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        摩洛哥努奧二期槽式光熱電站設計特點

        2020-05-06 09:08:32王武君
        科技創(chuàng)新導報 2020年3期
        關鍵詞:設計特點

        王武君

        摘? ?要:本文詳細論述了摩洛哥努奧二期槽式光熱電站主要工藝系統(tǒng)及設計特點。電站配置采用槽式導熱油換熱、熔鹽儲熱發(fā)電技術(shù),建設1×200MW汽輪發(fā)電機組,配置7.3h雙罐熔鹽儲熱。鏡場采用6.9m大開口槽式集熱器,集熱面積1779900m2, 共425個U型集熱器回路;蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)采用2×50%雙列布置;熔鹽儲熱系統(tǒng)采用雙組四罐布置,每組儲熱容量為1562.5 MWth;年運行小時數(shù)3924, 年凈發(fā)電量703,807MWh。本項目在大開口槽式集熱器、V型空冷島、大體積熔鹽罐基礎設計、多工況廠用電計算、熔鹽泵平臺設計及導熱油支墩設計等方面具有鮮明的特點;在主要技術(shù)指標方面處于國際領先水平。

        關鍵詞:摩洛哥努奧? 槽式光熱? 設計特點

        摩洛哥努奧光熱電站是中國公司首次在海外承建的光熱工程,工程匯集了當今世界先進的槽式集熱器技術(shù),對中國公司掌握光熱發(fā)電前沿技術(shù),具有重要的意義。自工程建設伊始,本項目就引起了全球范圍廣泛關注。中央電視臺財經(jīng)頻道、阿拉伯語頻道、《人民畫報》、《創(chuàng)新世界周刊》、摩洛哥國家阿語電視頻道等國內(nèi)外主流媒體爭相報道,中國氣候變化代表團、國家能源局、中國駐摩洛哥大使館、青島市政府、摩洛哥政府等先后對努奧項目進行考察、調(diào)研和指導工作,使得努奧項目成為中國海外光熱的一張新的名片。通過對項目的主要設計特點的提煉總結(jié),以便同行參考。

        1? 項目簡介

        1.1 工程概況

        摩洛哥努奧二期200MW槽式光熱電站位于摩洛哥努奧光熱發(fā)電園區(qū)內(nèi)。努奧光熱園區(qū)規(guī)劃裝機容量510MW。一期工程裝機容量160MW,采用槽式導熱油技術(shù),已于2015年11月并網(wǎng)發(fā)電;二期工程裝機容量200MW,采用槽式導熱油技術(shù);三期工程裝機容量150MW,采用塔式熔鹽技術(shù)。努奧二期于2018年3月13日順利完成機組10d可靠性運行,投產(chǎn)發(fā)電。

        1.2 電站配置及主要技術(shù)參數(shù)

        本項目采用槽式導熱油換熱、熔鹽儲熱發(fā)電技術(shù),建設1×200MW汽輪發(fā)電機組,配置7.3h雙罐熔鹽儲熱,太陽倍數(shù)為1.79。

        鏡場采用SENERtrough?-2大開口槽式集熱器;

        蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)采用2×50%雙列布置;

        熔鹽儲熱系統(tǒng)采用雙組四罐布置,每組儲熱容量為1562.5 MWth;

        年運行小時數(shù)3924, 年凈發(fā)電量703,807MWh。

        1.3 總平面布置

        全廠總占地面積為680hm2,其中動力島區(qū)域占地面積為12.8hm2。動力島區(qū)布置在鏡場中央,按照工藝流程劃分為4個功能分區(qū),分別為汽輪發(fā)電機組(PB)和附屬設施(BOP)區(qū)、蒸汽發(fā)生器(SGS)區(qū)、導熱油(HTF)區(qū)和熔鹽儲換熱區(qū)。

        2? 主要工藝系統(tǒng)介紹

        本項目主要工藝系統(tǒng)包括:鏡場集熱系統(tǒng);導熱油傳熱系統(tǒng);油鹽換熱及儲熱系統(tǒng);蒸汽發(fā)生器系統(tǒng);常規(guī)島發(fā)電及BOP系統(tǒng)。

        2.1 鏡場集熱系統(tǒng)

        努奧二期鏡場設計采光面積為1779900m2,由425個集熱器回路(LOOP)構(gòu)成。每個導熱油回路長約640m,由4個長約160mSCA組成,串聯(lián)“U”布置,將導熱油由298℃加熱到393℃。

        每個SCA由12個集熱單元(SCE)及13個塔架(含1個驅(qū)動塔架,1個終端塔,1個共享塔和10個中間塔)組成。每個SCA配1套驅(qū)動裝置,每個SCA可獨立于其他SCA進行調(diào)節(jié)。每個SCE主要由32面(4×8)拋物面反射鏡、3根吸熱管、支撐架等構(gòu)成。

