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全球首个光热发电最佳实践报告发布,聚焦熔盐罐泄露、瞬态风险等技术痛点
发布者:admin | 来源:​CSPPLAZA光热发电网 | 1评论 | 2210查看 | 2020-06-30 13:39:50    

CSPPLAZA光热发电网报道:为了加速部署太阳能热发电系统,美国国家可再生能源实验室(NREL)于6月12日发布了全球首份光热发电最佳实践报告【共269页,下载办法见文末】。


NREL的研究人员分析了全球80%的光热电站的数据和相关反馈,包括槽式光热电站和目前仍在不断发展的塔式光热电站和存储技术,并在报告中列出了光热发电行业在项目管理、工厂设计和运营方面的一些重要经验教训。


而在美国新月沙丘电站和西班牙GemaSolar电站都曾出现的熔盐罐泄露问题以及瞬态工况变化所带来的风险等成为报告重点记录和有望得到解决的关键技术问题。


熔盐罐泄露带来巨大损失


虽然光热发电成本近年来实现了大幅下降,但基于技术高密集属性,行业发展的同时也暴露出了一些技术问题,而看似并不起眼的熔盐罐成为了主角之一。


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图:光热电站平准化成本与竞拍电价变化趋势(资料来源:国际可再生能源署2020年6月发布的《2019年可再生能源发电成本》报告)


据报告,由SolarReserve开发、位于内华达州的110兆瓦新月沙丘(Crescent Dunes)塔式电站的故障再次凸显了高温输送流体对系统结构的影响。


秒速飞艇平台新月沙丘电站于2015年10月上线,但始终未能达到绩效目标,并最终导致工厂关闭,而2016年因熔盐储存系统泄漏关闭了8个月的重大事故无疑是导致目前结果的重要原因之一。


在法庭文件中,SolarReserve指责熔盐储罐的设计方西班牙ACS Cobra公司要对泄露事故负责,但ACS Cobra在上个月接受媒体采访时对该事件拒绝评价。


而位于西班牙塞维利亚的全球首座可实现24小时发电的太阳能电站Gemasolar光热电站2017年也因熔盐罐事故而导致停运,最终付出了高昂的修复费用并损失了一大笔电费收入。


瞬态风险问题开始备受投资者关注


秒速飞艇平台因为全球首个百兆瓦级熔盐塔式光热电站——美国新月沙丘项目表现不佳,使相关投资者备受打击,也使很多光热电站潜在投资方开始极其关注可配置低成本储热系统的高温塔式光热电站的效率和可靠性。


同时,熔盐罐事故也使行业开始更加重视熔盐罐的设计,并逐渐将研究触角延伸至瞬态工况变化和工作温度变化对整个系统带来的运行风险以及对熔盐罐等装备所带来的损坏。


NREL报告显示,塔式光热发电系统较高的工作温度提升了储存效率,但也为电站操作带来了风险,尤其是由间歇性日照或快速启停要求导致的“瞬态”工况变化是运营商面临的关键风险。


”瞬态工况变化+高运行温度“极易引起系统工作温度波动,而大温差的波动则会影响组件性能甚至使相关装备出现故障,并最终导致系统效率降低。


相关专家表示,在光热电站的设计和运行阶段,运营商必须更加关注瞬态风险,以避免组件损坏和输出损失。


摩洛哥Noor3塔式电站的经验分享


最近,光热业界的注意力又转向了ACWA Power在摩洛哥开发的Noor3塔式电站,该项目也是第二座利用熔盐储存设施建造的大型商业化塔式光热项目。该电站由西班牙SENER公司和中国电建集团山东电力建设第三工程有限公司联合开发,于2018年夏季正式并网。


据ACWA Power在2019年发布的报告显示,在投入运营的前六个月,Noor3曾因一些意外问题而下线,但整体表现出令人鼓舞的性能水平,发电量超过200GWh。


而据来自SENER的技术专家Sergio Relloso Lassa介绍,Noor3热盐罐结构具有“最先进的”基础设计,并从SENER早期开发的GemaSolar塔式光热电站吸取了经验教训。


Relloso指出,熔盐储罐设计时必须深入了解熔盐的性状、运行时的变化过程以及当地的地面特征,并特别注意底板的焊接。而成功的关键是设计要实现在565℃工况下装满熔盐的储罐能够被完美承载,同时又不会向基础传递过大的应力,此外还要在在施工、调试和运行过程中遵循正确的程序。


未来熔盐储罐设计优化的具体思路有哪些?


