太陽(yáng)能光熱電站電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今,對(duì)充當(dāng)傳熱介質(zhì)的材料進(jìn)行了多種嘗試,包括水和蒸汽、空氣、液態(tài)金屬、導(dǎo)熱油及熔鹽等。熔鹽具有較高的使用溫度、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對(duì)流傳熱系數(shù)、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價(jià)格等“四高三低”的優(yōu)勢(shì),成為目前光熱發(fā)電領(lǐng)域中認(rèn)可度最高的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)之一。

由于槽式及塔式太陽(yáng)能光熱電站的運(yùn)行特點(diǎn),集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的主要傳熱工質(zhì)(導(dǎo)熱油和熔鹽)管道、設(shè)備不同程度上面臨著凍堵的風(fēng)險(xiǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外光熱發(fā)電領(lǐng)域工程公司普遍采用電伴熱方式對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱及保溫。為保證太陽(yáng)能光熱電站運(yùn)行的可靠性,必須認(rèn)真對(duì)待電伴熱系統(tǒng)的選型、設(shè)計(jì)及安裝。本文從設(shè)計(jì)咨詢方的角度對(duì)太陽(yáng)能光熱電站的電伴熱運(yùn)行工況進(jìn)行了分析,并在電伴熱系統(tǒng)的材料選型、設(shè)計(jì)思路以及現(xiàn)場(chǎng)安裝等方面提出了建議。

1 電伴熱系統(tǒng)應(yīng)用情況概述

在太陽(yáng)能光熱電站的總體規(guī)劃中,電伴熱系統(tǒng)雖然不是前期設(shè)計(jì)工作關(guān)注的重點(diǎn),卻是集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵配套系統(tǒng),可以避免因工質(zhì)凍堵而造成重大損失。國(guó)外已投運(yùn)和在建的太陽(yáng)能光熱電站,如美國(guó)Solana (槽式)、西班牙Andasol (槽式)、摩洛哥NOOR I&Ⅱ(槽式 )及 NOOR Ⅲ (塔式 )、智利 Atacama I (塔式 )、南非Xina Solar One (槽式)、美國(guó)TONOPAH (塔式)等工程,其集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)備及管道均采用電伴熱系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱和溫度維持。電伴熱帶在各工程中的用量約為20 (槽式)～55(塔式)km,合同額在300萬(wàn)～600萬(wàn)美元之間,電伴熱系統(tǒng)的安裝周期約在16～45周之間。由于電伴熱系統(tǒng)應(yīng)用效果依賴于高水平的工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量、安裝細(xì)節(jié)以及調(diào)試經(jīng)驗(yàn),多數(shù)光熱電站業(yè)主都采用“交鑰匙”工程模式,由電伴熱產(chǎn)品供應(yīng)商提供詳細(xì)設(shè)計(jì)、供貨、安裝、調(diào)試等一系列專業(yè)服務(wù)。

目前,我國(guó)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)處于起步階段,許多工程公司以及設(shè)計(jì)單位都缺少實(shí)際項(xiàng)目操作經(jīng)驗(yàn),不同技術(shù)路線的光熱電站對(duì)電伴熱的需求也會(huì)明顯不同。首先,為滿足不同項(xiàng)目的實(shí)際需求,相應(yīng)配置的電伴熱方案在總投資成本上會(huì)差別較大。其次,用電成本過高的問題不容忽視,一個(gè)光熱電站廠用電的比例約在10%左右,其中電伴熱就占去了2%～3%。最后,電伴熱產(chǎn)品質(zhì)量及壽命、現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝對(duì)于能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,需要多個(gè)工程的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)。

2 電伴熱的運(yùn)行工況

2.1 主要工質(zhì)參數(shù)

2.1.1 導(dǎo)熱油

在槽式光熱發(fā)電項(xiàng)目中,多選用高溫油VP－1作集熱工質(zhì)。高溫油VP－1是73.5%二苯醚和26.5%的聯(lián)苯的共晶混合物,其熱物理性質(zhì)見表1。

表1 高溫油VP－1熱物理性質(zhì)

高溫油VP－1作集熱工質(zhì)主要存在以下問題：

(1)凝固點(diǎn)溫度較高：為了防止凝結(jié),要求在管線中配置輔助加熱系統(tǒng)。

(2)高溫下存在安全風(fēng)險(xiǎn)：VP－1運(yùn)行在高于其沸騰溫度時(shí),需要用氮、氬或其他惰性氣體加壓,避免高壓高溫油霧與空氣形成爆炸性混合物。

