金建祥:基于运行经验,熔盐塔式电站值得关注的几个问题

时间:2017-08-28 17:35来源:国家光热联盟

  第三届中国太阳能热发电大会上,浙江中控太阳能技术有限公司董事长兼总工程师金建祥作了题为“熔盐塔式电站值得关注的几个问题”的大会报告。相关发言内容整理如下:

 

图:金建祥出席第三届中国太阳能热发电大会并作大会报告

 

  塔式太阳能热发电站是通过控制数以万计的定日镜,将太阳光聚集到高塔顶部的吸热器上,加热熔盐并储存在热盐罐,再与水进行热交换,产生高温高压蒸汽,驱动汽轮发电机组发电。

 

图:熔盐塔式太阳能热发电流程图

 

  中控太阳能公司凭借150位各行业专家,历时7年,投入超5亿,形成专利120件,著作权20件,制定了多个产品、工程标准,掌握了六大关键技术:1)大规模定日镜聚光集热技术,2)智能定日镜、控制系统等硬件、软件,3)太阳能热发电能量系统设计与优化,4)熔盐蓄热技术和关键装备,5)塔式太阳能整体技术集成与运行技术,6)高寒高海拔特殊环境下可靠性技术。

 

  2013年7月,青海德令哈10MW塔式水工质太阳能热电站实现了并网发电;2014年9月获批了1.2元/kWh电价;2016年8月熔盐储能电站并网发电;至今电站安全、稳定运行4年,经过不断优化后,2017年5月份实际发电量达到93万度,已达设计值(或理论计算值)的97.7%;7月份发电量达到105.7万度,4月1日至7月31日的这四个月中,实际发电量平均达到设计值的95%,8月3日天气晴好,单日发电量达到8.7万度。

 

  经过几年的实际运行,我总结了熔盐塔式热发电站值得关注的8个问题。

 

一、有云天气的影响

 

  我个人认为,光热电站建成并网发电不难,成本下降也比较容易,但是要达到设计的发电量很难。最主要的原因是有云天气(包括少云和多云)的影响,大晴天达到设计发电量比较容易,那么有云天气实际发电量与设计值有多少差距呢?我们做的测试数据如下图:

 

 

  11月份的数据是未经优化之前的结果,而12月份是经过优化之后的结果,我们发现:DNI当量大于70%时,两者只相差4.5%,优化效果明显;而小于70%时,两者相差仍旧达到16%,效果不佳,说明针对多云天气仍需努力!

 

二、厂用电优化

 

 

  对于50MW的塔式电站来说,厂用电占总发电量约为12%,其中熔盐系统(熔盐泵和电伴热)用电量占厂用电比例约为55%,我们优化后平均下降30.3%,折算到厂用电的比例可以下降两个百分点。因此,如何把熔盐系统的用电量降下来,对于降低厂用电的意义比较大。

 

三、高度自动化

 

为什么要关注塔式熔盐电站的自动化运行问题?这是因为:

1、熔盐塔式电站远比煤电复杂:流程长、涉及专业领域多、高温高压、熔盐易堵、光斑不均匀易导致熔盐气化进而造成吸热器故障、有云天气影响安全生产与效率等,对于运维人员要求也比较高。

2、电站所在地大多在偏远落后地区,高素质人才匮乏。

高度自动化后可以解决以上这对矛盾,高度自动化包括:

1) 吸热系统

(1)镜场能量控制:自动预热,自动进盐,自动堵管判断,自动疏盐;(2)DCS自动控制:各阶段阀门顺序控制,入出口缓冲罐液位和压力控制。

2)换热系统

(1)顺序控制:给水加热器自动启停,热态待机循环自动启停,热盐泵/调温泵自动启停的顺序控制;

(2)模拟量控制:给水加热器液位控制,给水加热器出口给水温度控制,蒸发器液位控制,预热器出口盐温控制。

3)电伴热系统

(1)自动判断各电伴热工作状态:实现多组电伴热一键开关控制功能,实现多组电伴热定时自动开关控制功能,相似电伴热温度统一设定的功能

4)一键启停:

(1)全流程自动化控制目标:聚光集热、储换热和发电系统一键启停。

(2)完成不同工况下镜场能量自动调度和汽轮机负荷自动调节,2017年12月完成气象预测系统及全场一键启停。

此外,运行高度自动化可以大幅度降低对操作者的要求,有利于安全生产和高效生产。

 

四、熔盐性能改善

 

  从一个熔盐塔式电站的设计者、建设者、运行者的角度考虑,我有一些想法供大家参考。

 

  作为用户,我们需要成本低、腐蚀性低、性能稳定、凝固点低、沸点高的熔盐。对于槽式熔盐光热电站,凝固点低更值得关注,可以大幅度降低夜间熔盐循环耗能量;对于槽式导热油光热电站,低成本更值得关注,因为槽式用盐量是塔式的3倍。

 

  对于熔盐塔式电站来说,降低凝固点就不用电伴热吗?肯定不行!电伴热用电量占厂用电12%,占总发电量2.44%;如果凝固点降低到100度,可以节省电伴热用电量约50%,占总发电量1.22%,有一定的意义。如果沸点提高10度,就可以提高约1%的效率,所以,对于熔盐塔式电站来说,提高熔盐沸点意义更大。