秒速飞艇平台许多专家在接受海外媒体采访时纷纷表示,对系统瞬态风险了解的不断加深正在推动熔盐罐结构的改进,未来新建光热电站在设计时有望进一步修改和优化以提升系统效率及稳定性。


NREL最佳实践报告的编写人员之一、来自Solar Dynamics的高级工程师Bruce Kelly表示,正确的设计和控制可以缓解瞬态条件的影响,但是热储槽和冷储槽以及换热器的设计需要得到进一步改进。


谈到如何优化,Bruce Kelly表示,一些工程公司正在提议为储罐安装新的内部管道系统。


此外,他又补充提到了如下思路:


1)罐底和地基之间的固体润滑剂也可以改进,以控制由于不完全混合造成的地板中的局部应力。


2)换热器应该通过全焊接施工技术来建造,比如集管/盘管或内孔焊接,以避免管道和管板之间的连接出现问题。据Bruce Kelly介绍,迄今为止,只有“有限数量”的商业项目使用了全焊接蒸汽发生器结构。


3)采用多个阀门的分流范围流量控制也有助于减少部件疲劳。在抛物线槽式电站中,多阀方法可对更广泛的流量要求进行更好的控制。Bruce Kelly指出,采用分程阀的精确流量控制可保护昂贵的设备,如热交换器,并在电站启停过程中免受较大的瞬态影响,而疲劳换热器寿命的提高将可以抵消新增阀门所带来的边际成本。


应对瞬态风险的思路和经验


从全系统层面如何应对间歇性云层、系统启停等原因引起的瞬态风险?相关专家也根据项目实践经验提出了一系列具体措施和设计优化思路。


1)设置合理的设计工作温度


间歇性云层要求塔式光热电站操作员不断调整接收器流量,以适应从定日镜传输的太阳能水平的变化。


秒速飞艇平台为实现最佳效率,接收器的设计工作温度为565℃。为防止接收器因太阳辐射突然增加而过热,传热流体的出口温度通常降低至520℃至540℃左右,但较低的温度也会降低功率块的效率。


据悉,已经投运的中国中控德令哈50MW塔式光热电站便采用了防云层冲击系统以提高电站效率,从该电站的具体表现来看效果极佳。


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图:中控德令哈电站性能考核期前6个月发电量数据与达成率(来源:中控太阳能)


Bruce Kelly表示:“理想情况下,光热电站的设计温度并不是理论上的565℃,而是更低一点的温度(比如540摄氏度),这反映了热熔盐罐中的长期年平均温度。”


2)开发性能模拟工具


此外,间歇式日照也会影响工厂的正常启动效率。


在早上启动时,接收器的预热、填充和排气可能需要45分钟。Bruce Kelly表示,如果太阳辐射在日出后不久发生变化,启动过程就会延长,并最终减少系统当天的工作时间。


Relloso表示,SENER通过利用Gemasolar电站的经验,在Noor3项目实现了更快的性能提升过程。


秒速飞艇平台据悉,春夏期间,Noor3塔式电站必须在午夜停止运行,并在早晨重新启动。他说:“这意味着每年的这段时间电站要每天增加一次启动,这在工厂设计和运行中都必须考虑。”


为此,SENER开发了一个性能模拟工具,该工具考虑了所有类型的瞬态条件,包括云层覆盖、接收器启停、涡轮机启停以及电网指令等。Relloso表示,该系统使用传感器来进行分析,并实现更高水平的效率。


3)全面操作培训


此外,SENER选择将部分Gemasolar电站的运维人员调到Noor3项目,以确保已有的成熟经验能够带来帮助。


Bruce Kelly认为,全面的操作员培训是减少损失的关键。他说:“关于热瞬变对设备造成的风险的培训,再加上分布式控制系统逻辑的许可,将直接转化为熔盐储罐和蒸汽发生器低疲劳寿命的良性结果。”


4)结合实际经验进行性能建模


随着塔式光热系统装机容量的不断增加,性能建模必须结合瞬态条件的最新经验,以避免对输出的高估。


Bruce Kelly表示,“一般来说,性能模型往往会高估光热电站的发电能力,以及操作员捕捉落在定日镜场上的每一焦耳能量的能力。”他补充道,要以最低限度的财务预测为出发点。


Bruce Kelly指出,先进的计算流体力学模型和有限元分析应能更好地理解部件疲劳。他说:“一旦了解了瞬态效应的严重程度,就可以实施改进的设备设计(如储罐分配管道)和改进的工艺控制(如分流段流量控制),以适当地保护设备免受高应力条件的影响。”


秒速飞艇平台对于未来,Bruce Kelly非常乐观,他表示,通过结合实战得来的经验教训有针对性地改进塔式光热发电系统的设计将有助于延长使用寿命。未来几年,在Noor3等项目更广泛地实施最佳实践和成功运营经验之后,将有助于提高投资者对塔式光热发电技术的信心。


Relloso也表示,SENER也有信心在光热电站设计时将瞬态工况带来的风险降至最低,并已经开始了在降低太阳能发电场成本、提高电厂数字化程度以及在集成光伏、电池储存或制氢的混合发电项目如何优化节省效率等方向的研究。


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