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對兆陽光熱創新型技術體系幾項最受關注問題的深度解析

發布者：walt | 來源：CSPPLAZA光熱發電網 | 0評論 | 5316查看 | 2018-06-27 20:13:00

CSPPLAZA光熱發電網報道：在剛剛結束的CPC2018年度盛會上，北京兆陽光熱技術有限公司（簡稱兆陽光熱）的中國原創完整光熱發電技術體系斬獲技術創新大獎，成為與會代表關注的一大焦點。

大會同期舉辦的兆陽光熱技術項目交流對接活動取得了豐碩成果，兆陽光熱的東西軸斜面陣列高倍聚光系統、水工質過熱蒸汽傳熱系統和固態混凝土儲熱系統展現出的樸素經濟、安全可靠特性獲得了多方的一致認可。

近日，華強兆陽一號光熱電站又順利完成了60小時連續發電測試，再次引起行業內的廣泛關注和熱議。據了解，目前業內已較普遍地認可并從原理上接受了此類斜面高倍聚光、水工質傳熱和固態儲熱技術體系，認為其原理簡單易懂、與傳統火電技術體系兼容度高，可靠性和經濟性優勢明顯，顯示出很好的大規模推廣潛力。

但同時，作為一種創新型技術，該體系的工程技術細節和長期運行的可靠性等，也引發了業內的熱烈討論，業內專業人士也對其技術體系提出了一些深層問題，CSPPLAZA光熱發電網記者據此總結提煉出了幾個普遍性的熱點問題，并在第一時間采訪了兆陽光熱總工程師李維。

CSPPLAZA：此次一號電站60h發電測試的試驗目的有哪些，測試期間的平均發電負荷是多少，對光熱電站的意義何在？

李維：此次60小時連續發電并非刻意進行的創記錄活動，僅僅是一次普通的按計劃測試工作，主要目的包括：

進一步進行系統聯調測試，驗證當前消缺成果，以便進一步發現問題，安排下一步的消缺工作；

根據汽輪機廠家建議，設定保護參數并測試汽輪機極限狀態運行邊界條件，實測評估低功率運行時排汽溫度情況，目前汽輪機低功率下整體運行良好，高低缸溫差和排氣溫度都非常穩定；

儲熱塔深度取熱能力評估；

存取熱聯合運行及切換試驗，存取熱聯合運行這次因為天氣原因未實現測試（但上次24h連續取熱時，實現了單座儲熱系統的取熱和相鄰座儲熱系統的鏡場儲熱模式的聯合測試）；取熱實驗對象為其中的2座，目的為切換平穩地進行取熱發電，取熱實驗過程中按照逐座取熱（此項因天氣原因取消）、聯合取熱陸續進行；過程中實現了單座儲熱模塊與另一座中間的切換、兩座聯合取熱，再到兩座蒸發段聯合取熱+單座過熱取熱模式等多種運行模式，儲熱切換和各種運行方式過程中整體非常穩定，汽輪機運行穩定未出現因為切換模式出現跳機、停機等現象。

由于該電站送出線路尚未建成，目前發電測試均為離網運行，基于安全考慮發電功率須控制在1.5MW以下，測試期間的平均發電功率約為600kW左右。

我們前期已經首先對大功率發電所需的高功率取熱特性進行了專項實驗測試，采用連續長時間大流量常溫進水、高溫高壓蒸汽直接排放的方式進行，在一個多小時內蒸發排放量超過單座30T/h的水平，獲得了較精確的高功率取放熱能力參數數據，測試結果與理論設計吻合度很高，已經證明在常規島系統正常的情況下儲熱系統能夠支持汽輪機滿功率發電（該儲熱系統共設置有六座儲熱單元），可以說儲熱系統設計建設和測試試驗已經取得了圓滿成功（更多相關信息請參考已發布文章）。

同時我們認為，安排極端特殊條件下利用固態混凝土儲熱體基礎儲備熱量進行長時間連續發電測試的意義重大：對我國各地區多年氣象數據的分析可知，大多地點均有可能出現連續一周甚至十天以上陰雨（降雪霜凍）天氣，這種極端天氣對光熱電站的傳熱工質、集熱傳熱管路和儲熱體的保溫防凍性能是非常嚴酷的考驗，例如熔鹽儲熱系統在這種極端天氣條件下，僅維持自身集熱傳熱系統安全、防凝防凍，所需要的外部電力和熱量補充已非常大，能實現穩定連續發電的可能性和意義都非常小。

而水工質固態儲熱系統在這種極端條件下，僅需利用汽輪機發電乏汽的熱量即可維持集熱傳熱系統的正常流動，無需排空和特殊的防凝防凍措施（當然，兆陽特有的線性超高聚光倍率的設計，使真空集熱管道用量減少三分之二左右，也為大幅降低防凝功率做出了重要貢獻），同時固態混凝土儲熱體儲存的基礎儲備熱量能夠支持一周以上的持續穩定小功率發電，保障達成光熱電站對電網全年持續發電輸出的原則目標（目前測試結果看來完全有可能實現全年不停機運行（計劃停機除外）。

測試光熱電站是否有能力達到如此高的要求，就如同飛機定型前要進行一系列極限參數飛行測試一樣，雖然不是正常使用狀態，但確實有必要對系統的各維度性能進行全面細致的測試，清晰明確極限邊界條件，確保安全運行，同時使電站的內在潛力最大程度得到有效利用。

例如通過本次幾十小時的連續發電測試，就已大幅增加了儲備熱量可利用深度值這個參數，并且確認該型汽輪機長時間低負荷運行時的排汽溫度低于60℃（遠低于80℃的廠家建議保護溫度）。運行操作簡單，設備安全穩定，相信在需要的情況下，我們完全可以創造一個無外部輸入熱量條件下的連續發電時長世界紀錄。

