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        光熱電站儲熱系統(tǒng)熔鹽量設(shè)計(jì)優(yōu)化及工程應(yīng)用

        2020-12-09 08:30:22孫云昊
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年22期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        孫云昊

        (上海電氣集團(tuán)股份有限公司電站分公司,上海201100)

        1 引言

        近年來,光熱發(fā)電作為一種清潔的太陽能利用技術(shù),在國內(nèi)外逐步推廣使用。由于太陽能存在波動較大的特點(diǎn),為了維持電力輸出穩(wěn)定,需要儲熱技術(shù)的支撐[1]。光熱發(fā)電中儲熱系統(tǒng)的投資成本一般占全廠投資的15%~25%[2]。如果能通過設(shè)計(jì)優(yōu)化,降低儲熱系統(tǒng)熔鹽的消耗量,將對降低光熱電站的建設(shè)成本發(fā)揮積極的作用。

        2 優(yōu)化原理分析

        根據(jù)工作介質(zhì)的不同及其在熱力循環(huán)中所發(fā)揮功能的不同,可以將光熱電站劃分為以下子系統(tǒng):集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽水循環(huán)系統(tǒng)等。

        對于儲熱系統(tǒng),可認(rèn)為熔鹽在比熱容恒定,對于有固定儲熱量的儲熱系統(tǒng),所需要的熔鹽的質(zhì)量為:

        式中,Q為熔鹽儲熱或放熱過程中吸收或放出的熱量;c為熔鹽的比熱容;m為熔鹽的質(zhì)量;T1為熱熔鹽的溫度;T2為冷熔鹽的溫度。

        儲熱系統(tǒng)的儲熱量一般為設(shè)計(jì)時(shí)的輸入值,在設(shè)計(jì)優(yōu)化過程需要保持儲熱量不變。因此,為了降低熔鹽的耗量,需要增大冷熱熔鹽的工作溫差,所以,可得到如下優(yōu)化方向:(1)增大熱熔鹽溫度T1。熱熔鹽的溫度主要由熔鹽集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定,因此,需要優(yōu)化熔鹽集熱系統(tǒng)來獲得合理的熱熔鹽設(shè)計(jì)溫度。(2)減小冷熔鹽的溫度T2。儲熱系統(tǒng)冷熔鹽的溫度由蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)(Steam Generation System,以下簡稱SGS)的設(shè)計(jì)決定,熱熔鹽的溫度確定時(shí),冷熔鹽的溫度主要由SGS系統(tǒng)的冷端給水溫度及冷端溫度端差決定。即:

        式中,t1為SGS系統(tǒng)的給水溫度;TTDcold為SGS系統(tǒng)的冷端溫度端差。

        為了減小T2,一方面可以降低SGS給水溫度;另一方面需要減小SGS系統(tǒng)的冷端端差。

        3 優(yōu)化方法分析

        針對以上提出的優(yōu)化方向,可將優(yōu)化過程分解為以下基本流程,如圖1所示。

        圖1儲熱系統(tǒng)熔鹽量優(yōu)化的基本流程

        以下將針對每項(xiàng)工作的具體優(yōu)化方法做進(jìn)一步的分析。

        3.1 優(yōu)化集熱系統(tǒng),提高熱熔鹽溫度T1的方法分析

        對于塔式光熱電廠,可以通過改進(jìn)熔鹽吸熱器(Molten Salt Receiver,MSR)的設(shè)計(jì)提高其出口熱熔鹽的溫度。但是由于受到熔鹽物理性質(zhì)的限制,熔鹽在升高到一定溫度時(shí)物理性質(zhì)不再穩(wěn)定,容易發(fā)生分解。對于工程中普遍使用的二元鹽,MSR出口的熱熔鹽設(shè)計(jì)溫度通常不高于565℃。

        3.2 優(yōu)化汽水系統(tǒng),降低給水溫度t1方法分析

        對于汽水系統(tǒng),可以在汽水系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)階段減少抽汽回?zé)崃?,達(dá)到降低給水溫度的目的,但這會導(dǎo)致汽水循環(huán)效率的降低。為了避免汽水循環(huán)效率過低,可采取措施彌補(bǔ)給水溫度降低帶來的不利影響,如提高蒸汽的設(shè)計(jì)溫度;降低管道的設(shè)計(jì)壓降值;降低汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)排汽背壓等。在進(jìn)行優(yōu)化時(shí),以上2個(gè)方面的措施需要取得平衡,以不降低系統(tǒng)的效率為平衡點(diǎn)。

        3.3 優(yōu)化SGS系統(tǒng),減小冷端溫度端差TTDcold的方法分析

        對于SGS系統(tǒng),在全廠的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,通過提升SGS出口的設(shè)計(jì)蒸汽參數(shù),可以減小SGS的熱端端差,這與3.2中采用的措施是一致的。但提高蒸汽參數(shù)會導(dǎo)致SGS系統(tǒng)換熱器面積的增大,同時(shí)也會導(dǎo)致SGS的冷端端差減小。但這會增加SGS系統(tǒng)的投資,因此,需要結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇經(jīng)濟(jì)性的熱端端差。通常對于SGS中廣泛采用的管殼式換熱器,其經(jīng)濟(jì)性的熱端端差取5~10℃。此外,SGS蒸發(fā)器的夾點(diǎn)溫度的設(shè)置,也會影響SGS冷端的熔鹽出口溫度,可以在優(yōu)化中選取合理的夾點(diǎn)溫度,通常經(jīng)濟(jì)性的夾點(diǎn)溫度取2~5℃。

