2018年5月22日,国家能源局发布《关于推进太阳能热发电示范项目建设有关事项的通知》(简称“通知”)。《通知》指出,首批太阳能热发电示范项目是我国首次大规模开展的太阳能热发电利用示范工程,是推动太阳能热发电技术进步和产业发展的重要举措,项目顺利建设运营对于示范引领产业发展意义重大。《通知》提出国家能源局将会同有关方面,对示范项目实施工作进行监督指导,建立健全和强化落实“退坡、调整、退出”三项工作机制和失信惩戒等制度,确保发挥首批项目行业示范引领作用。
在相关业主单位努力推进首批太阳能热发电示范项目建设的同时,已经有包括龙腾光热、博昱新能源、滨海光热、上海电气、中控太阳能等在内的一批企业先后开展了太阳能热发电项目可行性研究报告评审会,积极备战后续太阳能热发电项目。如何在新的项目开发时尽量少走弯路呢?为此,国家太阳能光热产业技术创新战略联盟记者采访了电力规划设计总院(下文简称电规总院)孙锐副院长。他在总结首批太阳能热发电示范项目经验和教训的基础上,从项目选址、系统容量匹配等方面提出了后续项目开发中的一些注意事项,整理如下,以供业内参考。
一、太阳能热发电项目的选址
1、太阳能直接辐射资源对太阳能热发电项目的年发电量影响重大。因此,要选择光照资源条件较好的地区,以降低发电成本。
2、太阳能热发电用土地面积大,用地成本不可忽视。要选择戈壁、荒漠等国有未利用土地,并充分了解当地政府主管部门对太阳能热发电项目的用地政策,选择用地成本较低的地区开发太阳能热发电项目。
3、相同机组容量,但不同的聚光集热方式,对土地面积和地表形态的要求是不同的,必须引起重视。例如,槽式聚光集热场通常要求南北坡度小于1%,因此,对于南北坡度较大的场地不适合建设槽式太阳能热发电站。通过大规模挖、填土方,形成多级台阶的方式建设槽式太阳能热发电站,不仅对地表形态破坏严重,也将增大工程投资,要尽可能避免。
4、近期国际上的太阳能热发电项目单机容量大多数都在100MW以上。从我国后续的太阳能热发电项目前期工作看,选择100MW机组的占比,明显高于第一批示范项目。提高机组容量对于降低单位千瓦的工程投资,从而降低发电成本是有利的。
5、在筹建单位申请用地前,要委托设计、咨询单位开展初步的研究工作,以确定对土地的具体要求,以免出现反复变化,影响项目的进度。
6、太阳能热发电机组采用空冷方式,显著降低了用水量,但热力系统的补水和镜面清洗用水都需要一定的水资源消耗。一般机组的耗水量在0.1m3/GW.S 左右。
二、系统容量匹配
1、增大机组的额定功率和储热系统容量,都要求扩大聚光集热系统的规模,而集热系统规模的扩大则要求占用更多的土地面积;同时,对集热系统的设计和控制精度要求也更高。
2、在机组的额定功率确定的情况下,增大储热系统容量和聚光集热系统的规模,会导致工程投资的增大,但同时机组的年发电量也会增多,发电成本的变化情况,必须通过详细的计算,才能知道结果。
3、根据多种不同系统容量配置方案的计算结果,分析发电成本的变化情况,确定最佳的聚光集热系统规模和储热系统容量。
图:国内某光热发电项目发电成本与储热时间及太阳倍数的关系曲线
三、汽轮机初参数
1、汽轮机设备在太阳能热发电机组投资中的占比很低,但其热效率对机组的发电成本影响极大,因此,要尽可能选用高效的汽轮机。
2、在吸热介质温度确定的条件下,尽可能提高轮机的进汽温度和进汽压力,尽可能降低汽轮机的排气背压,以提高机组效率。
3、在夏季汽轮机背压升高的工况下,通过超压运行模式,可提高机组出力,减少机组热耗,显著降低发电成本。
四、空冷系统的优化
