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光热发电吸热器、SGS等关键热力设备研发与实践经验

2017-6-27 15:59| 发布者: admin| 查看: 644| 评论: 0|来自: CSPPLAZA光热发电网

  CSPPLAZA光热发电网报道塔式熔盐吸热器有许多问题亟待解决。吸热器面临频繁的启停及负荷速率变化的要求,云量变化等其他方面的变化也要求吸热器有较高的适应性和抗疲劳的性能。与此同时,SGS系统的设计过程中,高温差下的储热能力和调和能力也值得深入研究。”2017年6月14~16日,在浙江杭州召开的中国国际光热电站大会暨CSPPLAZA年会2017(CPC2017)上,杭州锅炉集团股份有限公司主任工程师刘可亮在发表题为《光热发电关键热力设备研发实践经验分享》时如是表示。

  刘可亮强调,吸热器的设计需要和镜场的设计联合起来进行,结构和材料是一个必须要认真考虑的问题。在结构方面,他推荐吸热器采用模块化设计。但整体吊装方案到底哪个方案最优,哪个方案成本最优?这些可能还需要很多专家来研究。


更多精彩内容,请阅读下面刊出的刘可亮的演讲全文(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):

  大家好,感谢CSPPLAZA提供这样一个好的交流机会,也感谢在座的各位能牺牲宝贵的时间来参与分享。我来自杭州锅炉集团,我演讲的题目是《光热发电关键热力设备研发实践经验分享》。主要分成三部分,第一部分是企业的简要介绍,第二部分是光热发电研发历程介绍,第三部分研发经验分享。

  杭锅集团成立于1955年,到现在为止已经有60多年的历史了,并先后经过了多次改制:2001年第一次改,2002年加入西子联合集团,2007年第三次改革变成股份公司,2011年在深圳证交所上市。希望大家有机会多关注杭锅的股票。2013年,公司总部搬迁到大农港路。除了大农港路的总部之外,公司还有两个生产基地,一个是勾庄,一个是崇贤,崇贤基地紧靠运河码头,公司生产的大型设备,包括汽包,高低压加热器,包括以后的一些光热模块可以很方便地从工厂通过运河运到需要的地方。

  杭锅是国家认定的企业技术中心。到目前为止已经生产各类余热锅炉1300余台。提供的不仅仅是热力产品,还包括EPC等各种商业模式,来拓展公司的产业链和市场。目前为止,在太阳能热光热发电方向已经申请专利10余项,其中发明专利9项。企业资质,1985年取得三类压力容器设计许可证和A1级压力容器制造许可证;89年取得A级锅炉制造许可证;94年取得ASMES和U钢印授权证书;97年取得德国TüV颁发的ISO9001质量体系合格证书;06年取得特种设备安装、改造、维修许可证;07年取得万泰认证颁发的职业健康安全和环境管理体系证书;并且07年还取得了工程设计乙级证书,因此杭锅可以做总包方面的业务;2008年6月取得ASMEU2钢印的认证。

  简单介绍一下杭锅的主要产品,杭锅的主要产品包括联合循环余热锅炉,这是杭锅传统的产品,也有比较高的市场占有率。煤粉锅炉,杭锅主要是做蒸发量一千吨以下的煤粉炉。双压干熄焦余热锅炉,用到钢铁企业的余热回收,还有包括汽化炉的内件、循环流化床锅炉、煤气锅炉等。除了这些锅炉产品之外还有高低压加热器、冷凝器、除氧器等这些换热设备。

  从2010年前后开始进军光热发电这个行业。简单介绍一下光热的研发历程。光热的研发可以追溯到08年,从08年到10年杭锅开始关注这种热发电技术,并且涉及到各种技术路线,包括塔式、槽式还有菲涅尔式、碟式这种,比较它们之间的特点及未来的发展前景,所以后来公司选择了以塔式为主的发展路线,因为塔式具有一些优势,做各种路线的人都有,我们只是觉得塔式有一些优势,当然我们不是否定槽式或者是碟式的系统。

