青海鹽湖熱水工程太陽能集熱方案探析

張新萍，郭琳

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

青海鹽湖熱水工程太陽能集熱方案探析

張新萍，郭琳

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

青海鹽湖集團(tuán)藍(lán)科鋰業(yè)公司以開發(fā)碳酸鋰為主，因生產(chǎn)工藝優(yōu)化和改擴(kuò)建要求，需要全天熱水供給。根據(jù)太陽能熱發(fā)電技術(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)靥柲苜Y源條件以及氣象條件，經(jīng)過對太陽能集熱方案與傳統(tǒng)供熱方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，確定選用傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油的線性菲涅爾式太陽能集熱方案為工業(yè)項(xiàng)目供給熱水。太陽能集熱方案的應(yīng)用，可以減少燃煤消耗和二氧化碳排放，符合國家節(jié)能減排政策要求，為青海省節(jié)能減排工作起到示范作用。

太陽能集熱；線性菲涅爾式集熱方式；導(dǎo)熱油

我國是太陽能資源非常豐富的國家之一，青海是潛在的太陽能熱發(fā)電站候選地址，具有完備的太陽能熱發(fā)電站基礎(chǔ)條件。青海鹽湖鋰資源儲量非常豐富。青海鹽湖集團(tuán)藍(lán)科鋰業(yè)公司以開發(fā)碳酸鋰為主，因生產(chǎn)工藝優(yōu)化和改擴(kuò)建要求，全天24小時(shí)需要40℃熱水，流量為600 t/h?；趪夜?jié)能減排政策要求，必須大力發(fā)展清潔能源。本文對太陽能集熱供熱方案進(jìn)行探究和分析，以新的太陽能集熱裝置替代燃煤等傳統(tǒng)供熱設(shè)施，滿足工業(yè)供給熱水需求。

青海鹽湖藍(lán)科鋰業(yè)公司太陽能集熱加溫供水工程，位于青海西部格爾木市察爾汗鹽湖內(nèi)的藍(lán)科鋰業(yè)公司廠區(qū)，距西寧市710 km，距格爾木市約60 km。原水水源取自格爾木市市政管網(wǎng)，工程任務(wù)為供熱，無供暖、發(fā)電等其它需求。

1 集熱方案的選擇

由于工程所在地?zé)o天然氣管道敷設(shè)，氣源缺乏，加之天然氣成本較高，采用天然氣鍋爐，會大大增加生產(chǎn)成本。采用電鍋爐，對每天數(shù)億大卡的用熱規(guī)模來說，其運(yùn)行成本價(jià)格會更高。因此，天然氣及電鍋爐對本項(xiàng)目不適合。目前只有繼續(xù)擴(kuò)建傳統(tǒng)的燃煤鍋爐或者采取其它節(jié)能環(huán)保措施才能保項(xiàng)目生產(chǎn)所用熱水。

1.1 擴(kuò)建燃煤鍋爐

由于生產(chǎn)所需，項(xiàng)目現(xiàn)需要全年330天，全天24小時(shí)40℃熱水供給[1]，若采用傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供熱，則需建設(shè)2臺X29-1.6/150/90容量的熱水鍋爐，由于年供熱水時(shí)間330d，幾乎全年運(yùn)行，因而還需增設(shè)1臺備用鍋爐，以保證正常的工業(yè)用水量，假定鍋爐效率為90%，鍋爐燃料消耗量（標(biāo)準(zhǔn)煤）見表1。

表1 鍋爐燃料消耗量

1.2 太陽能集熱方案

項(xiàng)目地處太陽能資源最豐富區(qū)，太陽輻射強(qiáng)，日照小時(shí)數(shù)高。加上海拔高、空氣稀薄、大氣透明度好、陽光穿透力極強(qiáng)，具有極好的自然條件（地區(qū)年輻射量6908 MJ/m2，年日照數(shù)3103 h）；且當(dāng)?shù)氐貜V人稀，地勢平坦，土地資源十分豐富；項(xiàng)目所在地有大片未利用荒地可供使用。我國太陽能光熱技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已日趨成熟。尤其是中低溫集熱技術(shù)，既無技術(shù)難題，也無工藝障礙，完全可用于工程實(shí)際。國內(nèi)已有多個光熱發(fā)電項(xiàng)目及熱電聯(lián)供項(xiàng)目建成或正在建設(shè)。對本工程來說，生產(chǎn)僅80℃的熱水，現(xiàn)有的成熟技術(shù)完全可以保證工程需求。

