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      全球首個光熱發電最佳實踐報告發布,聚焦熔鹽罐泄露、瞬態風險等技術痛點
      發布者:admin | 來源:?CSPPLAZA光熱發電網 | 1評論 | 4235查看 | 2020-06-30 13:39:50    

      CSPPLAZA光熱發電網報道:為了加速部署太陽能熱發電系統,美國國家可再生能源實驗室(NREL)于6月12日發布了全球首份光熱發電最佳實踐報告【共269頁,下載辦法見文末】。


      NREL的研究人員分析了全球80%的光熱電站的數據和相關反饋,包括槽式光熱電站和目前仍在不斷發展的塔式光熱電站和存儲技術,并在報告中列出了光熱發電行業在項目管理、工廠設計和運營方面的一些重要經驗教訓。


      而在美國新月沙丘電站和西班牙GemaSolar電站都曾出現的熔鹽罐泄露問題以及瞬態工況變化所帶來的風險等成為報告重點記錄和有望得到解決的關鍵技術問題。


      熔鹽罐泄露帶來巨大損失


      雖然光熱發電成本近年來實現了大幅下降,但基于技術高密集屬性,行業發展的同時也暴露出了一些技術問題,而看似并不起眼的熔鹽罐成為了主角之一。


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      圖:光熱電站平準化成本與競拍電價變化趨勢(資料來源:國際可再生能源署2020年6月發布的《2019年可再生能源發電成本》報告)


      據報告,由SolarReserve開發、位于內華達州的110兆瓦新月沙丘(Crescent Dunes)塔式電站的故障再次凸顯了高溫輸送流體對系統結構的影響。


      新月沙丘電站于2015年10月上線,但始終未能達到績效目標,并最終導致工廠關閉,而2016年因熔鹽儲存系統泄漏關閉了8個月的重大事故無疑是導致目前結果的重要原因之一。


      在法庭文件中,SolarReserve指責熔鹽儲罐的設計方西班牙ACS Cobra公司要對泄露事故負責,但ACS Cobra在上個月接受媒體采訪時對該事件拒絕評價。


      而位于西班牙塞維利亞的全球首座可實現24小時發電的太陽能電站Gemasolar光熱電站2017年也因熔鹽罐事故而導致停運,最終付出了高昂的修復費用并損失了一大筆電費收入。


      瞬態風險問題開始備受投資者關注


      因為全球首個百兆瓦級熔鹽塔式光熱電站——美國新月沙丘項目表現不佳,使相關投資者備受打擊,也使很多光熱電站潛在投資方開始極其關注可配置低成本儲熱系統的高溫塔式光熱電站的效率和可靠性。


      同時,熔鹽罐事故也使行業開始更加重視熔鹽罐的設計,并逐漸將研究觸角延伸至瞬態工況變化和工作溫度變化對整個系統帶來的運行風險以及對熔鹽罐等裝備所帶來的損壞。


      NREL報告顯示,塔式光熱發電系統較高的工作溫度提升了儲存效率,但也為電站操作帶來了風險,尤其是由間歇性日照或快速啟停要求導致的“瞬態”工況變化是運營商面臨的關鍵風險。


      ”瞬態工況變化+高運行溫度“極易引起系統工作溫度波動,而大溫差的波動則會影響組件性能甚至使相關裝備出現故障,并最終導致系統效率降低。


      相關專家表示,在光熱電站的設計和運行階段,運營商必須更加關注瞬態風險,以避免組件損壞和輸出損失。


      摩洛哥Noor3塔式電站的經驗分享


      最近,光熱業界的注意力又轉向了ACWA Power在摩洛哥開發的Noor3塔式電站,該項目也是第二座利用熔鹽儲存設施建造的大型商業化塔式光熱項目。該電站由西班牙SENER公司和中國電建集團山東電力建設第三工程有限公司聯合開發,于2018年夏季正式并網。


      據ACWA Power在2019年發布的報告顯示,在投入運營的前六個月,Noor3曾因一些意外問題而下線,但整體表現出令人鼓舞的性能水平,發電量超過200GWh。


      而據來自SENER的技術專家Sergio Relloso Lassa介紹,Noor3熱鹽罐結構具有“最先進的”基礎設計,并從SENER早期開發的GemaSolar塔式光熱電站吸取了經驗教訓。


      Relloso指出,熔鹽儲罐設計時必須深入了解熔鹽的性狀、運行時的變化過程以及當地的地面特征,并特別注意底板的焊接。而成功的關鍵是設計要實現在565℃工況下裝滿熔鹽的儲罐能夠被完美承載,同時又不會向基礎傳遞過大的應力,此外還要在在施工、調試和運行過程中遵循正確的程序。


      未來熔鹽儲罐設計優化的具體思路有哪些?