  2011年成立中控太阳能合资公司,中控太阳能合资公司主要由浙江中控、杭锅集团还有杭汽集团合资成立,目标就是攻关太阳能塔式热发电的关键技术以及推进这个技术的产业化。2011-2012年,在杭州实验基地进行水工质的试验与研发。2012-2014年,进行熔盐工质研究和开发,都是在杭州浙大紫金港做的试验。2013年7月,水工质系统在德令哈运行。2016年8月,熔盐工质的塔式电站在德令哈运行。从2016年开始做50MW、100MW系统的设计方案。

  这就是在杭州做的熔盐工质的试验系统,这个塔上面有两个吸热器,下面一个是水工质吸热器,上面是熔盐工质吸热器。杭州的熔盐试验系统,离产业化还比较远,面积、热功率都没有产业化的规模那么大,但它是一个非常好的试验装置,而且这个试验装置包括吸热器、冷盐罐、热盐罐、SGS系统,还有熔盐的配套件,这些都是齐备的,熔盐经过长时间的上塔考验都没有问题。关于熔盐的这些技术,应该说主要是在杭州的试验基地进行了验证。

  2013年7月,这是德令哈一期双塔水工质系统,我们和中控一起做的。其中吸热器和蓄热器,还有换热器,包括钢架塔都由杭锅来供货的。很多人认为第一期是水工质没有储热,实际上它也是有储热的,是用蒸汽做储热介质,储热容量大约是半个小时,半个小时可以增加吸热器很强的适应性,就比如说有云来的时候它就可以很好地保持这个汽轮机处于一个相对稳定的运营状态。2016年8月,熔盐工质并网发电,这是带2个小时储热的。杭锅的供货范围包括熔盐吸热器,SGS系统还有熔盐相关的配套件。

  下面介绍关键热力设备研发经验的分享。第一部分系统方案设计,因为我们主要是介绍关键热力设备的,热力系统实际上是很复杂的,塔式吸热器上除了管屏之外,还包括管屏之间的连接管道、疏盐管道、放气管道、上下盐管道,还包括进口储罐和出口储罐,这么多复杂的管道和设备在这么有限的空间内怎么把它做好做优?做到可靠性最高?是要花很多功夫来做的。因为这不是本次报告的主题,我就不在这里展开了。关键热力设备,它应该是起到承上启下的作用。关键热力设备主要包括熔盐吸热器、SGS系统和熔盐储罐系统。

  我们思考了一下,觉得熔盐吸热器需要解决这些问题,只有解决好这些问题,我觉得我们设计的熔盐吸热器才具有比较好的性能、比较高的可靠性及预期的寿命。要适应非常高的热流密度,塔式吸热器峰值热流密度能达到1.2MW/平方,这个数值已经远远高于常规的煤粉炉,这对吸热器的设计就提出了一个比较严峻的挑战。还有一个是吸热器面临频繁的启停以及用户希望升负荷率比较快,这样的话就可以延长发电时间,这也是一种挑战。还有一个非常重要的点,就是云量变化的时候对吸热器适应性的要求,一定程度上来说云量的变化是更恶劣的工况,如果很厚的云飘过来遮住了吸热器,那么吸热器上面的热流密度就从峰值负荷,瞬间衰减这个零,这个时候对吸热器的热冲击非常大。如果这个问题解决不好,那么吸热器就很容易疲劳,预期寿命就难以达到。除此之外,还对吸热器的预热时间和疏放盐的时间是有要求的,预热时间的要求是我们很容易理解,因为希望它快速启动。疏放盐的要求也很关键,如果疏放盐时间比较长,就增加了熔盐吸热器冻堵管的风险。熔盐吸热器的疏盐管道都要经过非常仔细的计算,经过实验的验证,然后才能得出比较好的设计参数。上述的这些运营条件,就要求熔盐吸热器具有比较强的在冷热交变作用下对抗疲劳性能的要求。

