陈煜达:二次反射塔式熔盐示范系统的经验与成果
来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 9870查看 | 2015-07-06 16:38:00    
CSPPLAZA光热发电网报道:中国国际光热电站大会暨CSPPLAZA年会2015于6月25~26日在京盛大召开,江苏鑫晨光热技术有限公司董事长陈煜达出席本届大会并发表演讲,重点分享了二次反射塔式熔盐光热发电示范系统的经验与成果。

下面刊出的是陈煜达演讲的主要内容:(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。)

陈煜达:我也是光热行业的老面孔了,在过去几年我也发了几次言,每次都是用别人的或者是国外的图片,这回终于我用自己的图片了(笑)!

图:陈煜达发表演讲


今天我想讲的是在江苏建设的一个二次反射塔式光热发电系统的示范,包括我们的数据的分享,包括一些下一步的计划和推论。项目在江苏盐城,这是Google图片,这是航拍的照片,如图,有点像一个外星建筑。



二次反射系统其实没有什么稀奇的,它的原理很简单,如大家在左上角的图上看到大的, 相对于传统的塔式,把所有的光汇聚到这个里面的上焦点的情况下,增加了一块太阳镜子,这块镜子是旋转双曲线,这样的情况下,这块镜子会把所有的光反射并且汇聚到下焦点,这是基本光学原理。20世纪初以色列首先做了示范性的45千瓦系统,09年阿联酋和日本人在Masdar做了个一百多千瓦的系统,但是聚光性不好,热系统也没有做。

这是我们现在做的,我们的规模相当于阿联酋项目的5倍,通过一个二次反射塔,把光汇聚到地面,加热熔盐到500℃,最后换热产生440度过热蒸气推动一个小的汽轮机的发电,这个系统项目的配置基本是这样。160面9.6平方米的塔式定日镜,一个20米高15米口径的二次反射塔,一台300千瓦的腔式熔盐吸热器、两个熔盐储罐,两台熔盐泵,一套蒸汽发生器,包括预热蒸发,一台10千瓦的小的汽轮机,主要是为了消耗过热蒸汽,因为工业园区这么高的压力这么高蒸汽的排放会造成很大的影响,园区也要求一台汽轮机来代负荷。

    
图--300KWt示范项目镜场光效率

这是这个系统进场光学方面的光学效率,最后综合效率现场测算下来54%, 完全不同于塔式的进场方式,完全是圆形环状往外扩张,中间上面是对光斑的仿真,这次采用的是熔盐直接加热,熔盐是没有管道的,不走在管道,光直接加热熔盐,这就涉及到光在熔盐里的投射,一层层加热,到底能加热多少升,这些实验都是需要做的,这些都是理论方面的东西,包括熔盐罐的设计,二次反射塔盘的抗风,这个不光是为了以后西部,现在在盐城经常来一次台风,所以说要做一些风抗设计。

图--包括场平图和二次塔盘的设计,塔架的设计、换热器的设计、汽轮机的布置图。
    
1月份到3月份10个人160面镜子,吊装二次反射塔、常规岛,储热罐、换热器等等,这是定日镜的光斑,定日镜能不能追上,这是核心的问题。按照电工所定日镜的精度规范做了精度的测试,做下来是全部都在1.5个毫弧度以下。
    
今天有很多嘉宾都展示了光照的数据,很不好意思盐城的数据实在拿不出手,数据很差,最好的一天是可以,最高也就是900,我们的系统是按照500 DNI进行设计的,吸热器上来的光斑,整整一天每十分钟取样一次来进行的,塔式和二次反射系统主要是能不能追得上光,左边的照片是可见光照片,也是带了滤光片的,右边是经过计算机处理的灰度值照片,最后所有的截断率,整个光能够照到中间下面的圆圈,这个圆圈的半径1.5米的吸热器,照到这个吸热器的截断率,总共面积上计算是93%左右可以追到吸热器里去。
    