(3)制約熱力循環(huán)效率：VP－1的工作溫度不得超過395℃,以VP－1作集熱工質(zhì),熱力循環(huán)初始溫度較低,制約了汽輪發(fā)電機(jī)組的熱效率。

2.1.2 熔鹽

太陽(yáng)能光熱電站常見的熔鹽品種有二元鹽(40% KNO3+ 60%NaNO3)、三元鹽(53%KNO3+7%NaNO3+ 40%NaNO2)和低熔點(diǎn)熔鹽產(chǎn)品等。二元鹽熱物理性質(zhì)見表2,三元鹽熱物理性質(zhì)見表3。

當(dāng)熔鹽主要作為儲(chǔ)熱工質(zhì)應(yīng)用在槽式及塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目中,安全溫度約為270℃,其中槽式儲(chǔ)熱最高工作溫度約為390℃,塔式儲(chǔ)熱最高工作溫度約為565℃。

表2 二元鹽熱物理性質(zhì)

表3 三元鹽熱物理性質(zhì)

2.2 主要運(yùn)行工況

太陽(yáng)能光熱電站設(shè)置電伴熱系統(tǒng),主要用于熔鹽介質(zhì)空管預(yù)熱、熔鹽介質(zhì)設(shè)備及管道防凝、導(dǎo)熱油系統(tǒng)泵、閥門、管道集中區(qū)域等的溫度維持工況,以及極端氣候和設(shè)備故障等情況下保證設(shè)備安全和系統(tǒng)正常運(yùn)行。太陽(yáng)能光熱電站熔鹽管道、設(shè)備電伴熱的主要工況有兩種：(1)預(yù)熱空載熔鹽管道,升溫至熔鹽安全工作溫度區(qū)間(290～550℃),稱為預(yù)熱功能；(2)維持熔鹽管道溫度位于熔鹽安全工作溫度區(qū)間(約275℃以上),稱為伴熱功能。

2.2.1 預(yù)熱功能

熔鹽管道預(yù)熱是在機(jī)組運(yùn)行初期,儲(chǔ)熱系統(tǒng)熔鹽管道充鹽前,需要對(duì)熔鹽管道、設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱,使管道溫度升高至熔鹽安全工作溫度,即在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)管道、設(shè)備內(nèi)空氣和保溫材料預(yù)熱。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)和商業(yè)用電阻式伴熱系統(tǒng)第2部分：系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝和維護(hù)應(yīng)用指南》(GB/T 32348.2－2015)4.3.6節(jié)中的傳熱學(xué)公式可以計(jì)算出升溫時(shí)間,此處不再進(jìn)行詳細(xì)說明。

對(duì)預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)的需求不同直接影響了電伴熱的投資,在整個(gè)電站壽命周期內(nèi),需要預(yù)熱的次數(shù)較少,多花些時(shí)間完成預(yù)熱雖然拖慢了啟動(dòng)速度,但在電伴熱的投資成本上會(huì)有顯著下降。同時(shí),伴熱帶鋪設(shè)得越多越密,施工難度也將大大增加。

2.2.2 伴熱功能

對(duì)充滿熔鹽的管道要保證其管道溫度不得低于熔鹽安全工作區(qū)間,當(dāng)溫度低于系統(tǒng)設(shè)定的安全值時(shí),系統(tǒng)需啟動(dòng)對(duì)熔鹽管道、熔鹽及管道保溫材質(zhì)進(jìn)行加熱。電伴熱主要用來補(bǔ)償設(shè)備及管道因外界環(huán)境引起的熱損失,該損失由于保溫層得以減少而不是消除。采用GB/T 32348.2－2015標(biāo)準(zhǔn)4.3.4節(jié)中的傳熱學(xué)公式可以計(jì)算出伴熱功率值,此處不再進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.2.3 安全系數(shù)

上述兩種功率值(預(yù)熱和伴熱),以電伴熱功率為主,核算預(yù)熱時(shí)間。由于理論熱損失計(jì)算未考慮實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)安裝的缺陷造成的偏差,計(jì)算當(dāng)中要考慮安全系數(shù)。這個(gè)安全系數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的工況需求去設(shè)定,熱損失通常要增加10%～25%。

