对兆阳光热创新型技术体系几项最受关注问题的深度解析
发布者：walt | 来源：CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 5429查看 | 2018-06-27 20:13:00
CSPPLAZA光热发电网报道：在刚刚结束的CPC2018年度盛会上，北京兆阳光热技术有限公司（简称兆阳光热）的中国原创完整光热发电技术体系斩获技术创新大奖，成为与会代表关注的一大焦点。
大会同期举办的兆阳光热技术项目交流对接活动取得了丰硕成果，兆阳光热的东西轴斜面阵列高倍聚光系统、水工质过热蒸汽传热系统和固态混凝土储热系统展现出的朴素经济、安全可靠特性获得了多方的一致认可。
近日，华强兆阳一号光热电站又顺利完成了60小时连续发电测试，再次引起行业内的广泛关注和热议。据了解，目前业内已较普遍地认可并从原理上接受了此类斜面高倍聚光、水工质传热和固态储热技术体系，认为其原理简单易懂、与传统火电技术体系兼容度高，可靠性和经济性优势明显，显示出很好的大规模推广潜力。
但同时，作为一种创新型技术，该体系的工程技术细节和长期运行的可靠性等，也引发了业内的热烈讨论，业内专业人士也对其技术体系提出了一些深层问题，CSPPLAZA光热发电网记者据此总结提炼出了几个普遍性的热点问题，并在第一时间采访了兆阳光热总工程师李维。
CSPPLAZA：此次一号电站60h发电测试的试验目的有哪些，测试期间的平均发电负荷是多少，对光热电站的意义何在？
李维：此次60小时连续发电并非刻意进行的创记录活动，仅仅是一次普通的按计划测试工作，主要目的包括：
进一步进行系统联调测试，验证当前消缺成果，以便进一步发现问题，安排下一步的消缺工作；
根据汽轮机厂家建议，设定保护参数并测试汽轮机极限状态运行边界条件，实测评估低功率运行时排汽温度情况，目前汽轮机低功率下整体运行良好，高低缸温差和排气温度都非常稳定；
储热塔深度取热能力评估；
存取热联合运行及切换试验，存取热联合运行这次因为天气原因未实现测试（但上次24h连续取热时，实现了单座储热系统的取热和相邻座储热系统的镜场储热模式的联合测试）；取热实验对象为其中的2座，目的为切换平稳地进行取热发电，取热实验过程中按照逐座取热（此项因天气原因取消）、联合取热陆续进行；过程中实现了单座储热模块与另一座中间的切换、两座联合取热，再到两座蒸发段联合取热+单座过热取热模式等多种运行模式，储热切换和各种运行方式过程中整体非常稳定，汽轮机运行稳定未出现因为切换模式出现跳机、停机等现象。
由于该电站送出线路尚未建成，目前发电测试均为离网运行，基于安全考虑发电功率须控制在1.5MW以下，测试期间的平均发电功率约为600kW左右。
我们前期已经首先对大功率发电所需的高功率取热特性进行了专项实验测试，采用连续长时间大流量常温进水、高温高压蒸汽直接排放的方式进行，在一个多小时内蒸发排放量超过单座30T/h的水平，获得了较精确的高功率取放热能力参数数据，测试结果与理论设计吻合度很高，已经证明在常规岛系统正常的情况下储热系统能够支持汽轮机满功率发电（该储热系统共设置有六座储热单元），可以说储热系统设计建设和测试试验已经取得了圆满成功（更多相关信息请参考已发布文章）。
同时我们认为，安排极端特殊条件下利用固态混凝土储热体基础储备热量进行长时间连续发电测试的意义重大：对我国各地区多年气象数据的分析可知，大多地点均有可能出现连续一周甚至十天以上阴雨（降雪霜冻）天气，这种极端天气对光热电站的传热工质、集热传热管路和储热体的保温防冻性能是非常严酷的考验，例如熔盐储热系统在这种极端天气条件下，仅维持自身集热传热系统安全、防凝防冻，所需要的外部电力和热量补充已非常大，能实现稳定连续发电的可能性和意义都非常小。
而水工质固态储热系统在这种极端条件下，仅需利用汽轮机发电乏汽的热量即可维持集热传热系统的正常流动，无需排空和特殊的防凝防冻措施（当然，兆阳特有的线性超高聚光倍率的设计，使真空集热管道用量减少三分之二左右，也为大幅降低防凝功率做出了重要贡献），同时固态混凝土储热体储存的基础储备热量能够支持一周以上的持续稳定小功率发电，保障达成光热电站对电网全年持续发电输出的原则目标（目前测试结果看来完全有可能实现全年不停机运行（计划停机除外）。
测试光热电站是否有能力达到如此高的要求，就如同飞机定型前要进行一系列极限参数飞行测试一样，虽然不是正常使用状态，但确实有必要对系统的各维度性能进行全面细致的测试，清晰明确极限边界条件，确保安全运行，同时使电站的内在潜力最大程度得到有效利用。
例如通过本次几十小时的连续发电测试，就已大幅增加了储备热量可利用深度值这个参数，并且确认该型汽轮机长时间低负荷运行时的排汽温度低于60℃（远低于80℃的厂家建议保护温度）。运行操作简单，设备安全稳定，相信在需要的情况下，我们完全可以创造一个无外部输入热量条件下的连续发电时长世界纪录。
