塔槽耦合太阳能热发电系统的技术优势及开发前景

时间:2018-09-27 18:49来源:国家光热联盟
  目前国际上商业化应用的太阳能热发电技术形式主要分为槽式、塔式、菲涅尔式和碟式等四种路线。为了进一步降低成本,科研界和产业界都在积极探索。在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟、中国工程热物理学会、中国可再生能源学会,中国电机工程学会主办的第四届中国太阳能热发电大会上,内蒙古电力勘测设计院有限责任公司(下文简称内蒙院)工程师闫晓宇对塔槽耦合的太阳能热发电系统进行了介绍。
  一、 不同技术路线应用上比较
  1、槽式技术限制
  (1)槽式太阳能集热器在不断地更新发展,以提高聚光比,提升聚光集热效率,但始终无法摆脱线聚焦特性限制。更高的聚光比意味着更高的温升空间。 
  (2)受限的初温、初压对于朗肯循环效率的限制,同时也限制了整个槽式发电系统的效率。 
  2、塔式技术限制
  (1)单台机组更大的容量意味着更高的塔和更大规模的镜场。 
  (2)更高的塔意味着结构设计以及建设水平的限制。 
  (3)更大规模的镜场意味着更低的镜场光学效率以及土地利用率。 
  (4)更高的塔和更大规模的镜场同时意味着机组容量的受限。 
  3、解决思路
  利用槽式太阳能集热器代替定日镜场中距离吸热器较远、光学效率较低的部分定日镜,以降低技术限制,提高镜场整体光学效率及土地利用率。因此,采用塔槽耦合太阳能热发电系统集成办法,扬长避短,应不失为解决问题的思路。
  二、系统集成
  内蒙院对塔槽耦合太阳能热发电系统、熔盐侧混温式槽塔耦合发电原则性系统、汽水侧混温式槽塔耦合发电原则性系统进行了研究:
  1、塔槽耦合太阳能热发电系统
  耦合系统技术要求: 
  (1) 聚光集热子系统由塔式部分和槽式部分耦合而成。
  (2)具有运行稳定性、可实施应用。
  (3)可优化配置储能系统。
  (4)系统复杂程度不会对运行维护提出过高要求。
  2、熔盐侧混温式槽塔耦合发电原则性系统
  该系统特点:耦合电站聚光集热系统槽式部分与塔式部分吸热、传热介质侧流程相互独立(同种介质互通),储能系统共同设置一套高中低温熔盐罐,通过两级温差,保持储能系统塔式部分与槽式部分即相互联系、又彼此独立。汽水侧流程并联。 
  (1)熔盐侧混温式槽塔耦合发电原则性系统方案的优点为:
  a 槽式部分与塔式部分的聚光集热系统相互独立,储能系统既彼此独立又相互关联,增加了各自聚光集热系统和储能系统调度的灵活性,减少弃光率。
  b 设置了中温熔盐缓冲罐,可以更灵活的调节蒸汽发生系统熔盐的流量以及熔盐温度的稳定性,以此来保证过热蒸汽参数的稳定。
  c 储能系统导热油与熔盐仅一次换热,减少了换热损失,提高了循环热效率。若采用低熔点熔盐等介质还可以进一步去掉油盐换热系统、再生系统及膨胀系统。
  d 通过设置并联式蒸汽发生系统,可以实现汽轮发电机组双参数运行,减少因为局部故障的停机率。
  e 储能系统在满足能量阶梯储存利用的功能要求下,还减少了一台储罐以及一套熔盐泵,节约了建设成本。
  (2)熔盐侧混温式槽塔耦合发电原则性系统方案的缺点为:
  a 需要设置可以在槽式和塔式两种蒸汽参数下运行的汽轮机。
  b 电站运行操作,需要同时操作相对独立的槽式部分与塔式部分,增加了DCS控制的难度。 
  3、汽水侧混温式槽塔耦合发电原则性系统
