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      DSG如何實現大規模儲熱?兆陽光熱混凝土儲熱系統給出答案
      時間:2018-02-08 19:02:13

      ——兆陽光熱創新性光熱技術體系系列深度報道之五


      CSPPLAZA光熱發電網報道:在華強兆陽張家口一號15MW光熱電站,一座白色的“實心”建筑矗立著。即便你是光熱行業業內人士,如果不經介紹,你也無法猜到:這正是這座光熱電站的儲熱島。


      不同于你常見的熔鹽儲熱,這座儲熱島采用的儲熱材料為非常常見且廉價的固態混凝土,其完美匹配了北京兆陽光熱技術有限公司(以下簡稱兆陽光熱)的DSG光熱技術體系,彌補了DSG技術難以配置長時間大規模儲熱系統的固有缺陷。


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      圖:華強兆陽張家口一號15MW光熱電站混凝土儲熱系統


      DSG傳熱體系為何要配套混凝土儲熱技術?


      目前,光熱發電行業主流的儲熱介質為熔鹽,熔鹽儲熱技術為何不適合DSG傳熱技術體系?兆陽光熱混凝土儲熱系統是如何實現與DSG傳熱技術相匹配的?下面參考簡化的溫度-焓增示意圖,從技術原理角度進行簡單論述。


      ▍導熱油傳熱熔鹽儲熱組合


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      圖1:導熱油傳熱熔鹽儲熱的溫度-焓增示意圖


      圖1展示的是目前常見的導熱油或熔鹽作為傳熱工質(以下以導熱油為例),熔鹽作為儲熱工質的技術路線,這是目前光熱發電行業的主要傳熱儲熱模式。儲熱環節,低溫導熱油進入鏡場聚光集熱系統后溫度升高,與低溫罐的熔鹽在導熱油/熔鹽換熱器中進行換熱,被冷卻的導熱油回流至聚光鏡場再次受熱,而被加熱的熔鹽儲存至高溫熔鹽罐,實現熱量的交換和存儲;取熱環節,汽輪機高加輸出的水介質進入熔鹽/水工質的蒸汽發生器中,①-②階段從過冷水升溫至飽和水,②-③階段從飽和水同溫度相變至飽和蒸汽,③-④階段從飽和蒸汽升溫至過熱蒸汽,輸出至汽輪發電機組發電。


      這種使用熔鹽溫差顯熱進行熱量儲存的儲熱方式,原理簡單易懂,大量業績實踐已證明該技術的可行性,本文不再細述。為了降低熔鹽儲熱體系的投資成本,槽式、菲涅耳式和塔式技術路線都趨向盡量提高儲熱工質的使用溫差,達到降低材料用量減少成本的目的,但熔鹽在高溫情況下使用時對管路、容器及泵閥等器件的材料性能、設計制造要求嚴格,配套設備價格較高,存在泄漏風險,泄漏后維修時間長,影響電站的穩定運行。


      ▍水/蒸汽傳熱熔鹽儲熱組合


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      圖2:水/蒸汽傳熱熔鹽儲熱的溫度-焓增示意圖


      如圖2所示,當采用水/蒸汽工質進行傳熱、熔鹽儲熱時,聚光鏡場產生的過熱蒸汽與熔鹽進行熱量交換,熔鹽從低溫狀態接收蒸汽降溫冷凝釋放的熱量變成高溫熔鹽。儲熱過程中,以過熱蒸汽參數13MPa、450℃為例,其相變溫度t2為333℃,圖中可見在t2溫度有一段平臺,蒸汽在此相變點溫度及以下可釋放的熱量占總可釋放利用熱量的比值大約為75-80%;取熱過程中,以汽輪機滿功率參數為10MPa、383℃運行為例,250℃水工質經過①-②的預熱階段—②-③蒸發相變階段—③-④的過熱階段獲得熱量變成合格的過熱蒸汽;汽輪機所需蒸汽參數相變點t1為303℃,蒸汽在t1相變點溫度及以下需要吸收的熱量占總所需熱量的比值也大約為75-80%;而熔鹽工質在換熱過程中位于兩個平臺中間,為了說明方便,不計兩次換熱的溫度端差,其理論最大可利用顯熱溫差為30℃。簡單來說,熔鹽工質對鏡場過熱蒸汽儲熱和對汽輪機滿功率發電取熱的過程中,需要存儲傳遞的總熱量中大約70%的部分只能利用這30℃左右熔鹽溫差來實現,此溫差遠低于采用導熱油顯熱傳熱熔鹽儲熱方式時能夠利用的近百度溫差,更低于熔鹽傳熱熔鹽儲熱時可以利用的兩百多度溫差,因此使用水/蒸汽傳熱方式在儲存相同熱量時所需的熔鹽數量會增加數倍(只考慮利用顯熱的情況),系統成本完全無法接受。即使為了獲得更高的可利用溫度差,降低汽輪機工作壓力以降低取熱相變溫度點t1,但考慮到熔鹽通常不能低于290℃的最低安全運行溫度,最大理論可以利用溫差也不超過40℃;即使將來換成多元熔鹽,具有更低的可允許運行溫度,以及進一步調整汽輪機可允許運行參數降低壓力,提高熔鹽的可利用溫度范圍幅度也很有限,且會導致整體發電效率較差。總之,在熔鹽材料成本較高的現實情況下,由于其運行可利用溫差偏低,導致水/蒸汽工質傳熱、熔鹽儲熱體系的整體造價巨大,經濟上不具備可行性。