        2.2 導熱油傳熱系統(tǒng)

        HTF傳熱系統(tǒng)主要包括:鏡場HTF管網(wǎng)系統(tǒng)、導熱油泵、膨脹溢流系統(tǒng)、導熱油防凝系統(tǒng)和氣隙處理和再生系統(tǒng)等。導熱油循環(huán)系統(tǒng)配置7×16.7%導熱油泵,6用1備,配置變頻驅(qū)動器,以便能夠調(diào)整泵的流量匹配鏡場、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)的要求。溢流膨脹系統(tǒng)設置1個膨脹箱,6個溢流罐,2×100%溢流泵和2個過濾器及氮封系統(tǒng)。膨脹箱高位布置,溢流罐布置于膨脹箱下方。

        2.3 油鹽換熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)

        設置2組儲熱設施,每組包括1座冷鹽罐和1座熱鹽罐,冷鹽罐運行溫度為292℃,熱鹽罐運行溫度為386℃,設計溫度均為400℃。2組熔鹽罐儲存熱量2×1562.5MWth。儲熱介質(zhì)二元鹽(60%NaNO3,40%KaNO3)。

        每組主要系統(tǒng)包括:

        冷鹽罐(1座):直徑44.1m,高16.6m;

        材質(zhì):碳鋼;

        冷鹽泵:3x50%,變頻;

        油/鹽換熱器:配3臺管殼式換熱器,管側(cè)HTF油,殼側(cè)為熔鹽;

        熱鹽罐(1座):直徑44.1m,高16.6m;材質(zhì):碳鋼;

        熱鹽泵:3x50%,變頻;

        疏鹽系統(tǒng);

        氮氣系統(tǒng)。

        2.4 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

        通過SGS系統(tǒng),產(chǎn)生滿足汽輪機要求的蒸汽。本項目采用雙列布置,每列各配置1臺50%容量預熱器(省煤器),蒸汽發(fā)生器,過熱器和再熱器。高溫導熱油分2路同時進入過熱器和再熱器,換熱后的低溫導熱油回HTF循環(huán)系統(tǒng)。

        主要設備參數(shù):

        過熱器出口:10.76MPa,382.7℃,769.7t/h;

        再熱器出口:2.25MPa,381.6℃,635.8t/h。

        2.5 常規(guī)島及BOP系統(tǒng)

        汽輪發(fā)電機采用西門子SST800-500機型,為中間再熱高壓低溫機組,單機出力200MW,發(fā)電機出口電壓15.75kV,1回225kV架空線送出。主要系統(tǒng)配置如下。

        汽水系統(tǒng):3級低加、1級除氧和2級高加6級回熱系統(tǒng);設置100%旁路。

        給水泵:3×50%,配變頻。

        凝結(jié)水泵:2×100%,配變頻。

        閉冷水系統(tǒng):采用WSAC(WET SURFACE AIR COOLER),介質(zhì)為除鹽水。WSAC的噴水為蒸汽發(fā)生器的排污水和RO濃鹽水。

        凝汽器:直接空冷。

        輔助燃油系統(tǒng):設有1臺燃油輔助鍋爐和1臺HTF防凝鍋爐。

        3? 主要設計特點

        3.1 首次在大型商業(yè)化項目中應用更大開口槽式集熱器- SENERtrough?-2

        本項目采用了開口尺寸大、聚光比高的大開口槽式集熱器SENERtrough?-2,本項目的投產(chǎn)發(fā)電,成為全球首個應用SENERtrough?-2的大型商業(yè)項目。另外SENERtrough?-2配置了80mm的集熱管,進一步減少了鏡場的溢出損失,提升鏡場的光學效率。

        3.2 世界首臺單機容量最大的光熱型汽輪機

        本項目汽輪機采用西門子單軸兩缸兩排汽中間一次再熱機型,單機出力為200MW,是世界上首臺單機容量最大的光熱型汽輪機。與常規(guī)汽輪機相比,光熱型汽輪機具有快速啟動、頻繁啟停和快速變負荷等特點,從而保證最大程度的滿足光資源變化對機組運行提出的各項要求。經(jīng)優(yōu)化系統(tǒng)設計,本項目機組啟動時間縮短至35min,優(yōu)于同類電站40min最快啟動指標。

        3.3 世界首臺200MW等級“V”型直接空冷凝汽器

        與傳統(tǒng)A型空冷島結(jié)構(gòu)形式相比,V型結(jié)構(gòu)風機布置在空冷散熱器的上方,風機采用引風式,空氣擴散效果更好,取消了擋風墻,熱風回流影響更小。由于V型結(jié)構(gòu)降低了鋼平臺的高度,在結(jié)構(gòu)上可以節(jié)省大量的鋼材。同時其結(jié)構(gòu)采用模塊式結(jié)構(gòu),每一個單元是一個模塊,可以每個單元為模塊進行運輸,現(xiàn)場只需進行地面的結(jié)構(gòu)框架拼裝,減少了鋼結(jié)構(gòu)的高空作業(yè)和施工難度,便于現(xiàn)場的安裝,節(jié)省了現(xiàn)場的安裝工期。