        通過以上分析可知,通過調(diào)整各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),可以得到更加優(yōu)化的邊界條件,進(jìn)而可以在保證全廠熱效率不變的情況下,達(dá)到提高熔鹽溫差的目的,從而降低熔鹽的使用量。

        4 優(yōu)化方案的工程應(yīng)用

        DEWA四期700MW太陽能光熱項(xiàng)目位于阿聯(lián)酋迪拜,該項(xiàng)目包含1×100MW的塔式光熱電站與3×200MW的槽式光熱電站。對塔式機(jī)組,其設(shè)計(jì)凈出力為100MW,儲熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)儲熱量為3 588MW·t·h。此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化按照圖1所示的流程,從以下幾個(gè)方面展開。

        4.1 初始全廠熱平衡圖的評估及優(yōu)化方法的提出

        此項(xiàng)目中使用的熔鹽儲熱介質(zhì)為二元鹽(40% KNO3:60%NaNO3),其比熱容為1517kJ/(kg·℃)。初始全廠熱平衡圖如2所示。

        圖2 DEWA項(xiàng)目塔式機(jī)組初始全廠熱平衡圖

        與熔鹽耗量優(yōu)化相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        表1初始方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        根據(jù)式(1)及表1可得到本項(xiàng)目需要配備的有效儲熱熔鹽量m1為:

        分析初始的設(shè)計(jì)參數(shù),可以看出熱熔鹽的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度T1接近熔鹽的最高允許運(yùn)行溫度,繼續(xù)提高熱熔鹽罐的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度已經(jīng)十分困難;SGS過熱器及再熱器出口熱端端差較大,可以進(jìn)行優(yōu)化;給水溫度通過優(yōu)化汽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),存在降低的可能。因此,在后續(xù)的優(yōu)化中,將重點(diǎn)針對SGS系統(tǒng)及汽水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

        4.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

        從表1可以看出,過熱器及再熱器的熱端端差均較高,分別達(dá)到了12.5℃和12.8℃。而對SGS系統(tǒng)通常采用的管殼式換熱器而言,其經(jīng)濟(jì)性的熱端端差通常為5~10℃,因此,可以通過提高過熱、再熱蒸汽的設(shè)計(jì)溫度來減小熱端端差。在初步的優(yōu)化中,選取過熱器的目標(biāo)熱端端差為7℃,因此,調(diào)整過熱器及再熱器出口的目標(biāo)設(shè)計(jì)溫度為558℃。

        初始熱平衡中蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫度端差為5℃,在設(shè)計(jì)中,可以通過降低蒸發(fā)器出口熔鹽設(shè)計(jì)溫度達(dá)到減小夾點(diǎn)端差的目的。由于管殼式熔鹽發(fā)生器,而其經(jīng)濟(jì)性的夾點(diǎn)端差為2~5℃,在優(yōu)化中,選取蒸發(fā)器的夾點(diǎn)端差為3℃。

        4.3 汽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

        本項(xiàng)目的汽水系統(tǒng)初始的熱力系統(tǒng)圖及設(shè)計(jì)邊界條件如表2所示,汽水循環(huán)熱效率為46.39%。

        表2汽水系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)邊界條件

        汽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,在降低給水設(shè)計(jì)溫度時(shí),為了維持系統(tǒng)的熱效率,需要在設(shè)計(jì)優(yōu)化中改善其余的邊界條件。

        通過4.2節(jié)的優(yōu)化,使過熱、再熱蒸汽參數(shù)得以提高,汽輪機(jī)入口蒸汽溫度提高到557℃,蒸汽參數(shù)的提高,為降低給水溫度、保證汽水系統(tǒng)的效率值保留了調(diào)整的空間。影響汽水系統(tǒng)效率的一個(gè)重要邊界條件為汽輪機(jī)的排汽背壓。在冷端優(yōu)化中,將汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)排汽背壓由10.5kPa調(diào)整為10kPa。排汽背壓的改善,將給降低給水溫度進(jìn)一步保留了調(diào)整的空間。對于其余的邊界條件,初始設(shè)計(jì)中的設(shè)定值可優(yōu)化的余量已經(jīng)不大,因此,本次優(yōu)化中,不再進(jìn)一步的調(diào)整。

        經(jīng)過優(yōu)化,重新生成汽水系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)圖。在給水溫度降低為230℃時(shí),汽水系統(tǒng)的效率值為46.54%,優(yōu)于初始值。優(yōu)化后汽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界條件如表3所示。

        表3優(yōu)化后汽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界條件

        4.4 優(yōu)化后的結(jié)果分析

        通過設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整,重新進(jìn)行全廠熱力系統(tǒng)圖的計(jì)算,得到優(yōu)化后的全廠熱平衡圖如圖3所示。優(yōu)化后的與熔鹽量相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

        圖3 Dewa項(xiàng)目塔式機(jī)組優(yōu)化后的全廠熱平衡圖

        表4優(yōu)化后方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        根據(jù)式(1)及表4及可得優(yōu)化后儲熱系統(tǒng)所需的熔鹽量m1*為:

        通過對熱力系統(tǒng)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)優(yōu)化,儲熱系統(tǒng)熔鹽量可由32 724t減少到31 396t,減少熔鹽消耗1 328t,按照現(xiàn)階段二元熔鹽價(jià)格約5 000元/t計(jì)算,減少熔鹽投資664萬元,占初始熔鹽投資的4.06%。與此同時(shí),全廠的熱效率也可得到改善。

        5 結(jié)語

        光熱電站熔鹽量的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要在保證機(jī)組熱效率的前提下,合理地調(diào)整各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界條件。各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,要結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),選取經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)參數(shù),最終達(dá)到增大熔鹽的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫差的目的,從而降低熔的鹽耗量,降低項(xiàng)目的投資成本。

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