      需要說明的是,上述內容只是對水工質傳熱熔鹽儲熱過程的極度簡化說明,忽略了很多過程細節,但總體性質和結論與詳細定量分析的結果基本相同:


      ◆水/蒸汽傳熱體系能夠實現大規模儲熱;


      ◆儲熱系統可以利用的儲熱材料溫差主要取決于存熱、取熱兩過程的飽和點溫差,此溫差難以大幅增加;


      ◆利用熔鹽溫差顯熱的儲熱方案在經濟上基本行不通。


      根據這幾項判斷可知,利用相變儲熱材料、選擇低成本顯熱儲熱材料以及這兩種材料組合使用成為具備可行性的方向,國際上對此也有相應的研究。兆陽光熱分析各方面因素,以可靠性和經濟性標準進行綜合判斷,選擇以配方混凝土為低成本顯熱儲熱材料的技術路線,通過多年研究開發,形成了具有完全自主知識產權的兆陽光熱水/蒸汽傳熱、混凝土固態儲熱技術體系。


      ▍水/蒸汽傳熱、混凝土固態儲熱組合


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      圖3:水/蒸汽傳熱混凝土固態儲熱的溫度-焓增示意圖


      圖3為使用水/蒸汽工質傳熱、混凝土固態儲熱的簡單示意。儲熱過程中,聚光鏡場產生的過熱蒸汽對混凝土的高溫部分進行儲熱、水工質的相變部分對混凝土的中溫部分進行儲熱、水工質的冷凝水部分對混凝土的低溫部分進行儲熱;取熱過程中,經過汽輪機高加之后的過冷水從混凝土的低溫部分進行取熱,取熱進一步變為蒸汽所需相變熱量從混凝土的中溫部分獲取,而過熱蒸汽所需過熱熱量從混凝土的高溫部分獲得,各部分熱量都是由混凝土的溫差顯熱提供,水/蒸汽傳遞熱量的儲存和汽輪機所需熱量的提取過程可以近乎完美地匹配。


      該混凝土固態儲熱系統的換熱過程運行曲線也同樣位于兩個蒸汽相變的平臺中間,實際案例中可利用的溫度差在40℃左右,因單位質量的耐高溫混凝土材料成本大約僅為熔鹽材料成本的1/12左右,而兩者比熱容參數差距不是特別大,這就使得這種小溫差、大容量的顯熱儲熱方式具有了經濟可行性。


      如圖3所示的儲熱系統(或系統的部分單元)熱量儲滿后,取熱前期可以執行汽輪機的100%負荷運行,隨著所存熱量逐漸減少,溫度品位逐漸有所降低,汽輪機還可以滑壓方式運行,例如從100%出力逐漸至80%出力曲線,工作壓力也隨之下降到額定工作壓力的80%左右,蒸汽飽和溫度點也隨之降低,取熱溫差增大,混凝土儲存的大量熱量得以繼續釋放;特別的,當遇到長期的陰雨雪天氣,因混凝土儲熱體質量巨大且沒有溫度過冷凝固限制,當溫差加大時能夠取出巨大熱量,因此可以使汽輪機在低負荷狀態運行較長時間,例如極端情況下,能夠保持汽輪機20%甚至更低負荷超長時間連續運行,使得光熱發電的穩定性和安全性的特點更加鮮明和突出。混凝土固態儲熱系統的指標特點與常見電網調度需求特點一致,能夠在聚光集熱結束后儲熱量最大時提供一段時間的最大功率取熱輸出,對應支持晚高峰滿負荷發電,接下來的低谷用電時段,汽輪機可以降低一定輸出功率,以加大取熱溫差盡量多提取儲存的熱量,實現儲熱系統高效利用。


      需要說明的是,上述只是水/蒸汽工質傳熱混凝土固態儲熱運行的原理性描述,實際運行管控邏輯設計中需要對各類工況及電網調度需求特點進行綜合考慮,對儲熱系統進行針對性設計,以確保實現各項設計目標。


      混凝土固態儲熱系統的基本優點有哪些?