CSPPLAZA：能否透露一下如果创造记录的话大概是多少小时吗？
李维：个人初步估计可以超过四百小时。
CSPPLAZA：很多专家和同行非常关注固态混凝土储热系统中的换热管道和混凝土之间是如何实现热膨胀匹配的，能否再详细解答一下？
李维：这个问题也是国际混凝土储热研究领域普遍关注的难点瓶颈问题，一直未见重大突破创新成果。兆阳光热在近十年的研发试验过程中，进行了大量的方案设计、仿真计算，并辅以几十次的实际加工测试试验，根据实测数据对仿真计算模型进行验证修正，最终找到了一种经济可靠的方案，成功解决了这一国际难题，并申请了一系列专利，形成了系列专有技术储备。在不违反企业保密原则的前提下，我可以尽量详细地介绍一下有关方案设计。
其实固态储热系统设计难点是有膨胀匹配和增强热扩散能力两个方面。兆阳光热的专利技术是在换热管道和混凝土之间设计有膨胀匹配和增强换热特殊结构，该结构能够大幅改善换热钢管与配方混凝土之间的换热效果，同时将钢管与混凝土进行隔离。由于该结构的材质为铝材，导热系数很高、在250~450℃的温度范围内、在混凝土和钢管共同构成的包覆环境中性质稳定却又非常柔软极易变形，这样一来，换热管道与混凝土之间实际上并不直接接触，而是使用了柔软的铝材进行过渡，在可以轻松滑动的同时还能保持高导热性能，并且此铝质增强换热结构深入到混凝土内，与混凝土形成高度牢固的粘接固定，热扩散能力强。
固态混凝土储热塔在实际使用过程中，从初始状态升温至工作温度历时较长（长达几个月），不存在短时间内较高的温度突变；在正常工作状态时，每日的温度波动范围不大于40℃，且升降温速度很小，这比我国冬季北方建筑、桥梁等混凝土建筑结构的升降温速度还要柔和些，不会对换热管道与混凝土匹配造成不良影响。
五六年来，在使用3倍以上的升降温速度及3倍变化温差的试验条件下，混凝土块体在较大的管路轴向长度方向上也只是出现少量裂缝，表现出很好的机械性能，增强换热结构与钢管及混凝土之间依旧能够保持紧密接触状态，钢管与混凝土之间能够正常产生最大至近100mm的伸缩膨胀差却无任何疲劳损伤。
另外，在试验和实际施工过程中，我们还严格遵守各类设计规范，进行了严格的变形应力校核等各类设计计算审查，充分考虑到了腐蚀、冲刷磨损，泄露情况时的对应措施等问题，采取了较为有效的防护措施，实际使用过程中未发生任何不可预见的问题。综合试验和目前的运行结果来看，固态混凝土储热体就像是一个永不过温、不过烧的锅炉系统，且换热功率密度低，安全可靠性完全符合设计预期。
CSPPLAZA：水工质光热发电系统对集热管提出了更高的要求，在该电站的调试、运行期间，真空集热管的弯曲度、破损率如何？
李维：一号电站的镜场采用的是我们自主研发的低成本高倍聚光（约200倍）系统，由于聚光倍率高，即使在较差的光照条件下也很容易输出较高参数的过热蒸汽。但是在调试初期，真空集热管的破损在长达半年时间内确实是最困扰我们的问题（也是目前碰到的唯一一个难题）。
经过多种因素的原因查找分析，很早以前该问题已经获得成功并彻底解决。真空管（连带部分二次反射镜）早期出现频繁破损失效的根本原因是真空管的非有效吸收段部位（波纹管段）超温（超800℃）导致的，该超温不仅会导致真空管玻璃-金属封接处破损，而且还会使靠近该处的二次反射镜（CPC）受热损坏。基于以上分析，我们针对性的进行了专利结构设计，采取了增设特殊防护结构的方式，有效避免超温现象的发生，在国内供应商的大力支持配合下，及时进行了改进完善，并取得了非常好的使用效果。在后续监控的9个月时间里，真空管的破损率远低于1%，大大低于目前已知的国际光热电站披露的真空集热管初始破损率。同时，实际运行证明大部分厂家的国产真空集热管在运行过程中都通过了成功验证，均可满足使用要求。
兆阳光热开发的吸热器结构，使真空集热管的受热相对均匀，局部聚光倍率并未高于传统槽式，环温差较小，另外由于使用的耐高温高压合金钢管壁厚较大，进一步减少了环温差，大幅降低了管道的弯曲程度。由于真空管采用了固定式的安装方式，经济可靠，安装简单便利，并且增加了专利牵引结构，真空集热管可以自由伸缩滑动，实测真空管的弯曲度非常小，即使在调试初期出现多次操作失误，发生严重超温（600℃-800℃）的情况下，也没有发生真空管弯曲破损的情况，可靠性大大优于传统槽式聚光系统的真空集热管。
CSPPLAZA：还有其他您认为需要补充的行业人士可能存在疑问的问题吗？
李维：兆阳光热非常欢迎业内人士对我们这套创新型光热技术体系提出问题甚至是质疑，我们都将本着实事求是、坦诚的原则给予解答，如果后续有更多问题，我们也将通过CSPPLAZA平台进一步释疑。
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