能量不被凝结。另外,如果汽轮机真的有问题要停机的话,我们可以在储热塔里进行换热,实在不行我们可以将系统里的水进行全部排出。


提问:非常感谢,我听了您刚才的解释,在夜班停运,假如正常每天要启动,夜班停运的时候,蒸汽侧是处于隔离状态?还是充入水的状态?


李维:集热管是整体循环的,当压力保不住的时候,我们会往系统里充水,进行集热管内部的循环。

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