这是做的散热器的实验,选取了100分钟,没有任何加热,让熔盐在里面看怎么散,来获得吸热器的散热,最后得到的散热数据是每平方米9.85千瓦,与理论估算值也差不多,反演到大的12兆瓦左右的吸热器,这个吸热器的效率差不多接近91%,这证明了我们的猜想,如果吸热器放在地面采用枪式熔盐直接加热,吸热器的效率要远高于塔式排管式的吸热器,那样的吸热器只有80%左右。

吸热器加热实验,选取了10分钟,现在的系统光照密度是比较小,因为我们规模比较小,已经接近于500度的顶值了,10分钟里从400多度升到了500度,瞬时有效功率接近于295 千瓦,熔盐达到最高温度是500度,Y轴线同时也是温度也是当时的辐照,当时的辐照是500多。


图--熔盐温度分布测试
 
这是熔盐的温度测试,紫颜色主要是因为下面有低于3米以下的台阶,真正看红颜色细圈里白颜色的部分,那块是熔盐,被加热的熔盐,做这个实验是证明在吸热器里熔盐在同一表面没有温度分布。

  
图--熔盐安全性问题 

熔盐储罐的保温测试,首先从根源上解决熔盐安全性问题,上图是吸热器的截面图,基本上是开口的,上面是一个自动开关的盖子防尘防雨,晚上盖起来,平时的时候太阳光直接照在吸热器里面,左下角三张图,物理性质的实验,第一个不同波长的辐射在二元溶液中透射系数,第二个照度一定深度熔盐中的衰减,第三个光在熔盐中的投射,通过直接吸收的腔式熔盐吸热器,所有的吸热面没有任何管路设计,熔盐不走管路凝固就没有后果,每天不需要彻底的排空,这是塔式里最大的问题,每天早上要冲注,每天下午要排空,排不干净不用承担后果,是不是少了很多的问题。

 
图--集热性能和光照适应性

这样一种形式的吸热器可以大幅度提升集热性能和对光方面的要求,这样一种吸热器,它液面的反射率相当于塔式里面Pyromark 黑漆。 第二它的表层液面温度比底层低,它的散热系数不是按照565度峰值来算的,它可能更低, 第三液体内的理论换热系数是无上限的,在吸热器将近7平方米全部是同一个温度,它没有阶层没有分布,因为理论换热系数是很高很高的,在同一个液体里面。它对光斑均匀性没有要求,只要光是照在吸热器里面就能达到加热熔盐的效果,不用担心过于集中了产生过热点了把钢管烧掉了,因为没有钢管,不需要这么昂贵的材料,在传统里流速调解非常重要,这里面没有流速调解,或者说流速调解不再受管道的限制,照度无上限,中间的光斑,这是一个商用电站的规模,中间红点的照度是1.2兆瓦,我相信现在的塔式系列没有一个这样的照度存在,这太高了,任何基础材料

没有办法这样走,但是因为是地面吸热器,因为是熔盐直接加热,所以对光斑的要求大大的降低。


江苏鑫晨定位为太阳能发电进场工程服务商和运维服务商,我们做这个项目为了验证定日镜的批量化设备生产能力,目前的示范系统是按照商用化定日镜要求来生产的,验证中等规模工程实施能力,还有中等尺寸的二次反射塔的工程实施能力,以及熔盐的吸热、储热、换热集成的能力,同时也配套小型的工业汽机为大型电站以后作为培训中心,也是为了准备一些团队的储备。另外也为了获得足够的实验数据,能够反演到商业电站规模的级别,保证下一步开发商业电站的成功。去年年底的时候面临决策,今年直接开工上商用电站还是先在盐城建一个工程做一个大家看得见规模的系统,把时间拖晚一年,最后结果我比较庆幸,我们愿意用多一年的时间多花一些钱去做这样的中式规模的准备工作。


最后得出来的结论,如果要进行商业化规模的建设,第一定日镜标准的各种材料处理方面的专机这是必须要有的,第二装配生产线,还有在现场安装的专机也必须要有,安装的精度要求很高,还有一些工程方面的内容。