3 電伴熱系統(tǒng)介紹

3.1 電伴熱帶

電伴熱行業(yè)能滿足較高維持溫度和暴露溫度要求的產(chǎn)品主要是恒功率伴熱帶“金屬護(hù)套礦物絕緣MI (Mineral Insulated)伴熱線”,見圖1。

圖1 金屬護(hù)套礦物絕緣MI伴熱線

目前,主流進(jìn)口電伴熱品牌的金屬護(hù)套礦物絕緣MI伴熱線均可滿足以下要求：

(1)高功率輸出：最高提供82 W/ft(269 W/m)的輸出功率,可將溫度最高保持在1022°F(550℃ )。

(2)高暴露溫度：最高暴露溫度為1200°F(650℃),提供SS321和Inconel 825合金等護(hù)套選擇。

(3)耐環(huán)境腐蝕能力較強(qiáng)。

(4)機(jī)械強(qiáng)度較高。

(5)可以用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

存在的缺點(diǎn)主要包括：(1)每個(gè)電伴熱回路都需要預(yù)先設(shè)計(jì),工廠制作；(2)安裝要求嚴(yán)格,伴熱線不允許交叉敷設(shè)。

3.2 電伴熱附件

太陽(yáng)能光熱電站高溫熔鹽管道整套電伴熱系統(tǒng)包括：電源接線盒、電子溫控器、供電電纜、不銹鋼金屬網(wǎng)、電伴熱控制、監(jiān)測(cè)及配電系統(tǒng)等。電伴熱系統(tǒng)內(nèi)所有的電氣設(shè)備可根據(jù)布置區(qū)域選擇相應(yīng)隔爆等級(jí)的產(chǎn)品。

3.2.1 電源接線盒

電源接線盒用于連接供電電纜和伴熱線,應(yīng)盡量布置在人行步道和操作平臺(tái)附近,以方便安裝、檢查和維護(hù),見圖2。

圖2 電伴熱電源接線盒

3.2.2 電子溫控器

電子式表面感應(yīng)溫控器為伴熱線提供精確的溫度控制。為保證測(cè)量的可靠性,每個(gè)電伴熱回路應(yīng)設(shè)置2只溫度傳感器或電子溫控器。

3.2.3 不銹鋼金屬網(wǎng)

在做管道和設(shè)備的外保溫之前,所有電伴熱線都應(yīng)使用不銹鋼金屬箔或金屬網(wǎng)覆蓋(見圖3),目的是保證伴熱線沿管道和設(shè)備緊貼敷設(shè)以及溫度傳導(dǎo)均勻,特別是避免伴熱線嵌入保溫層內(nèi)。

圖3 閥體的電伴熱線覆蓋不銹鋼金屬網(wǎng)

3.2.4 電伴熱控制、檢測(cè)及配電系統(tǒng)

電伴熱控制、檢測(cè)及配電系統(tǒng)擁有多個(gè)部件包括小型可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、觸摸屏、固態(tài)繼電器、隔離開關(guān)等,滿足從單一溫度檢測(cè)到接地故障、電壓及電流測(cè)量的需求,并且將電伴熱回路的運(yùn)行狀況等重要信息通過工業(yè)以太網(wǎng)從現(xiàn)場(chǎng)傳遞到分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)。

4 電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

4.1 初步設(shè)計(jì)階段

在初步設(shè)計(jì)階段,總體工程的設(shè)計(jì)咨詢方應(yīng)根據(jù)工藝專業(yè)的系統(tǒng)流程圖、管道布置圖等資料,確定需要電伴熱的管道、設(shè)備等系統(tǒng),以清單的型式詳細(xì)統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)。以下表4中工藝系統(tǒng)及電氣參數(shù)將作為產(chǎn)品招標(biāo)時(shí)電伴熱供應(yīng)商的設(shè)計(jì)輸入條件：

保溫層通常被設(shè)計(jì)用于防止伴熱系統(tǒng)在補(bǔ)充熱量過程中的大部分熱量流失。因此,保溫材料的選型和安裝直接影響到電伴熱系統(tǒng)的整體性能[7]。有實(shí)際應(yīng)用業(yè)績(jī)的電伴熱供應(yīng)商建議：如果投資和實(shí)際應(yīng)用效果達(dá)到平衡狀態(tài),冷態(tài)啟動(dòng)熔鹽系統(tǒng)的預(yù)熱時(shí)間至少應(yīng)為24 h。如果預(yù)熱時(shí)間要求縮短為12 h,電伴熱投資將有較大的增幅。