1.3 方案對比分析

對于燃煤鍋爐加熱方案與太陽能集熱方案，從年耗煤量、用電負(fù)荷、人員配置、使用年限、總投資及年運(yùn)行成本等方面進(jìn)行比較，見表2。

從表2可以看出，太陽能集熱方案能夠充分利用當(dāng)?shù)厥重S富的太陽能資源和土地資源，利用光熱集熱技術(shù)，以清潔、無污染、無排放、可再生的太陽能作為主力熱源實(shí)現(xiàn)本工程的任務(wù)是經(jīng)濟(jì)可行的。

根據(jù)國家節(jié)能減排政策和項(xiàng)目要求，原有煤鍋爐已不能滿足長期生產(chǎn)需求的熱水量。太陽能集熱方案符合國家節(jié)能減排的相關(guān)政策。因此選用太陽能集熱方案。

2 太陽能集熱方式選擇

2.1 太陽能集熱方式比較

太陽能集熱方式有塔式、槽式、碟式以及線性菲涅爾式共四種。

（1）塔式：塔式方案對高溫工質(zhì)（主要用于發(fā)電）有利，適用于規(guī)?；l(fā)電。由于塔式光熱集熱為點(diǎn)聚焦，集熱器溫度高，用于本項(xiàng)目需多次熱交換，熱能損失大，綜合光熱轉(zhuǎn)換效率低。由于塔筒高度高、鏡場面積大、施工難度大、集熱場面積大，投資高，且運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。

（2）槽式：槽式方案采用槽型拋物面反射鏡，由于聚光比較低，集熱管管線較長，運(yùn)行難度較大、占地面積也較大、反射鏡清洗復(fù)雜。由于本項(xiàng)目地春冬季風(fēng)沙大，而拋物面反射鏡抗風(fēng)能力差。

（3）碟式：碟式方案通過旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡將太陽光聚集到焦點(diǎn)上的集熱器集熱，由于是點(diǎn)聚焦，聚光比比較大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較大；碟式光熱集熱方案只適用于分布式小型集熱；抗風(fēng)不宜解決，運(yùn)行管理復(fù)雜。

（4）線性菲涅爾式：線性菲涅爾式方案是一種利用線性菲涅爾式反射聚光集熱器，將太陽能收集，產(chǎn)生所需熱的技術(shù)。工作原理類似槽式，只是采用線性菲涅爾結(jié)構(gòu)的聚光鏡陣列替代拋物面反射鏡作為一次反射鏡。反射鏡將太陽光聚焦到二次雙拋物面反射鏡，在反射鏡焦線上安裝管狀集熱器，以吸收聚焦后的太陽輻射能。此方案結(jié)構(gòu)更為簡單，反射鏡面靠近地面放置，反射鏡為平面鏡，具有占地面積小、抗風(fēng)能力強(qiáng)、施工難度低、投資成本低、運(yùn)行可靠、維護(hù)保養(yǎng)方便等突出優(yōu)勢。

2.2 太陽能集熱方案選擇

根據(jù)項(xiàng)目所在地氣象條件，選用線性菲涅爾式集熱方案。原因如下：

（1）全年大風(fēng)以西風(fēng)、西偏南風(fēng)為主，年平均最大風(fēng)速21.2 m/s。槽式電站聚光系統(tǒng)抗風(fēng)性能差。線性菲涅爾系統(tǒng)一次反射鏡離地僅1 m左右，頂部二次聚光器截面積小，受風(fēng)速影響小。

（2）地質(zhì)條件承載能力較差，其它方案將增加基礎(chǔ)費(fèi)用。

（3）線性菲涅爾系統(tǒng)具有二次反射鏡，可有效抵消由于跟蹤誤差造成的系統(tǒng)效率損失。

經(jīng)過對以上4種集熱方式進(jìn)行比較，結(jié)合鹽湖地區(qū)具有風(fēng)沙大、干旱、少雨及特殊地質(zhì)條件特點(diǎn)，采用線性菲涅爾式集熱方式是合適的。

3 傳熱介質(zhì)選擇

太陽能典型的傳熱介質(zhì)有導(dǎo)熱油、水及熔鹽三種[2]。

（1）導(dǎo)熱油：真空集熱管中用導(dǎo)熱油做介質(zhì)，該技術(shù)具有最長的市場運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，美國加州太陽能發(fā)電系統(tǒng)（SEGS）電廠從上世紀(jì)80年代起，已經(jīng)運(yùn)行20多年，目前運(yùn)行良好。該技術(shù)也稱作“HTF”（導(dǎo)熱油）技術(shù)。目前有90%的已建、新建商業(yè)電廠的管道均采用該技術(shù)。

