CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：為了加速部署太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，美國國家可再生能源實驗室（NREL）于6月12日發(fā)布了全球首份光熱發(fā)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(shù)據(jù)和相關(guān)反饋，包括槽式光熱電站和目前仍在不斷發(fā)展的塔式光熱電站和存儲技術(shù)，并在報告中列出了光熱發(fā)電行業(yè)在項目管理、工廠設(shè)計和運營方面的一些重要經(jīng)驗教訓(xùn)。

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

熔鹽罐泄露帶來巨大損失

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

圖：光熱電站平準(zhǔn)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(fā)布的《2019年可再生能源發(fā)電成本》報告）

據(jù)報告，由SolarReserve開發(fā)、位于內(nèi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(biāo)，并最終導(dǎo)致工廠關(guān)閉，而2016年因熔鹽儲存系統(tǒng)泄漏關(guān)閉了8個月的重大事故無疑是導(dǎo)致目前結(jié)果的重要原因之一。

在法庭文件中，SolarReserve指責(zé)熔鹽儲罐的設(shè)計方西班牙ACS Cobra公司要對泄露事故負(fù)責(zé)，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(xiàn)24小時發(fā)電的太陽能電站Gemasolar光熱電站2017年也因熔鹽罐事故而導(dǎo)致停運，最終付出了高昂的修復(fù)費用并損失了一大筆電費收入。

瞬態(tài)風(fēng)險問題開始備受投資者關(guān)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(xiàn)不佳，使相關(guān)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(guān)注可配置低成本儲熱系統(tǒng)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(yè)開始更加重視熔鹽罐的設(shè)計，并逐漸將研究觸角延伸至瞬態(tài)工況變化和工作溫度變化對整個系統(tǒng)帶來的運行風(fēng)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(fā)電系統(tǒng)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(fēng)險，尤其是由間歇性日照或快速啟停要求導(dǎo)致的“瞬態(tài)”工況變化是運營商面臨的關(guān)鍵風(fēng)險。

”瞬態(tài)工況變化+高運行溫度“極易引起系統(tǒng)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(guān)裝備出現(xiàn)故障，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

相關(guān)專家表示，在光熱電站的設(shè)計和運行階段，運營商必須更加關(guān)注瞬態(tài)風(fēng)險，以避免組件損壞和輸出損失。

摩洛哥Noor3塔式電站的經(jīng)驗分享

最近，光熱業(yè)界的注意力又轉(zhuǎn)向了ACWA Power在摩洛哥開發(fā)的Noor3塔式電站，該項目也是第二座利用熔鹽儲存設(shè)施建造的大型商業(yè)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(shè)第三工程有限公司聯(lián)合開發(fā)，于2018年夏季正式并網(wǎng)。

據(jù)ACWA Power在2019年發(fā)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(xiàn)出令人鼓舞的性能水平，發(fā)電量超過200GWh。

而據(jù)來自SENER的技術(shù)專家Sergio Relloso Lassa介紹，Noor3熱鹽罐結(jié)構(gòu)具有“最先進的”基礎(chǔ)設(shè)計，并從SENER早期開發(fā)的GemaSolar塔式光熱電站吸取了經(jīng)驗教訓(xùn)。

Relloso指出，熔鹽儲罐設(shè)計時必須深入了解熔鹽的性狀、運行時的變化過程以及當(dāng)?shù)氐牡孛嫣卣鳎⑻貏e注意底板的焊接。而成功的關(guān)鍵是設(shè)計要實現(xiàn)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(chǔ)傳遞過大的應(yīng)力，此外還要在在施工、調(diào)試和運行過程中遵循正確的程序。

未來熔鹽儲罐設(shè)計優(yōu)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(tǒng)瞬態(tài)風(fēng)險了解的不斷加深正在推動熔鹽罐結(jié)構(gòu)的改進，未來新建光熱電站在設(shè)計時有望進一步修改和優(yōu)化以提升系統(tǒng)效率及穩(wěn)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(shè)計和控制可以緩解瞬態(tài)條件的影響，但是熱儲槽和冷儲槽以及換熱器的設(shè)計需要得到進一步改進。

談到如何優(yōu)化，Bruce Kelly表示，一些工程公司正在提議為儲罐安裝新的內(nèi)部管道系統(tǒng)。

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(yīng)力。

2）換熱器應(yīng)該通過全焊接施工技術(shù)來建造，比如集管/盤管或內(nèi)孔焊接，以避免管道和管板之間的連接出現(xiàn)問題。據(jù)Bruce Kelly介紹，迄今為止，只有“有限數(shù)量”的商業(yè)項目使用了全焊接蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)。

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(shè)備，如熱交換器，并在電站啟停過程中免受較大的瞬態(tài)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(yīng)對瞬態(tài)風(fēng)險的思路和經(jīng)驗

從全系統(tǒng)層面如何應(yīng)對間歇性云層、系統(tǒng)啟停等原因引起的瞬態(tài)風(fēng)險？相關(guān)專家也根據(jù)項目實踐經(jīng)驗提出了一系列具體措施和設(shè)計優(yōu)化思路。

1）設(shè)置合理的設(shè)計工作溫度

間歇性云層要求塔式光熱電站操作員不斷調(diào)整接收器流量，以適應(yīng)從定日鏡傳輸?shù)奶柲芩降淖兓?/p>

為實現(xiàn)最佳效率，接收器的設(shè)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(jù)悉，已經(jīng)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(tǒng)以提高電站效率，從該電站的具體表現(xiàn)來看效果極佳。

圖：中控德令哈電站性能考核期前6個月發(fā)電量數(shù)據(jù)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(shè)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?！?/p>

2）開發(fā)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(yù)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(fā)生變化，啟動過程就會延長，并最終減少系統(tǒng)當(dāng)天的工作時間。

Relloso表示，SENER通過利用Gemasolar電站的經(jīng)驗，在Noor3項目實現(xiàn)了更快的性能提升過程。

據(jù)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(shè)計和運行中都必須考慮。”

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

3）全面操作培訓(xùn)

此外，SENER選擇將部分Gemasolar電站的運維人員調(diào)到Noor3項目，以確保已有的成熟經(jīng)驗?zāi)軌驇韼椭?/p>

Bruce Kelly認(rèn)為，全面的操作員培訓(xùn)是減少損失的關(guān)鍵。他說：“關(guān)于熱瞬變對設(shè)備造成的風(fēng)險的培訓(xùn)，再加上分布式控制系統(tǒng)邏輯的許可，將直接轉(zhuǎn)化為熔鹽儲罐和蒸汽發(fā)生器低疲勞壽命的良性結(jié)果。”

4）結(jié)合實際經(jīng)驗進行性能建模

隨著塔式光熱系統(tǒng)裝機容量的不斷增加，性能建模必須結(jié)合瞬態(tài)條件的最新經(jīng)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(fā)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?！彼a充道，要以最低限度的財務(wù)預(yù)測為出發(fā)點。

Bruce Kelly指出，先進的計算流體力學(xué)模型和有限元分析應(yīng)能更好地理解部件疲勞。他說：“一旦了解了瞬態(tài)效應(yīng)的嚴(yán)重程度，就可以實施改進的設(shè)備設(shè)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(dāng)?shù)乇Ｗo設(shè)備免受高應(yīng)力條件的影響?！?/p>

對于未來，Bruce Kelly非常樂觀，他表示，通過結(jié)合實戰(zhàn)得來的經(jīng)驗教訓(xùn)有針對性地改進塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)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(jīng)驗之后，將有助于提高投資者對塔式光熱發(fā)電技術(shù)的信心。

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

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