全明福 王曉兵
摘 要:通過對國內(nèi)塔式光熱運營電站調(diào)溫泵、疏鹽泵設(shè)計工藝應(yīng)用的對比,從塔式光熱電站工藝、成本方面及后期維護成本進行分析,提出在光熱電站中疏鹽泵可以代替調(diào)溫泵。
關(guān)鍵詞:塔式太陽能發(fā)電技術(shù);調(diào)溫泵;疏鹽泵;新能源
【中圖分類號】TM615 【文獻標(biāo)志碼】A
太陽能熱發(fā)電技術(shù)是大規(guī)模開發(fā)利用太陽能的一個重要技術(shù)途徑,目前國內(nèi)光熱電站50MW以上并投產(chǎn)運營的有7家,其中塔式運營的是5家。其中只有一家企業(yè)未采用調(diào)溫泵,其功能由疏鹽泵來代替。調(diào)溫泵是儲熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一,其作用主要是在冷態(tài)啟動時逐漸提升進入蒸汽發(fā)生器的熔鹽溫度;在汽輪機停運時期,輸送小流量的低溫熔鹽(約290℃)至蒸汽發(fā)生器,防止系統(tǒng)中局部熔鹽溫度繼續(xù)降低,并產(chǎn)生輔助蒸汽。
1塔式光熱發(fā)電技術(shù)概述
塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由以下三部分組成:由若干個定日鏡和位于塔頂?shù)奈鼰崞鳂?gòu)成的聚光集熱系統(tǒng);熔鹽罐(冷/熱)、冷鹽泵、熱鹽泵、調(diào)溫泵和蒸汽發(fā)生器組成的儲換熱系統(tǒng);汽輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備組成的發(fā)電系統(tǒng),與火力發(fā)電廠的汽輪機發(fā)電原理一樣,通過飽和蒸汽推動汽輪機作為原動力,帶動汽輪機發(fā)電。
定日鏡場實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤,將太陽光反射到吸熱器表面。冷鹽罐中的傳熱流體通過冷鹽泵輸送至位于高塔上的吸熱器,吸收由定日鏡反射來的熱量,升溫至約565℃。高溫熔鹽通過管道輸送至熱鹽罐,再通過熱鹽泵輸送至蒸汽發(fā)生器加熱給水,產(chǎn)生約540℃的超高壓過熱蒸汽,推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)配置再熱器,匹配汽輪機以提高機組循環(huán)效率;由于光熱機組大多布置缺水的西北地區(qū),因此配置空冷式凝結(jié)器和機力式輔機冷卻塔,還可節(jié)約大量水資源。
2 塔式光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢
光熱發(fā)電技術(shù)是大規(guī)模開發(fā)利用太陽能的一種重要技術(shù)途徑,光熱發(fā)電技術(shù)通過白天蓄熱發(fā)電,在光伏、風(fēng)力發(fā)電低谷期,以儲熱發(fā)電作為重要補充,來調(diào)節(jié)電力輸出平衡,有效改善風(fēng)電和光伏不穩(wěn)定,彌補系統(tǒng)運行不靈活性,提升整體電網(wǎng)穩(wěn)定性,將對我國光熱技術(shù)推廣應(yīng)用起到積極作用。雖然我國塔式光熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用,但在技術(shù)的改良與推廣上也有很多問題。因此,研究塔式光熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用,推進節(jié)能減排和實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
對于目前塔式光熱電站而言,優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)集成,改善傳熱介質(zhì),采用大規(guī)模儲熱,提高系統(tǒng)規(guī)模等,是提高發(fā)電系統(tǒng)效率、節(jié)約成本的途徑之一,也是未來的發(fā)展方向。
在隨著儲熱技術(shù)的成熟、成本下降等原因,光熱可與天然氣、風(fēng)電、生物質(zhì)等多種能源聯(lián)合發(fā)電,也將成為一種廣泛應(yīng)用的發(fā)電方式。
3儲熱系統(tǒng)及技術(shù)分析
3.1 儲熱系統(tǒng)作用
光熱電站的儲熱系統(tǒng)是為了應(yīng)對太陽能資源的不穩(wěn)定、不連續(xù)以及受環(huán)境影響大的缺陷而設(shè)計的,儲熱系統(tǒng)由冷鹽儲存系統(tǒng)和熱鹽儲存系統(tǒng)組成,配備儲熱系統(tǒng)的塔式光熱發(fā)電更加穩(wěn)定,可應(yīng)對電網(wǎng)的日常供電。儲熱系統(tǒng)實現(xiàn)聚光集熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的解耦運行,并能在暫態(tài)天氣變化時,緩沖DNI變化對汽輪機進汽流量計參數(shù)的影響;提高電網(wǎng)調(diào)度需求的適應(yīng)能力或錯峰運行能力。