下一步来说,我们整个推进的是标准模块化的进场,标准模块是5兆瓦发电功率加6小时蓄热的标准电场,包括4300面定日镜,吸热塔高60米,口径60米,吸热器的热当量是13.8兆瓦,配备了熔盐罐100兆瓦时,这是冷熔盐罐,还有一个低扬程的高流量的熔盐循环泵,我们的正好和传统的塔式熔盐泵相反,不需要高扬程低流量,我们需要低扬程高流量,更多的采用涡流板。


我们也遇到这样的问题,做小模块只做一个模块5兆瓦好不好,现在的趋势是大塔,我们并不是不能做大塔,现在如果把钢塔升到120米,单塔也能做到50兆瓦左右的规模。怎样步进到100兆瓦规模的商业电站,它大概就是20个镜场模块,共用同一个高熔盐罐,也就是每个塔底下只存冷熔盐,所有加热后的熔盐汇聚到常规岛上。100兆瓦的电站按照数据推算,光学效率接近52%,地面吸热机效率91%,最后得到的光热发电系统的总效率是19%,上网总效率17.45%。


为什么要做小的单模块叠加形成一个电场,首先从占地进行考虑,标准大塔型的电场,最密靠近塔的一圈把镜子抽出来最后形成,单位装机8.9英亩,现在这么做单位装机只有5.3英亩,单位Gwh发电量只有1.89英亩,按照NIREL统计是2.8,也就是说占地率比国际同样的塔式水平占地水平高48%,地不是免费的,能省就要省,不光是地价的问题也是后期土建处理的费用。


从塔式设计的角度或者从光学角度来说是一个的规律,离塔越近镜子越密,占地率越高,离塔越远,镜子占地率越低。离塔越近,光学效率越高,离塔越远,光学效率越低。这是数学定律。为什么大家要往大大塔来做,可能是因此热功太贵了,我们核算过,单50兆瓦的塔定日镜和10个5兆瓦模块,同样的配置、同样的发电量,占地多30%多,造价也差不多贵30%,至少在我们这个案子里小塔更有优势。


555.png

图--熔盐管道压降与温降


塔式电站的熔盐管很长,100兆瓦电场熔盐总管道6.48公里。左边是这6.48公里沿程阻力,570度是热熔盐输送过程热损,第二行是冷熔盐输送回去过程热损表,整个全部把热损用电补上大概只有1.75%,相对于地面吸热器,泵功很小,扬程只有3-4米,相对于100米扬程的大塔至少7%到8%自用电率,这样1.7%自用电率是赚了的,还有一个好处是,中国业主比较喜欢的,多模块可以分布建设,比如说100兆瓦需要20个模块,先建十个模块,建一个常规岛,可以满功率发电,发电效率不会变化,但是发电时长变化了,这样周期是在一年的时间就可以电站建成发电,甚至更进一步可以把建成发电的电站先抵押了,虽然是半个电站,剩下的一年时间过了冬天以后再建剩下的十个镜场模块,这样把两年半的建设周期分成两个阶段,可以大大改善业主前五年的项目建设期和项目前期的财务环境,对财务模型有很大的改善。


蓄热和太阳倍数的问题,把所有的数据带进去计算,它不是单一的值,可能是一个区间,纵轴是代表蓄热小时数,横轴是太阳倍数,太阳倍数进场输出规模是汽轮机的倍数,颜色越深代表的电价越低,其实是一个区间,可以1.2个太阳倍数,接近6小时蓄热和选1.4的倍数接近8小时蓄热,其实单位成本电价上是一样的,这样提供了另外一种可能性,按照这样的模型有没有可能建完一个100兆瓦电站,如果觉得再扩容几个模块、扩容一些热罐是不是可以保证原来最低的单位成本电价。


从几个角度去考虑怎么设计这个电站,最终获得更低的综合成本,一缩短工程设计周期,相对大塔需要很长的设计周期,设计一个进场模块其他的拷贝就可以了,工程设计量大大的减少了,第二加快工程安装施工,因为都是模块化设计。每一个模块化施工很快,第三熔盐蓄热是安全稳定,减少了运营成本,第四镜场模块是最佳性价比,分布投资提高资本的利用率,最后达到更低的综合成本。


谢谢大家!

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