        本工程采用V型空冷島,較A型可節(jié)省約30%鋼結(jié)構(gòu)用量,節(jié)省安裝周期2.5個月,具有良好的經(jīng)濟效益。

        3.4 大體積熔鹽儲罐基礎設計

        本項目共設置四座熔鹽罐,冷熱熔鹽罐各兩座。通過理論計算和FLUENT模擬分別對罐底散熱損失進行計算,經(jīng)過對不同保溫厚度,不同風管個數(shù)及間距等方面進行分析對比,得出本項目最優(yōu)設計方案:

        地基保溫層厚度為1100mm , LECA層厚度為800mm,通風管個數(shù)為56根,管間距為0.77m時,最終底部溫度能達最優(yōu)。該項目的成功實施,首次解決和驗證了大型熔鹽的基礎設計。

        3.5 多工況廠用電計算

        光熱電站運行工況繁多,且受天氣影響大,運行工況多變。在本工程設計時,通過對運行工況和廠用電負荷特性的分析,引入運行系數(shù)來計算設備實際運行負荷,得出各工況下廠用電負荷。經(jīng)現(xiàn)場實測,現(xiàn)場各工況下的實際廠用電與采用上述方法計算的廠用電差別很小,計算值與實測值非常接近。通過本項目的成功實施,首次掌握了槽式光熱電站多工況廠用電的計算方法。

        3.6 全廠性能優(yōu)化

        性能指標中的太陽倍數(shù)關系到電站集熱系統(tǒng)容量與發(fā)電系統(tǒng)容量之間的差別,對一個光熱電站的鏡場設計及全場效率性能至關重要。而儲熱系統(tǒng)能保障電站的電力輸出平穩(wěn)性和連續(xù)運行性,在滿足電網(wǎng)需求的同時獲得最大的經(jīng)濟效益。相同裝機要求的電站可對應不同采光面積的聚光場,太陽倍數(shù)與儲熱時長這兩個參數(shù)是影響聚光場面積的決定性參數(shù)。綜合考慮業(yè)主對鏡場采光面積、發(fā)電量、儲熱時間的要求以及項目初投資成本和經(jīng)濟性因素,本項目最終確定:太陽倍數(shù)為1.79,儲熱時長7.3h,有效儲熱容量為3208MWht。本項目年總凈發(fā)電量為703807MWh,年可利用小時數(shù)達3924。

        3.7 熔鹽泵平臺結(jié)構(gòu)設計

        熔鹽泵平臺采用混凝土筒體支撐+頂部鋼結(jié)構(gòu)懸挑方案。

        熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)懸臂梁采用格構(gòu)式,增加懸臂剛度,解決了鹽泵平臺懸挑跨度較大,荷載較大的問題;本工程風荷載很大,在基礎無空間加大,且不能深埋的情況下,鋼平臺下部采用鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu),提供了較大自重,為抗傾覆提供了有利條件;同時混凝土筒結(jié)構(gòu)提供較好的抗側(cè)移剛度,另外上部鋼結(jié)構(gòu)橫向節(jié)點剛接,滿足了設備位移和動力速度要求?;炷镣搀w內(nèi)部可以布置鋼梯,作為人員檢修通道。

        3.8 大推力導熱油管道支墩設計

        針對鏡場廠家提出的導熱油管道限位支架的位移要求(10mm)和線剛度要求(1800kg/mm),通過優(yōu)化比選確定采用混凝土底板+短柱墻的基礎形式利用回填土對基礎提供一部分豎向力,以此來增大基礎底面的摩擦力,抵抗導熱油管道的水平推力。較努奧一期傳統(tǒng)支墩基礎,本次導熱油管道支墩的設計節(jié)省混凝土用量約7500m3,節(jié)約項目成本約1500萬元。

        4? 主要技術(shù)指標

        如圖2所示。

        5? 結(jié)語

        摩洛哥努奧二期200MW槽式光熱電站,作為世界上單機容量最大、系統(tǒng)最復雜的光熱項目,在新技術(shù)、新設備、新材料、新結(jié)構(gòu)的應用等方面具有鮮明的特點,在光熱電站各要素的整合,性能保證等方面做了很多有益的嘗試。本項目的建成投產(chǎn),將槽式光熱電站的建設提升到了一個新的高度,為全球光熱發(fā)電領域提供了又一個成功的典范。

        參考文獻

        [1] 王志峰.太陽能熱發(fā)電站設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2014.

        [2] GBT 50660-2011,大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2011.

        [3] GB 50229-2006,《槽式太陽能熱發(fā)電設計規(guī)范》(報批稿)[Z].

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