      混凝土固態儲熱系統從建設成本上看,儲熱工質主體為混凝土,原材料為水泥、砂石和其他少量添加材料,不需要昂貴且不可靠的密閉罐體,一體化的換熱通道為普通水蒸氣管道,整體成本穩定可控,較熔鹽系統有很大比例的成本優勢。


      從運行安全上看,混凝土儲熱系統不會出現凍堵或超溫、超壓現象;整個系統不會出現過燒現象,基本上就像是一個永遠不會過溫、沒有煙氣侵蝕的鍋爐,簡單安全;并且實際投入運行后混凝土儲熱體每天工作運行溫度波動范圍可以控制在40℃以內,溫度變化速率極低,對結構強度影響較小。


      從運行穩定性上看,混凝土儲熱材料沒有冷凝凍結風險,對多云陰雨雪天氣極不敏感;混凝土體積質量巨大,其顯熱比熱容量巨大,溫度難以突變,能夠對與之相連接的DSG傳熱體系起到顯著的穩定和調節作用,提供汽輪機運行所需的高穩定參數蒸汽;由于儲熱系統自身的基礎溫度高,即使連續陰雨雪天氣,汽輪機仍可保持至少連續超過7日不間斷運行,有非常大的安全穩定性優勢。


      兆陽光熱混凝土固態儲熱系統的性能指標


      兆陽光熱混凝土儲熱體系經歷多年研發,主要解決了經濟性環保配方、高低溫循環強度、高導熱系數及高比熱容等系列關鍵問題,同時進行配套的增強換熱結構研發,通過大量的實際產品測試檢驗,在技術的經濟性和可靠性得到初步驗證后,先后建設了5m3的電儲熱試驗平臺進行儲熱試驗以及20m3試驗平臺與菲涅耳聚光鏡場聯合運行測試,在充分分析測試數據并改進完善后,確定了各技術參數,完成了720MWh(th)的光熱電站儲熱系統設計與建設工作。


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      圖4:混凝土樣塊


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      兆陽光熱對研發的配方混凝土進行了抗壓、強度、導熱、比熱、膨脹系數等一系列的第三方綜合性能測試,各項指標均達到或優于國外資料公布的數據。


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      圖a:抗壓強度隨循環次數的變化曲線


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      圖b:兆陽光熱與DLR混凝土樣塊測試結果對比


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      圖:配方混凝土第三方認證


      根據混凝土試塊經過600-300℃高低溫循環60次的抗壓強度曲線可以看出,初始抗壓強度達到了近60MPa,經過5次循環后強度大幅下降,達到35MPa左右,后期雖然經過60次循環加熱,試塊強度趨于穩定,基本不再下降。


      兆陽光熱混凝土固態儲熱系統的實際應用


      在多年的混凝土固態儲熱系統研發以及性能測試驗證成功的基礎上,兆陽光熱設計建造了華強兆陽張家口一號15MW光熱電站的混凝土固態儲熱系統,設計儲熱時間為14h,最高工作壓力為16MPa,長期運行條件下最高可耐550℃高溫。


      該儲熱系統采用兆陽光熱專有的配方混凝土,采用的主體材料均為建筑常規使用材料,無高成本的骨料。另外該儲熱系統中還采用了匹配增強換熱設計以大幅度改善換熱性能,提高儲熱系統的大功率儲放熱能力。由于該儲熱系統采用了常規的建筑使用的混凝土材料(如水泥、粉煤灰等)以及火電行業通用管材,大量消耗了社會的過剩產能,推動了當地的經濟發展,提高了當地居民收入,起到了很好的扶貧效果。


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      該混凝土固態儲熱系統分為若干單元,在儲熱過程中,能夠儲存聚光鏡場產生的熱量,同時有效穩定聚光鏡場DSG系統的運行參數;在取熱過程中,穩定輸出過熱蒸汽推動汽輪機發電,保證電能穩定輸出。


      實際測試表明各項性能滿足設計要求


      固態儲熱系統的儲熱容量由儲熱材料的比熱容、使用溫差和總質量決定,在儲熱材料性能測試結果基本準確的情況下,根據所需儲熱容量及有效使用溫差基本可以確定儲熱材料的體積(或質量)。同時,為了滿足存入和取出熱量時的功率要求,儲熱系統配備的換熱能力必須達到相應存取功率水平。