CSPPLAZA：能否透露一下如果創造記錄的話大概是多少小時嗎？

李維：個人初步估計可以超過四百小時。

CSPPLAZA：很多專家和同行非常關注固態混凝土儲熱系統中的換熱管道和混凝土之間是如何實現熱膨脹匹配的，能否再詳細解答一下？

李維：這個問題也是國際混凝土儲熱研究領域普遍關注的難點瓶頸問題，一直未見重大突破創新成果。兆陽光熱在近十年的研發試驗過程中，進行了大量的方案設計、仿真計算，并輔以幾十次的實際加工測試試驗，根據實測數據對仿真計算模型進行驗證修正，最終找到了一種經濟可靠的方案，成功解決了這一國際難題，并申請了一系列專利，形成了系列專有技術儲備。在不違反企業保密原則的前提下，我可以盡量詳細地介紹一下有關方案設計。

其實固態儲熱系統設計難點是有膨脹匹配和增強熱擴散能力兩個方面。兆陽光熱的專利技術是在換熱管道和混凝土之間設計有膨脹匹配和增強換熱特殊結構，該結構能夠大幅改善換熱鋼管與配方混凝土之間的換熱效果，同時將鋼管與混凝土進行隔離。由于該結構的材質為鋁材，導熱系數很高、在250~450℃的溫度范圍內、在混凝土和鋼管共同構成的包覆環境中性質穩定卻又非常柔軟極易變形，這樣一來，換熱管道與混凝土之間實際上并不直接接觸，而是使用了柔軟的鋁材進行過渡，在可以輕松滑動的同時還能保持高導熱性能，并且此鋁質增強換熱結構深入到混凝土內，與混凝土形成高度牢固的粘接固定，熱擴散能力強。

固態混凝土儲熱塔在實際使用過程中，從初始狀態升溫至工作溫度歷時較長（長達幾個月），不存在短時間內較高的溫度突變；在正常工作狀態時，每日的溫度波動范圍不大于40℃，且升降溫速度很小，這比我國冬季北方建筑、橋梁等混凝土建筑結構的升降溫速度還要柔和些，不會對換熱管道與混凝土匹配造成不良影響。

五六年來，在使用3倍以上的升降溫速度及3倍變化溫差的試驗條件下，混凝土塊體在較大的管路軸向長度方向上也只是出現少量裂縫，表現出很好的機械性能，增強換熱結構與鋼管及混凝土之間依舊能夠保持緊密接觸狀態，鋼管與混凝土之間能夠正常產生最大至近100mm的伸縮膨脹差卻無任何疲勞損傷。

另外，在試驗和實際施工過程中，我們還嚴格遵守各類設計規范，進行了嚴格的變形應力校核等各類設計計算審查，充分考慮到了腐蝕、沖刷磨損，泄露情況時的對應措施等問題，采取了較為有效的防護措施，實際使用過程中未發生任何不可預見的問題。綜合試驗和目前的運行結果來看，固態混凝土儲熱體就像是一個永不過溫、不過燒的鍋爐系統，且換熱功率密度低，安全可靠性完全符合設計預期。

CSPPLAZA：水工質光熱發電系統對集熱管提出了更高的要求，在該電站的調試、運行期間，真空集熱管的彎曲度、破損率如何？

李維：一號電站的鏡場采用的是我們自主研發的低成本高倍聚光（約200倍）系統，由于聚光倍率高，即使在較差的光照條件下也很容易輸出較高參數的過熱蒸汽。但是在調試初期，真空集熱管的破損在長達半年時間內確實是最困擾我們的問題（也是目前碰到的唯一一個難題）。

經過多種因素的原因查找分析，很早以前該問題已經獲得成功并徹底解決。真空管（連帶部分二次反射鏡）早期出現頻繁破損失效的根本原因是真空管的非有效吸收段部位（波紋管段）超溫（超800℃）導致的，該超溫不僅會導致真空管玻璃-金屬封接處破損，而且還會使靠近該處的二次反射鏡（CPC）受熱損壞。基于以上分析，我們針對性的進行了專利結構設計，采取了增設特殊防護結構的方式，有效避免超溫現象的發生，在國內供應商的大力支持配合下，及時進行了改進完善，并取得了非常好的使用效果。在后續監控的9個月時間里，真空管的破損率遠低于1%，大大低于目前已知的國際光熱電站披露的真空集熱管初始破損率。同時，實際運行證明大部分廠家的國產真空集熱管在運行過程中都通過了成功驗證，均可滿足使用要求。

兆陽光熱開發的吸熱器結構，使真空集熱管的受熱相對均勻，局部聚光倍率并未高于傳統槽式，環溫差較小，另外由于使用的耐高溫高壓合金鋼管壁厚較大，進一步減少了環溫差，大幅降低了管道的彎曲程度。由于真空管采用了固定式的安裝方式，經濟可靠，安裝簡單便利，并且增加了專利牽引結構，真空集熱管可以自由伸縮滑動，實測真空管的彎曲度非常小，即使在調試初期出現多次操作失誤，發生嚴重超溫（600℃-800℃）的情況下，也沒有發生真空管彎曲破損的情況，可靠性大大優于傳統槽式聚光系統的真空集熱管。

CSPPLAZA：還有其他您認為需要補充的行業人士可能存在疑問的問題嗎？

李維：兆陽光熱非常歡迎業內人士對我們這套創新型光熱技術體系提出問題甚至是質疑，我們都將本著實事求是、坦誠的原則給予解答，如果后續有更多問題，我們也將通過CSPPLAZA平臺進一步釋疑。

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