儲熱系統(tǒng)用于存儲熔鹽,主要設(shè)備包括:冷鹽罐、熱鹽罐、冷鹽泵、熱鹽泵、調(diào)溫泵等。其中冷鹽泵、調(diào)溫泵位于冷鹽罐中,將低溫熔鹽打入吸熱器,吸收太陽能溫度升高后,返回?zé)猁}罐。熱鹽泵位于熱罐中,將高溫熔鹽泵入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與水/蒸汽換熱產(chǎn)生過熱蒸汽。
3.2儲熱介質(zhì)需求計算
塔式光熱電站發(fā)電的儲熱容量通常以儲熱時間為多少小時來描述。如果設(shè)計的儲熱運行時間為t小時,機組的額定熱耗為Q0(kJ/h),則系統(tǒng)運行t小時需要的總熱量為Qth,tes=Q0t(kJ)。如果將液相比熱和溫度的關(guān)系在熔鹽工作溫度范圍內(nèi)近似看作線性,那么單位質(zhì)量熔鹽溫升ΔT吸收的熱量為q=CpΔT。
若儲存Qth,tes的熱量,需要的熔鹽有效質(zhì)量為:
式中:
M—所需熔鹽介質(zhì)質(zhì)量,單位:kg
mnet—儲熱用熔鹽凈質(zhì)量,單位:kg
Q0—機組的額定熱耗率,單位:kJ/h
t—儲熱設(shè)計時間,單位:h
CP—ΔT溫度范圍內(nèi)的平均定壓比熱容,單位:J/(kg·K)
ΔT—熔鹽的工作溫度范圍,即熱鹽設(shè)計溫度和冷鹽設(shè)計溫度差值,單位:℃
Qth,tes—系統(tǒng)運行t小時需要的總熱量,單位:kJ
K—考慮管道容積儲罐底部死區(qū)等的裕量系數(shù)。(在項目前期估算時K可取1.03左右,實際工程中,最終采購的熔鹽量基于統(tǒng)計的各個設(shè)備及管道的容積計算,K值可取1)
3.3儲熱系統(tǒng)調(diào)溫泵
在塔式光熱電站中的熔鹽泵分為冷鹽泵、熱鹽泵及調(diào)溫泵。熔鹽泵一般為立式液下泵,布置在儲罐上部的泵支撐平臺上。其配置的基本原則為保證電站安全、經(jīng)濟運行。
調(diào)溫泵選型時需考慮啟動階段逐漸提升進入蒸汽發(fā)生器的熔鹽溫度,且在汽輪機停運階段,輸送小流量的低溫熔鹽(約290℃)至蒸汽發(fā)生器,以防止系統(tǒng)中局部熔鹽溫度繼續(xù)降低,且產(chǎn)生廠用輔汽。若系統(tǒng)中其他泵或設(shè)備可實現(xiàn)此功能,也可不單獨設(shè)置調(diào)溫泵。
4疏鹽泵替代調(diào)溫泵的成本優(yōu)勢
在光熱發(fā)電企業(yè)中,按目前運營電站設(shè)計都設(shè)有調(diào)溫泵,由于儲熱能力及儲熱時間,調(diào)溫泵是長軸立式液下泵。
4.1從成本分析
根據(jù)運營光熱企業(yè)調(diào)溫泵選型來看,目前調(diào)溫泵大多采用的是福斯的長軸泵,2臺泵價格約36萬,其備品備件的準(zhǔn)備周期約6個月;而疏鹽泵均采用的是江蘇飛躍國產(chǎn)泵,2臺泵價格約45萬,其備品備件的準(zhǔn)備周期不需要6個月。若用疏鹽泵代替調(diào)溫泵可直接減少一筆調(diào)溫泵設(shè)備費用。
4.2從工藝系統(tǒng)分析
若采用調(diào)溫泵,還需設(shè)計緊急疏鹽罐及其附屬管道,其蒸汽發(fā)生系統(tǒng)發(fā)生泄漏時,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計排入緊急疏鹽罐,而緊急疏鹽罐只有進口,沒有出口,故還需用人工將緊急疏鹽罐的鹽清理至熱鹽罐中;若用疏鹽泵代替調(diào)溫泵,疏鹽泵其本身設(shè)計在疏鹽罐中,此疏鹽罐相當(dāng)于正常和緊急疏鹽罐的綜合體,疏鹽泵既可以進行正常疏鹽,也可進行緊急事故下的疏鹽,在系統(tǒng)設(shè)計中疏鹽罐的鹽還可輸送至熱鹽罐中,還能實現(xiàn)調(diào)溫泵的功能。
4.3從后期運行維護分析
按目前的所設(shè)計的工藝系統(tǒng)來看,調(diào)溫泵基本布置在冷鹽泵平臺上,若需調(diào)溫泵有卡澀等原因需要進行拆解查找原因時,需要用160噸的汽車吊、、50噸汽車吊、20噸板車進行配合;相比疏鹽泵的拆解,維護簡單、成本低且方便。
5結(jié)論
塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是一種新型太陽能利用技術(shù),目前相對成本較高,根據(jù)國內(nèi)運營塔式光熱企業(yè)的工藝及運行情況對比,疏鹽泵完全可以代替調(diào)溫泵。根據(jù)成本、工藝系統(tǒng)及后期維護進行分析,用疏鹽泵代替調(diào)溫泵是可行且成本較低的工藝。只有在不斷摸索工藝、優(yōu)化塔式發(fā)電技術(shù),才能不斷降低光熱成本。
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