（2）水：真空集熱管中用水做介質(zhì)的技術(shù)，較導(dǎo)熱油技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：①導(dǎo)熱油系統(tǒng)有400℃的最高溫度限制，直接蒸汽系統(tǒng)（DSG）的最大溫度可超過400℃，提高了蒸汽的參數(shù)，進(jìn)而可提高換熱效率同時(shí)也取消了輔助熱油系統(tǒng)。②減少了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。③降低了熱油引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（火災(zāi)和泄漏）。

缺點(diǎn)在于：①因運(yùn)行壓力高，必須配備液壓元件，成本會增加。②由于真空集熱管內(nèi)的雙相流及水汽熱動力特性，控制系統(tǒng)更復(fù)雜、造價(jià)更高。③晝夜溫差大，容易造成結(jié)凍導(dǎo)致管路堵塞，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。④水質(zhì)條件較差，鈣鎂離子含量高，易結(jié)垢。會影響集熱效率，清洗頻率提高，成本增加。⑤目前沒有采用該技術(shù)的商業(yè)運(yùn)營模式。

（3）熔鹽：真空集熱管中用熔鹽做介質(zhì)，該技術(shù)基本上是ENEA（意大利政府能源研發(fā)中心）的專項(xiàng)研發(fā)產(chǎn)品。在開發(fā)完成所有的專業(yè)性元件（集熱器架、鏡板、接收器等）后，在ENEA位于羅馬（意大利）附近Casaccia的實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)回路的運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是熔鹽液體的黏度小、導(dǎo)熱性好、常壓下是液態(tài)、不易燃燒和儲熱量大，缺點(diǎn)是：凝固點(diǎn)太高，一般為90℃~230℃，必須對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保溫和伴熱，成本會增加很多。

表2 熱源方案比較表

目前已運(yùn)行傳熱介質(zhì)有很多種，但技術(shù)最為成熟、商業(yè)化最廣、經(jīng)歷時(shí)間最長的是導(dǎo)熱油技術(shù)。因此本項(xiàng)目采用導(dǎo)熱油作傳熱介質(zhì)。

4 系統(tǒng)方案

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，選用線性菲涅爾式集熱方案作為熱源，以導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì)。設(shè)2000 m3調(diào)節(jié)水罐一個，將原水引至調(diào)節(jié)水罐，利用2臺變頻水泵（一用一備）以600 m3/h的流量輸送至油水換熱器，導(dǎo)熱油作為傳熱工質(zhì)，在導(dǎo)熱油循環(huán)泵的作用下，經(jīng)集熱場將導(dǎo)熱油加熱至260℃左右后，進(jìn)入換熱器，加熱原水至80℃。再通過管路輸送到現(xiàn)場兩座3000 m3的熱水罐中，經(jīng)熱水泵輸送至藍(lán)科鋰業(yè)廠區(qū)，由電動閥門與原水混合至40℃，滿足24 h的14400 m3用量。

工程采用太陽能集熱方案，采用白天供熱+蓄熱模式。方案為白天滿負(fù)荷運(yùn)行，將多余熱水儲存起來，夜晚用白天儲存的熱水進(jìn)行生產(chǎn)供給。

5 結(jié)語

目前鑒于環(huán)保方面的壓力，國家對燃煤鍋爐的使用和建設(shè)進(jìn)行了嚴(yán)格的管控，這也為太陽能熱利用技術(shù)提供了新的市場突破口。本工程采用太陽能集熱方案，集熱面積超過10萬m2，集熱廠總功率超過40MW，總投資1.2億元。年產(chǎn)熱水432萬t以上，基本滿足藍(lán)科鋰業(yè)公司1萬t碳酸鋰生產(chǎn)對熱水的需求，替代其現(xiàn)有及將新建的65噸級燃煤鍋爐，每年可降低煤耗約6萬t，減排二氧化碳15萬t，該項(xiàng)目成為我國甚至全球最大的線性菲涅爾太陽能集熱供熱站，也是首個將太陽能集熱技術(shù)應(yīng)用于大工業(yè)供熱的項(xiàng)目。為青海甚至中國太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展起到良好的示范。為青海省節(jié)能減排工作起到示范。

[1]陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院編制.青海鹽湖佛照藍(lán)科鋰業(yè)股份有限公司太陽能集熱加溫供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]，2015.7

[2]黃素逸、黃樹紅等編著.太陽能熱發(fā)電原理及技術(shù)[R].中國電力出版社，2012.8

TU822

B

1673-9000（2017）03-0152-03

2017-02-07

張新萍（1965-），女，陜西涇陽人，高級工程師，主要從事水力水電工程設(shè)計(jì)工作。