  该系统特点:耦合电站聚光集热系统槽式部分与塔式部分吸热、传热介质侧流程相互独立,储能系统各设置一套高低温熔盐罐,彼此相互独立,汽水侧流程串联。 
  (1)汽水侧混温式槽塔耦合发电原则性系统方案的优点为:
  a 槽式部分与塔式部分的聚光集热系统和储能系统相互独立,增加了各自聚光集热系统和储能系统调度的灵活性,减少弃光率。
  b 可以更灵活的调节蒸汽发生系统导热油和熔盐的流量,以此来保证过热蒸汽参数的稳定。
  (2)汽水侧混温式槽塔耦合发电原则性系统方案的缺点为:
  a 槽式部分与塔式部分的蒸汽发生系统关联性过强,一旦某一部分发生故障,则汽轮发电机组就无法正常运行。
  b 电站储能运行工况,槽式部分储能系统由于两次换热,导热油温度从393℃降低到了380℃,使得低温过热蒸汽温度由383℃降至371℃,降低了电站整体循环热效率。
  c 电站运行操作,需要同时操作相对独立的槽式部分与塔式部分,增加了DCS控制的难度。 
  三、布置形式
  塔槽耦合太阳能热发电系统有两种最基本布置:
  对于布置要求主要是依据三方面进行:一是《塔式太阳能光热发电站设计标准》(GB/T51307-2018),二是《槽式太阳能光热发电站设计标准》(报批稿);三是定日镜场、槽式集热场、光伏区安全距离,运输、通行、防火要求,挡风墙要求等。 
  四、适用性研究
  对于塔槽耦合太阳能热发电系统适用性,内蒙院首先建立计算模型来探讨塔槽耦合技术适用性,其部分技术评价指标如下:
  为了验证其适用性,内蒙院以某项目为例,建立塔槽耦合太阳能热发电系统模型,同时建立同等规模的塔式和槽式太阳能热发电系统模型作为对比,使用相同统模拟基础参数值和技术评价指标构建评价体系,并进行故障运行模式、电站所处的纬度、电站容量对系统影响研究,分析塔槽耦合太阳能热发电系统适用性。
图:故障运行模式对系统影响
图:纬度对系统影响
图:电站容量对系统影响
  根据研究,可以得出以下结论:
  1、塔槽耦合太阳能热发电系统根据塔式的点聚焦技术和槽式的线聚焦技术合理分配工质温升区间,利用各部分加热能力进行阶梯式加热;储热子系统使用一套高中低温双温差三级储热装置,使塔式与槽式部分储存的热量即可串联使用又可单独使用;蒸汽发生子系统换热器与发电子系统汽轮机均可采用两种参数蒸汽长期稳定运行。
  2、对塔槽耦合太阳能热发电系统进行了典型年8760小时的模拟计算,计算结果表明该系统年平均光热效率为40.41%,年平均发电效率为16.34%,年发电量为4.1×108。 
  3、提出的新型塔槽耦合系统可以保证在聚光集热子系统塔式部分或者槽式部分发生故障时,汽轮发电机组还能部分功率运行,保证了电站的稳定性。同时还可通过储能系统,对机组发电功率以及运行时间进行调节,提高了系统的灵活性,降低电站非计划停运率。
  4、分析结果表明:当纬度低于约36°时,塔槽耦合系统年平均发电效率和发电量均高于塔式与槽式。当电站容量大于100MWe时,塔槽耦合系统年平均发电效率以及发电量明显高于塔式与槽式,更具有技术优势以及开发前景。
  内蒙院是国内最早深度参与商业化太阳能热发电站前期及设计工作的设计院之一,在全面消化吸收国外先进的、有实际运行项目的太阳能热发电设计技术基础上,已应用于国内太阳能热发电项目中;能担负起太阳能热发电示范项目申报材料,太阳能热发电项目总体规划, 初可研、可研、基本设计、详细设计各阶段的设计咨询任务及太阳能热发电项目的EPC总承包等方面的工作。

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