表4 設(shè)計(jì)輸入條件

為了保證電伴熱系統(tǒng)招標(biāo)的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)咨詢方在初步設(shè)計(jì)中應(yīng)規(guī)劃需要冗余配置電伴熱的設(shè)備、各控制柜及配電柜的布置位置、供電電源等設(shè)計(jì)?？紤]到電伴熱功率計(jì)算誤差、電壓降低、熱量損失等情況,建議電伴熱帶最小設(shè)計(jì)安全系數(shù)(安裝功率/理論功率)為1.5。

4.2 產(chǎn)品招標(biāo)階段

設(shè)計(jì)咨詢方在招標(biāo)前應(yīng)為工藝系統(tǒng)中不同的伴熱需求確定滿足條件的伴熱帶類型,如自調(diào)控伴熱帶、礦物絕緣伴熱帶等。伴熱線外護(hù)套選型的最大可承受溫度要大于最高可能發(fā)熱的溫度(可能大于正常的工作溫度),并且應(yīng)能保證在規(guī)定的環(huán)境下安全穩(wěn)定運(yùn)行,如低溫或爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域。某些大型閥門的供應(yīng)商為其閥門提供獨(dú)立的電伴熱系統(tǒng)(包括電伴熱線、接線盒、電子溫控器及外保溫材料),而絕大多數(shù)與管道直徑相近的閥門需要和管道一同進(jìn)行電伴熱,這些都需要在電伴熱系統(tǒng)招標(biāo)前進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。

供應(yīng)商應(yīng)提供電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步要求,包括基本的熱損耗(負(fù)載)、電氣控制和檢測(cè)設(shè)備的安裝說明,以及大的復(fù)雜工業(yè)設(shè)施的電伴熱系統(tǒng)布置圖等。每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)都需要單獨(dú)進(jìn)行,系統(tǒng)最終需要對(duì)各部件作一個(gè)整體綜合的評(píng)估。這通常是用理論公式計(jì)算,然后根據(jù)電伴熱供應(yīng)商以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出必要的調(diào)整。

為了保證電伴熱系統(tǒng)最終運(yùn)行的可靠性,建議電伴熱供應(yīng)商不僅應(yīng)負(fù)責(zé)提供所有的產(chǎn)品及附件,還應(yīng)負(fù)責(zé)詳細(xì)設(shè)計(jì)、文件編制、工廠測(cè)試、安裝指導(dǎo)、試運(yùn)、調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)等工作。如果業(yè)主采取“交鑰匙”工程模式,供應(yīng)商還應(yīng)提供專業(yè)的安裝服務(wù)。設(shè)計(jì)咨詢方作為工程總體設(shè)計(jì)和業(yè)主顧問,應(yīng)全程跟蹤配合供應(yīng)商的各項(xiàng)工作,并且負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)計(jì)成品及文件進(jìn)行審查。電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求應(yīng)該符合IEC國(guó)際電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)考慮電伴熱系統(tǒng)的維護(hù)以保證系統(tǒng)的能源效率和例行試驗(yàn)的安全性和正確操作。電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝人員,應(yīng)接受過所需專業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)。

4.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,電伴熱供應(yīng)商應(yīng)根據(jù)最終工藝系統(tǒng)及電氣參數(shù)完成電伴熱系統(tǒng)的施工詳圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)該描述具體的物理位置、配置和相關(guān)數(shù)據(jù)、以及相關(guān)的管道系統(tǒng)。圖紙或者設(shè)計(jì)資料應(yīng)該包括表5中的這些信息。

表5 圖紙或設(shè)計(jì)資料的信息

管道及容器上的每套儀表(例如超聲波流量計(jì)、雷達(dá)物位計(jì)等)應(yīng)根據(jù)儀表供應(yīng)商的要求,獨(dú)立設(shè)計(jì)電伴熱回路。所選控制器、溫控器、傳感器及相關(guān)裝置應(yīng)滿足工作溫度、IP等級(jí)以及當(dāng)?shù)睾蛧?guó)家法規(guī)等整體系統(tǒng)方面的要求。