 

五、定日镜有关的3个主要问题

 

  定日镜成本占总投资约50%,所以,定日镜的成本高低对整个电站的造价影响巨大。此外,定日镜数量众多,且要求在露天工作;还要求在极端高低温天气以及风沙环境下正常工作,所以对镜面清洁度要求很高,因为镜面清洁度对反射率影响很大。所以,定日镜的成本,可靠性和清洗等3个问题需要关注:

1、成本:1)轻量化设计,降低用钢量,有利于降低成本,至少可以节省2kg/m²,但工作风速会明显降低,风速比较大的地方(像哈密)就不太适用;2)使用单推杆或双推杆来取代回转减速机构,使用单推杆可以节省50元/m²。

在低风速环境下使用轻量化设计和推杆设计,可以节省成本,建议设计成两个版本:通用版本和低风速版本。

2、可靠性:1)中国光资源好的地方大多环境恶劣:高原、沙漠、戈壁,冬天低温至零下30℃,夏天午后温度高至60 ℃;2)定日镜中的核心部件控制器属于电子部件,而一般电子部件工作温度仅为0 ℃至50 ℃。

如果不重视可靠性问题,不仅会大量增加运维工作量,而且还会降低效率,影响生产安全。

3、清洗:1)中国光资源好的地方,一般在高原、沙漠、戈壁,风沙严重,尤其在季节变换时期;2)镜面结尘对效率的影响,光热远大于光伏,在德令哈,镜面反射率每天下降1%;3)夏季水洗效果良好,如何高效率、节水清洗值得关注;4)冬季干洗效果不佳,如何提升冬季清洗效果值得研究。

 

六、关于电站土地植被 

 

  一个典型塔式镜场面积占地3-7平方公里,被镜场覆盖的土地生态如何呢?

 

  青海省德令哈地区的雨水蒸发量:2233mm,降雨量:100mm;甘肃省玉门的雨水蒸发量:2400mm,降雨量:94mm;甘肃省敦煌的雨水蒸发量:2486mm,降雨量:40mm。

图:中控德令哈电站中,没有定日镜的地方,几乎寸草不生

图:中控德令哈项电站定日镜下的植被生长比较茂盛

  中控德令哈电站所在地区,由于阳光被定日镜反射,蒸发量明显减少,而定日镜用水清洗,导致降水量明显增加。经过4年时间恢复,镜场植被已经显得生机勃勃,远比同地区其他地方要好!因此,塔式熔盐电站对于生态恢复和改善很有好处。

 

  我想通过本届太阳能热发电大会告诉大家两点:第一、塔式镜场非常有利于生态改善。第二、政府收取镜场土地的植被恢复费是一个典型的50MW塔式电站约2500万,100MW的电站约5000万,大约占总投资的比例超过2%了。因此我建议大家联合向政府部门呼吁:取消光热电站的植被恢复费。

 

七、光热发电定位

 

如何定位光热发电,先看以下几个问题的答案:

 

1、光热发电能取代光伏?答案是:不能,成本要低于光伏可能性很小;

2、光热发电能取代风电?答案是:不能,成本要低于风电可能性很小;

3、光热发电能被光伏、风电取代?答案是:不能,因为储电的成本远高于储热,而寿命又远低于储热!

4、光热发电能取代火电?答案是:能!光热是理想的基荷电源和调峰电源!尤其是取代与光伏和风电配套建设的火电!

光热发电可成为基础负荷电源,彻底抛弃传统煤电。一是可以 24小时连续发电,二是可采用天然气应急后备,只需增加极少的投资(约不到1%)。光热发电还可与风电、光伏混合发电,实现多能互补。一是互补发电出力稳定,可实现风电光伏多发电、满负荷发电;二是弃风、弃光的电力可用来加热熔盐,减少浪费。

 

图:光热发电用于调峰的运营曲线

 

  光热发电可作为调峰电源。我想分两个步骤,首先要实现规模化光热发电。其次要跟国家电网配套起来。我相信:通过电力市场化改革,最终会实现不同时段不同上网价格。光热调峰优势明显,大家需共同去推动调峰电价早日出台!

 

八、塔式熔盐储能电站与PV+电池经济性比较

 

图:光热与PV+电池成本电价比较

 

1、从以上两张图可以看出:以现阶段50MW光热电站与50MW光伏电站对比,以锂离子电池4000次充放电为依据,储能4小时以上时光热发电具有明显优势; 

2、以未来光热度电成本下降0.2元,电池成本降低一半来做比较,储能3.5个小时以上时,光热发电具有明显优势; 

3、如果以100MW电站来对比,且未来光热度电成本降到0.8元/kWh,则储能3个小时以上时,光热发电具有明显优势; 

 

  迪拜200MW光热发电项目,配置的是15小时储能,电价0.64元/kWh。夏威夷28MW光伏电站,储能3.57小时,上网价格0.74元/kWh。如果折算到15个小时储能,则上网价格为0.93元/kWh,比0.64元高出45%。所以,长时间储能光热很有竞争力! 

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