  还有是冻堵盐管风险,怎么样在设计的时候尽量避免这个问题。要解决上述问题,第一个就是吸热器的选材问题,我们可能更多关注的是材料的抗高温性能。抗高温性能,我想很多材料都能满足,但仅仅是抗高温性能,对熔盐吸热器来说是不够的,我们还必须关注它的抗腐蚀性能,更要关注它抗疲劳蠕变的性能,因为吸热器不是一个稳定的工况,还要关注材料的加工焊接性能。如果加工焊接性能不好的话,也可能会在加工过程当中产生一些隐形的缺陷,这些缺陷有可能会暴露在以后的运营当中。

  第二个就是要对吸热器进行一个优化设计,这应该是吸热器一个最关键的部分。吸热器的设计包括了尺寸的优化,我在这里想想讲一种观点,就是说吸热器的设计应该和镜场的设计统一起来。我们站在吸热器的角度而言,如果我们想提高吸热器的效率,会想到减少吸热器的面积,减小面积的话就会减小对环境的散热量,但这是否对太阳岛的效率就是有利的呢?那是不一定的。因为我们减少吸热器面积的时候,吸热器对镜场截断效率也在下降,它的综合效率不一定最优。我们在做这个效率设计的时候需要把镜场和吸热器联合起来进行设计。前段时间我们参加了国内的50MW、100MW的塔式光热发电项目,有很多业主对吸热器的效率强调了非常多,要求非常高。我认为应该要全面考虑,应该要求太阳岛的效率是更合适的。第二个是流速、管径和阻力的优化问题,这两者也是矛盾的问题,我们站在换热增强的角度来说,可能希望流速大,这样的话换热能力会强,流速低和流速高的话,换热能力差距是非常大的。对太阳能吸热器这种特殊的换热器来说,管内的换热系数是一个非常关键的因素。但我们是不是选择流速越大越好?也不是,流速足够大的时候,这样子的话吸热器的阻力就会有问题,吸热器的承压就会增加,就会带来额外的成本,尤其是运行成本也会增加。

  除此之外,还需要对吸热器表面热力分布进行优化。吸热器非常特殊,往往是北进南出的结构。在靠近北边的吸热器模块温度通常非常低,熔盐进口温度大概是290度左右,而靠近南侧的话估计是565度左右,这对表面热流分布就提出非常高的要求。如果我们热流分布不合理,往往就会导致超温的问题,往往会导致变负荷的情况下吸热器受损的问题。所以这些问题,一定要慎重考虑。对吸热器在风速变化条件下,还有环境温度这些因素的影响,对吸热器整个效率的影响,这些都要深入的研究。因为太阳能热发电是一种比较特殊的发电方式,它不可能一直都是在这种额定负荷的工况下工作,或许设计点的工况下工作时间并不是那么多,那么偏离这个设计点,它的效率是怎么样的呢?有风的条件下是怎么样的呢?这些都必须经过深入的研究才可以。

  结构方面。杭锅太阳能吸热器是采用模块化的设计,因为模块化的设计,大部分工作放在了制造厂来进行,这样的话就可以大大减少在现场的安装工作量,缩短现场安装工期。尤其对首批示范项目来说,工期是非常紧张的。只有进行模块化的设计,才可能比较快地把吸热器调整到适宜运行的状态。吸热器采用的是柔性结构的设计,因为吸热器在冷热态会承受比较大的温度变化,因此结构应该采用柔性设计。对吸热器的支架和导向都要有特殊的考虑。如果考虑不好的话,应力集中的话,应力超过了吸热器局部承受范围的话就有可能会影响吸热器的安全运行。考虑合理变形与应力下吸热器抗变负荷热冲击的能力。吸热器设计的标准参考ASME/API高温疲劳蠕变相关标准来进行。除此之外,管屏随着吸热器的容量越来越大,管屏的宽度会越来越宽,我们怎么能保证同一个管屏里面中间的管速和边上管速的流量均匀?这些方面也要经过比较深入的研究。我们和高校做了这种不同结构应力和疲劳性能的相关测试,都要做比较深入的研究。

  吸热器的涂层是一个非常关键的影响吸热器效率的因素。涂层的工艺不光决定了吸热器的吸收率,还可能决定涂层的寿命。我们在工厂里面做过比较多的试验,来确保吸热器处于一个比较好的性能状态。吸热器就简单介绍到这里,下面简单介绍一下熔盐换热器SGS系统,大家都比较清楚这个。包括了过热器、再热器,蒸发器以及预热器。