      許多專家在接受海外媒體采訪時紛紛表示,對系統瞬態風險了解的不斷加深正在推動熔鹽罐結構的改進,未來新建光熱電站在設計時有望進一步修改和優化以提升系統效率及穩定性。


      NREL最佳實踐報告的編寫人員之一、來自Solar Dynamics的高級工程師Bruce Kelly表示,正確的設計和控制可以緩解瞬態條件的影響,但是熱儲槽和冷儲槽以及換熱器的設計需要得到進一步改進。


      談到如何優化,Bruce Kelly表示,一些工程公司正在提議為儲罐安裝新的內部管道系統。


      此外,他又補充提到了如下思路:


      1)罐底和地基之間的固體潤滑劑也可以改進,以控制由于不完全混合造成的地板中的局部應力。


      2)換熱器應該通過全焊接施工技術來建造,比如集管/盤管或內孔焊接,以避免管道和管板之間的連接出現問題。據Bruce Kelly介紹,迄今為止,只有“有限數量”的商業項目使用了全焊接蒸汽發生器結構。


      3)采用多個閥門的分流范圍流量控制也有助于減少部件疲勞。在拋物線槽式電站中,多閥方法可對更廣泛的流量要求進行更好的控制。Bruce Kelly指出,采用分程閥的精確流量控制可保護昂貴的設備,如熱交換器,并在電站啟停過程中免受較大的瞬態影響,而疲勞換熱器壽命的提高將可以抵消新增閥門所帶來的邊際成本。


      應對瞬態風險的思路和經驗


      從全系統層面如何應對間歇性云層、系統啟停等原因引起的瞬態風險?相關專家也根據項目實踐經驗提出了一系列具體措施和設計優化思路。


      1)設置合理的設計工作溫度


      間歇性云層要求塔式光熱電站操作員不斷調整接收器流量,以適應從定日鏡傳輸的太陽能水平的變化。


      為實現最佳效率,接收器的設計工作溫度為565℃。為防止接收器因太陽輻射突然增加而過熱,傳熱流體的出口溫度通常降低至520℃至540℃左右,但較低的溫度也會降低功率塊的效率。


      據悉,已經投運的中國中控德令哈50MW塔式光熱電站便采用了防云層沖擊系統以提高電站效率,從該電站的具體表現來看效果極佳。


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      圖:中控德令哈電站性能考核期前6個月發電量數據與達成率(來源:中控太陽能)


      Bruce Kelly表示:“理想情況下,光熱電站的設計溫度并不是理論上的565℃,而是更低一點的溫度(比如540攝氏度),這反映了熱熔鹽罐中的長期年平均溫度。”


      2)開發性能模擬工具


      此外,間歇式日照也會影響工廠的正常啟動效率。


      在早上啟動時,接收器的預熱、填充和排氣可能需要45分鐘。Bruce Kelly表示,如果太陽輻射在日出后不久發生變化,啟動過程就會延長,并最終減少系統當天的工作時間。


      Relloso表示,SENER通過利用Gemasolar電站的經驗,在Noor3項目實現了更快的性能提升過程。


      據悉,春夏期間,Noor3塔式電站必須在午夜停止運行,并在早晨重新啟動。他說:“這意味著每年的這段時間電站要每天增加一次啟動,這在工廠設計和運行中都必須考慮。”


      為此,SENER開發了一個性能模擬工具,該工具考慮了所有類型的瞬態條件,包括云層覆蓋、接收器啟停、渦輪機啟停以及電網指令等。Relloso表示,該系統使用傳感器來進行分析,并實現更高水平的效率。


      3)全面操作培訓


      此外,SENER選擇將部分Gemasolar電站的運維人員調到Noor3項目,以確保已有的成熟經驗能夠帶來幫助。


      Bruce Kelly認為,全面的操作員培訓是減少損失的關鍵。他說:“關于熱瞬變對設備造成的風險的培訓,再加上分布式控制系統邏輯的許可,將直接轉化為熔鹽儲罐和蒸汽發生器低疲勞壽命的良性結果。”


      4)結合實際經驗進行性能建模


      隨著塔式光熱系統裝機容量的不斷增加,性能建模必須結合瞬態條件的最新經驗,以避免對輸出的高估。


      Bruce Kelly表示,“一般來說,性能模型往往會高估光熱電站的發電能力,以及操作員捕捉落在定日鏡場上的每一焦耳能量的能力。”他補充道,要以最低限度的財務預測為出發點。


      Bruce Kelly指出,先進的計算流體力學模型和有限元分析應能更好地理解部件疲勞。他說:“一旦了解了瞬態效應的嚴重程度,就可以實施改進的設備設計(如儲罐分配管道)和改進的工藝控制(如分流段流量控制),以適當地保護設備免受高應力條件的影響。”


      對于未來,Bruce Kelly非常樂觀,他表示,通過結合實戰得來的經驗教訓有針對性地改進塔式光熱發電系統的設計將有助于延長使用壽命。未來幾年,在Noor3等項目更廣泛地實施最佳實踐和成功運營經驗之后,將有助于提高投資者對塔式光熱發電技術的信心。


      Relloso也表示,SENER也有信心在光熱電站設計時將瞬態工況帶來的風險降至最低,并已經開始了在降低太陽能發電場成本、提高電廠數字化程度以及在集成光伏、電池儲存或制氫的混合發電項目如何優化節省效率等方向的研究。


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