電氣設(shè)計(jì)方面：電伴熱系統(tǒng)的總電源應(yīng)來自兩路互為備用的AC 380 V / 220 V(三相四線制)。電伴熱控制裝置需要額外提供一路UPS AC 220 V電源。電流保護(hù)裝置的級(jí)別和特性應(yīng)該適合于伴熱帶在低溫條件下啟動(dòng)的情況。電伴熱供應(yīng)商應(yīng)在說明書中給出低溫環(huán)境下啟動(dòng)的詳細(xì)說明和建議。

控制和檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面：電伴熱控制、檢測(cè)及配電系統(tǒng)允許本地(現(xiàn)場(chǎng))或遠(yuǎn)程(DCS)操作,可以按照運(yùn)行及維護(hù)人員的設(shè)定,通過就地控制配電箱內(nèi)PLC等電器元件完成數(shù)據(jù)記錄、事件規(guī)劃、規(guī)則處理、連鎖、報(bào)警等操作,避免當(dāng)PLC與DCS之間通訊出現(xiàn)故障時(shí),電伴熱系統(tǒng)出現(xiàn)大面積癱瘓的情況。電伴熱回路監(jiān)控PLC與DCS之間采用冗余的通訊方式,實(shí)現(xiàn)伴熱系統(tǒng)的集中監(jiān)視,DCS組態(tài)畫面應(yīng)由電伴熱供應(yīng)商配合完成。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)安裝注意事項(xiàng)主要包括以下六個(gè)方面：

(1)參與電伴熱系統(tǒng)的安裝和測(cè)試的人員應(yīng)接受適當(dāng)?shù)奶厥饧夹g(shù)培訓(xùn)。安裝應(yīng)在受過電伴熱系統(tǒng)培訓(xùn)的工程師監(jiān)督下實(shí)施。只有受過專門訓(xùn)練的人員才能實(shí)施關(guān)鍵的工作,例如連接部分和終端的安裝。

(2)電伴熱系統(tǒng)的安裝應(yīng)該在所有的管道和設(shè)備都通過壓力檢測(cè),以及所有相關(guān)的儀表已經(jīng)完成安裝后才能開始。應(yīng)用于加熱表面的所有涂料和表面材料應(yīng)該符合設(shè)計(jì)要求。

(3)為了確保安裝工作完成日期,電伴熱系統(tǒng)的安裝應(yīng)該是與管道、保溫層和儀表的安裝工作相協(xié)調(diào)。保溫材料的安裝應(yīng)在電伴熱系統(tǒng)完成全部安裝和測(cè)試之后才能進(jìn)行。

(4)冗余/備用電伴熱帶可以在故障情況下保證電伴熱系統(tǒng)的可靠性。冗余/備用電伴熱帶和傳感器的電線可以暫時(shí)不被接線,但必須已安裝并準(zhǔn)備好連接。

(5)應(yīng)將電伴熱電源接線盒和電源接頭安裝在遠(yuǎn)離管道/容器的位置,以及盡量避免接頭暴露在高溫環(huán)境中,以便于維護(hù)檢修。

(6)有實(shí)際應(yīng)用業(yè)績(jī)的電伴熱供應(yīng)商建議：在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域,電伴熱設(shè)計(jì)的維持溫度應(yīng)該低于介質(zhì)的最高設(shè)計(jì)溫度。電伴熱產(chǎn)品的危險(xiǎn)區(qū)域隔爆認(rèn)證應(yīng)滿足國(guó)際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(ATEX、IECEx、CSA、CSAus、TSTR 等 )。

5 結(jié)語(yǔ)

在太陽(yáng)能光熱電站工程中,電伴熱是集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵配套系統(tǒng)。電伴熱系統(tǒng)運(yùn)用精確優(yōu)化的設(shè)計(jì),通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能,補(bǔ)償管道和設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境的熱損失,用來防止管道和設(shè)備內(nèi)的熔鹽、導(dǎo)熱油等傳熱工質(zhì)的凝固結(jié)晶,以及0℃時(shí)的水工質(zhì)防凍保護(hù),以保障其工藝系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)性,同時(shí),電伴熱系統(tǒng)還用于機(jī)組啟動(dòng)階段預(yù)熱工藝管道和設(shè)備。設(shè)計(jì)完善、產(chǎn)品可靠、安裝嚴(yán)格的電伴熱系統(tǒng),不僅可以使光熱電站的集熱和儲(chǔ)能過程更加安全、平穩(wěn),還可以避免因工質(zhì)凍堵而造成重大損失。