  设计SGS系统需要解决哪些问题?我们认为主要需要解决这些问题:第一,SGS系统里面工质和熔盐温度变化范围都是非常宽,熔盐的变化温度范围往往从290-565度,接近300度的温度变化范围。而工质的温度变化范围从240-250度到550度左右,约300度左右的变化。这么宽幅的变化和传统的高加设计是不一样的,这就需要对大温差设计有一定的特殊要求,这是第一个。第二个,换热器也需要响应频繁启停的要求,当然现在随着储热容量设计得越来越大,我们可以考虑让SGS系统连续运行。但是换热系统还是要经历频繁的启停过程。从长远来看,光热之所以优于别的可再生能源,一个很重要的因素就是储热能力和调峰能力,如果期望光热电站一直稳定的运行,我认为电网可能是不允许的。除此之外,还要对SGS系统在大流量、低温压下面的换热特性进行针对性设计,尤其是油水换热系统,它的换热端差非常小,我们什么样的结构才能做到换热器设计的最优呢?这些都是很值得研究的问题。除了这些之外,还需要考虑熔盐和导热油疏放特性的问题,尤其是熔盐,防凝措施一定要跟上。在上述因素基础上,我们还要考虑吸热器的制造成本和运行成本的优化,运行成本也是电站收益的重要部分,只有控制好运行成本,电站才能有比较好的收益。

  杭锅的换热产品包括油水换热器、盐水换热器、油盐换热器,这些都是可以做的,它们可以用到熔盐塔式技术里面,也可以用到导热油槽式里面。换热器结构形式的选择,前面所说的这些因素,比如说大温升的特性,那么它对换热器的结构形式就提出了比较高的要求。除此之外,还要选择换热器的材质,换热器的流程,壳侧和管侧工质的选择,还有疏盐结构这些。

  储罐需要解决的问题就是运行温度和冷态温度存在着比较大的温差,应力怎么解决。第二个是储罐底座的散热特性和基础支撑的问题,底座的散热对储罐来说是一个非常大的考验。如果散热比较大,集热系统收集到的热量有不少通过储罐散掉了,那是非常不经济的。有一些储罐每天的温降很大,这种方式是肯定不行。我们很大程度上认为就是底座保温这一块一定要做好。罐体的保温和罐顶的保温是相对容易的,但是罐底和罐体的支撑结构怎么好得结合起来?这是值得大家深入研究的问题。储罐的预热方案和伴热设计也很重要,今天有很多专家介绍了预热方案,预热方案如果不均匀的话,会对罐壁,罐顶造成伤害。伴热也是这样,如果伴热做得不好,可能会带来局部的温差和应力问题。以前都认为罐子的技术含量有可能没有像吸热器难度这么大,但是现在从国外的运营经验表明储罐也有很多没解决的问题,必须要花功夫来解决上面的这些问题。

  储罐的罐顶,罐底设计,我刚才已经强调过了,保温设计,储罐的预热、伴热设计还有熔盐的均流与混合设计等。

  除了上面的这些主要热力设备之外,还应该重视熔盐管道的设计。换热平台上面SGS系统上也有很复杂的管道,这些管道要通过专门的软件进行三维的模拟,尽量避免应力集中,尽量避免死区。熔盐配套件已经有很多专业性介绍就不再多说了。这是管道做的设计软件,就不再详细介绍了。这是50MW、100MW吸热器的设计。

  我想特别强调的是我刚才说的几点。一个是吸热器的设计需要和镜场的设计联合起来进行。结构和材料也是一个必须要认真考虑的问题。第二个,吸热器应该采用模块化设计。我们推荐的是模块化。今天也有同行专家介绍整体吊装方案,到底哪个方案最优,哪个方案成本最优?这些可能还需要很多专家来研究。这是SGS系统的布置、储罐的布置、储罐的模拟等。

  时间很有限,我介绍得比较粗略,大家感兴趣的话可以会后再深入交流,也欢迎大家到杭锅去参观访问。

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