1、空冷系统的优化方法与燃煤机组是相同的,但由于太阳能热发电的上网电价是同一地区燃煤发电的4倍多,而空冷系统的单位造价则是相同的,因此,优化出来的空冷系统面积要比燃煤机组大得多。
2、一些工程沿用燃煤机组的习惯思维,空冷系统的面积太小,空冷系统的投资是少了,但机组发电成本提高了。
3、一些工程空冷系统的凝汽器迎面风速沿用燃煤机组做法,没有进行优化。由于迎面风速偏高,增大了厂用电率,提高了发电成本。
4、以100MW塔式太阳能热发电机组为例,迎面风速从2.0m/s 降低1.6m/s,虽然凝汽器面积增加9.7万平米,投资约增加580万元,但风机电耗减少约195kW,每年增加上网电量约78万kWh,电费收入增加约90万元,不到7年收回增加的投资成本。
五、高温熔盐储罐
图:通常的单壁高温熔盐储罐示意图
1、罐体设计温度高达580℃ ,超出了国内外的设计规范。
2、储罐的直径达到30-40米,热膨胀量大。罐体和罐底与熔盐接触,金属壁温与熔盐温度相近;罐顶不与熔盐接触,主要靠空气对流传热,温度低于罐壁的温度,因此会产生很大的温差应力,影响罐顶的整体稳定性。
3、由于罐内熔盐的液位每天都在变化,需要考虑材料的高温疲劳。
4、罐体一旦出现问题,维修工作量大,周期长,仅停机减少的发电收入就高达亿元以上,对机组的经济性影响重大。 因此高温熔盐储罐的设计需要重视,有必要对储罐进行创新设计。
我们相信,有了首批太阳能热发电示范项目的建设经验,国家相关部门的支持,以及整个太阳能热发电产业界的齐心协力,我们一定能够实现国家 “十三五”太阳能热发电发展目标。
附:电规总院在太阳能热发电方面的实践与业绩
电规总院作为国家级高端咨询机构,主要向政府部门、金融机构、电力及相关企业提供服务,主要业务领域是电力行业发展战略、产业政策、发展规划、电力新技术等方面的研究,电力工程项目的评审、评估和咨询。同时,电规总院也是国家电力行业设计标准归口管理单位,具有国家发展和改革委员会认定的电力工程项目评估资格。
一直以来,电规总院极为重视光热发电产业的发展,并积极推动我国光热发电产业的发展。
自2008年起,电规总院与相关单位合作开展了《太阳能热发电技术应用研究》、《槽式太阳能热发电技术研究》、《塔式太阳能热发电技术研究》、《太阳能热发电储热技术研究》、《太阳能热发电的全厂电气系统研究》、《塔式太阳能热发电仪控技术研究》及《太阳能热发电工程造价及电价研究》等多项前瞻性太阳能热发电技术研究工作,并与中科院电工所、西北电力设计院有限公司合作完成北京八达岭塔式光热发电站的设计工作。
此外,电规总院也为国家和地方政府提供多项光热发电行业方面的咨询工作,主要包括《太阳能热发电示范项目的技术要求》、《太阳能热发电示范项目申请大纲》、《西藏阿里狮泉河镇供热方案研究》,《青海太阳能热发电选址规划》、《内蒙古阿拉善盟光热发电选址规划》、《甘肃玉门花海百万千瓦级光热发电基地规划》、《新疆哈密市太阳能热发电中长期开发规划》、《甘肃阿克塞县四十戈壁太阳能热发电基地规划》、《新疆生产建设 兵团第十三师太阳能热发电发展规划》等,并参加了第一批太阳能热发电示范项目评选工作等。
在标准制定方面,电规总院牵头组织编制了《太阳能热发电厂可行性研究报告内容深度规定》、《太阳能热发电厂初步设计文件内容深度规定》、《塔式太阳能热发电厂集热系统设计规范》及《槽式太阳能热发电厂集热系统设计规范》等十余项光热发电行业设计标准。
截至目前,电规总院已参与30余个光热发电项目的工程咨询评审工作。在首批太阳能热发电示范项目中,电规总院是金钒能源阿克塞50MW槽式熔盐太阳能热发电示范项目的业主工程师。