CSPPLAZA光熱發電網報道:光熱發電汽輪機因其能量源于并不穩定的太陽輻照而與傳統火電用汽輪機有多方面的不同,對設計和工藝制造能力的要求也要遠高于傳統汽輪機。當前,全球范圍內在光熱電站領域有應用記錄的汽輪機廠商主要有Siemens、MAN、GE、Alstom、三菱重工、Tosi等廠商。
自光熱發電技術開始規模化發展并走向實際應用開始,國際各大汽輪機廠商就開始研發適合光熱電站的汽輪機產品,光熱汽輪機的技術和制造能力也伴隨光熱技術的進步而進步。
表1:全球主要CSP電站采用的汽輪機不完全統計
在全球各光熱電站已有應用的汽輪機廠商中,尤以Siemens的市場份額最大,西門子的汽輪機產品型號繁多,其中適合于光熱電站用的產品主要有SST-110、SST-120、SST-300、SST-400、SST-600、SST-700、SST-800、SST-900共八種型號的產品。其中又以SST-700型汽輪機的應用最為廣泛,實際投運的項目裝機容量也最大。
除了西門子之外,目前在市場上較為活躍和擁有較好裝機記錄的為德國MAN集團下屬子公司MANDiesel&Turbo(MAN柴油機與透平公司),MAN生產的光熱汽輪機根據具體的項目進行具體設計,沒有具體的型號劃分。其目前總計投入電站實際運行的光熱汽輪機共7臺。其中最小的為5MWe,最大的為125MWe。
表:西門子光熱汽輪機技術參數概覽
除了上述兩大廠商外,三菱重工在1980年代供應了美國SEGS九個槽式電站的所有汽輪機,但此后至今未有新的項目應用。GE、Alstom、Tosi等廠商也擁有部分業績記錄,但都為數不多。
國內廠商哈汽、東汽、杭汽都在光熱汽輪機的技術研發方面有所布局,但目前僅杭汽有實際項目投入應用,杭汽在小型工業級汽輪機的技術和制造方面優勢明顯,中控德令哈電站一期項目和大漢電站都是10MW及以下的小型項目。東汽目前已經與金釩阿克塞50MW光熱電站項目達成初步合作意向,將與相關合作方共同承擔該電站的汽輪機設計制造工作。
除了上述幾大汽輪機廠商,江蘇金通靈流體機械科技股份有限公司在光熱汽輪機方面的研發已有較大進展,其此前已生產出1.5MW的小型光熱汽輪機樣機,并通過中國通用機械協會的鑒定。該公司副總經理何杰向CSPPLAZA記者透露,目前其正在加快設計50MW級的光熱汽輪機,以適應國內光熱市場的發展。
技術工藝難度大 國產尚存差距
目前大多數光熱電站沒能實現全天24小時持續發電,對于常規的光熱電站,汽輪機一般在每天早晨開始啟動運轉,到晚間無熱源時關停或通過其它燃料補燃進行低負荷運轉。為此,光熱汽輪機需滿足每天至少一次的頻繁啟動要求,并盡可能地縮短每次啟動的時間。從經濟性角度考慮,啟動越快則可以在有限發電小時數內更快速達到額定發電功率,獲得更多發電量,這是實現電站收益最大化的一個關鍵影響因素。但啟動越快則將對汽輪機內外各部件產生較大溫差,由此導致的機械應力也隨之增大。另外對于所有的光熱電站,其都將受到不穩定光照資源的影響,特別是對于無儲熱的光熱電站,太陽能輻照強度的瞬時變化直接影響到蒸汽的各項參數,汽輪機需要適應這種頻繁的工質參數變化。
這都需要汽輪機機組各部件擁有較好的耐疲勞性,這就需要對制造材料進行優化選擇,對各組成部件進行優化工藝處理。
整體來看,合格的光熱發電汽輪機應滿足的總體要求是:熱啟動迅速、可靠性高、滿足每天至少啟動一次的啟動頻率、滿足至少30年的使用壽命。按光熱汽輪機一般每天啟動一次計算,30年壽命周期內需滿足的循環啟停次數約11000次。
MAN公司北京分公司光熱汽輪機業務負責人嚴勝德在接受CSPPLAZA記者采訪時表示,基于對MAN汽輪機30年壽命周期內的應力計算分析,我們可以保證MAN汽輪機所有部件的設計循環次數都超過20000次,MAN汽輪機的設計啟停次數已經遠遠超出了11000次啟停次數的基礎指標要求。阿聯酋100MW的Shams1槽式光熱電站是當前全球投運的單機裝機容量最大的槽式電站,MAN的汽輪機在該電站投入運行數月來反饋良好。
圖:MAN供應Shams1電站的汽輪機
嚴勝德表示,光熱汽輪機要具備市場競爭力,其效率、可靠性和價格是重要的考量指標。光熱汽輪機的設計制造對于材料的選擇,制造的工藝都比傳統汽輪機要更高一些。因為其要適應光照資源導致的較多的負荷變化、啟停次數和啟停速度的要求。
MAN光熱汽輪機的優勢在于擁有極高的熱適應能力,停機時段溫度下降慢,可快速頻繁啟動。
對于國產汽輪機,有業內人士對CSPPLAZA記者表示,光熱汽輪機的特殊技術要求對國內各大廠商來說目前還存在不少的技術難題,雖然國產汽輪機在傳統火電領域已經具有與國際廠商相抗衡的實力,但在光熱汽輪機這一特殊產品領域還存在一定距離。但目前國內汽機廠對光熱汽輪機都在進行積極研發,并已取得了一系列的成果,相信未來國產光熱汽輪機可以以本土化優勢贏得本土光熱市場的競爭。