      根據圖3可知,混凝土固態儲熱系統的實際儲熱容量是與存熱取熱工作點相變溫差減去存熱換熱溫差和取熱換熱溫差后的剩余有效使用溫差是成比例的,因此如何經濟可靠地增強換熱能力、降低換熱溫差、增大儲熱容量就成為改善固態儲熱系統性能的重要因素,是該領域工程研究的關鍵環節。


      增強儲熱系統換熱能力的一般方法是在儲熱系統內部添加增強換熱裝置,目前國際上已開發的增強換熱裝置,結構相對復雜,材料使用量偏大,性價比不高。兆陽光熱經過多年研究,創造性地開發出一套經濟實用、高效可靠的混凝土固態儲熱系統匹配增強換熱方案,經過對數十種具體設計方案的分析比選,充分考慮了最佳熱擴散形狀、原材料用量、高效加工組裝及澆筑施工方便性等各方面因素后,選擇出一種綜合最佳方案,并開發出專用的大規模加工制造及檢驗專用裝備,實現了經濟高效自動化生產。該方案很好地兼顧了成本與性能兩個方面,在保持足夠經濟性的前提下,實現了換熱功率滿足系統運行需要的目標要求;同時,能夠對換熱金屬管路與混凝土材料之間的溫差膨脹差異起到有效緩沖匹配,確保系統運行可靠性;兆陽光熱增強換熱技術成果的成本性能綜合指標遠優于目前披露的其它國際技術方案。


      大量的實際管路級測試驗證了該匹配增強換熱設計的有效性并交叉驗證標定了各項基本系數。為進一步準確評估大規模應用情況下的實際參數,對15MW電站配套混凝土固態儲熱系統的模塊單元進行了詳細測試,測試結果曲線如下:


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      圖:不同換熱溫差/管內對流換熱系數對應的取熱功率


      實測結果表明:如左圖所示,在液態水工質換熱條件時,混凝土儲熱體平均溫度與流體工質溫度差越大,單位長度下換熱功率越大;當溫差為10℃時,單位長度換熱功率為92W/m。如右圖所示,換熱溫差為10℃情況下,不同管內對流換熱系數對應有不同的單位長度換熱功率,當管內對流換熱系數為8000W/m2/k時,單位長度換熱功率為106W/m。


      該測試結果與系統工程設計的仿真結果一致,使得該儲熱系統,在儲熱時,能夠滿足將DSG傳熱系統在各工況時段所產生的過熱蒸汽全部冷凝為水,滿足儲熱功率所需,基本無棄熱現象;取熱時,在儲熱系統基本儲滿情況下,能夠實現3h晚高峰滿負荷輸出及等效汽輪機滿功率14h的總儲熱發電量輸出。


      增強換熱技術與配方混凝土技術共同構成了兆陽光熱混凝土固態儲熱技術,目前已經從系統計算、工程設計、組件制造、澆筑施工、養護蒸干脫水、保溫防護、模塊分組、故障檢測、泄漏處置、運行方式等各個方面得到基本驗證,初步形成了一整套設計、建設和運行維護技術體系。


      通過對該大規模混凝土固態儲熱系統的設計、建設及調試過程的實際數據分析可知,兆陽光熱混凝土固態儲熱技術具有經濟可靠、安全環保的突出特點,在光熱電站規模的推廣應用條件下能夠比目前廣泛采用的熔鹽冷熱罐技術方案降低四成甚至更多的建設成本,運維管理簡單、無任何污染性材料、不存在凍堵泄漏風險、具備顯著競爭優勢。


      該混凝土固態儲熱技術還能夠進一步深度開發,在其它例如工業熱儲存利用領域、民用儲熱供暖領域、棄電消納供熱領域等多個方面展現出巨大潛力,目前已經展開部分工作,能夠在不遠的將來通過實際業績驗證。


      綜上所述,兆陽光熱具有完整自主知識產權的混凝土固態儲熱技術體系,經過多年研究、開發完善,已通過規模化建設和初步經濟技術指標驗證,能夠滿足光熱電站在各類工況下的技術要求,具有經濟可靠、環保安全的顯著優勢,能夠與兆陽光熱DSG技術體系有效結合,充分保障兆陽光熱發電技術的可靠性和經濟性優勢,為實現光熱發電平價上網目標打下了堅實基礎。

      京ICP備11020457號  技術支持: CSPPLAZA光熱發電網

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