塔式光熱電站熔鹽吸熱器關(guān)鍵技術(shù)研究

董自春, 趙 煜, 趙 靜

中國船舶重工集團(tuán)公司 第七○三研究所 哈爾濱 150078

1 吸熱器概述

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示,主要由鏡場、吸熱與儲熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)三部分組成。通過鏡場實(shí)現(xiàn)對太陽的定時(shí)跟蹤,將太陽光反射到吸熱塔頂?shù)奈鼰崞魃?。吸熱器將高熱流密度的輻射能轉(zhuǎn)化為高溫傳熱流體的熱能。高溫傳熱流體在地面的蒸汽發(fā)生器中放熱,產(chǎn)生高壓過熱蒸汽,推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。剩余的熱量則儲存在高溫儲熱罐中,繼續(xù)在夜間放熱,以持續(xù)運(yùn)行發(fā)電。典型的熔鹽吸熱器外形如圖2所示[1-2]。熔鹽吸熱器位于吸熱塔最頂端,由管屏、內(nèi)部連接管道、空氣罐及空氣管道、支撐結(jié)構(gòu)體、平臺扶梯等組成。管屏數(shù)量一般為16、18、20等偶數(shù),管屏分片懸掛在支撐結(jié)構(gòu)體上,管屏上下的聯(lián)箱包在白色基底的保溫區(qū)域內(nèi)。通常情況下,對于處于北半球區(qū)域的塔式電站,溫度低的熔鹽進(jìn)口布置在吸熱器的南側(cè),因?yàn)槟蟼?cè)的熱流密度較低;溫度高的熔鹽出口布置在吸熱器的北側(cè),因?yàn)楸眰?cè)的熱流密度較高,這樣能減少輻射和對流換熱帶來的熱損失。與此同時(shí),熔鹽流程通常采用雙流程,以達(dá)到降低管道流動(dòng)阻力的目的。

圖1 塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

圖2 典型熔鹽吸熱器外形

2 塔式光熱電站發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計(jì)[3],世界范圍內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)行的10 MW及以上規(guī)模級塔式光熱電站見表1。

表1 10 MW及以上規(guī)模級塔式光熱電站

近期建設(shè)的發(fā)電功率為50 MW及以上的塔式光熱電站,大多配備了成熟的儲熱系統(tǒng)。截至2018年7月,全球正在建設(shè)中的大型塔式光熱電站項(xiàng)目見表2。

3 吸熱器研究進(jìn)展

3.1 國內(nèi)

東方鍋爐廠是國內(nèi)較早開展吸熱器設(shè)計(jì)與制造的廠商,擁有多項(xiàng)吸熱器方面的發(fā)明專利。2011年研制的1 MW腔式吸熱器應(yīng)用在中科院北京延慶光熱示范電站,采用強(qiáng)迫循環(huán)技術(shù),呈六棱形,腔式布置有預(yù)熱受熱面、蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面,汽包布置在吸熱器頂部。2016年,東方鍋爐廠相關(guān)光熱技術(shù)應(yīng)用在山西國金電廠350 MW煤電機(jī)組上,首次進(jìn)行了1 MW光煤互補(bǔ)示范。2017年,東方鍋爐廠獲得哈密熔鹽50 MW光熱發(fā)電項(xiàng)目聚光集熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器合同。

表2 在建大型塔式光熱電站

杭州鍋爐廠擁有中控德令哈10 MW發(fā)電功率水工質(zhì)吸熱器和熔鹽吸熱器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。2017年,獲得中控德令哈50 MW和中電建共和50 MW項(xiàng)目的熔鹽吸熱器訂單。

敦煌首航節(jié)能公司10 MW熔鹽塔式光熱電站采用自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的吸熱器,已于2016年并網(wǎng)發(fā)電。此外,在100 MW項(xiàng)目上也使用了自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的吸熱器,預(yù)計(jì)兩年內(nèi)投運(yùn)。

3.2 國外

美國Solar Reserve公司通過美國聯(lián)合技術(shù)公司旗下Pratt & Whitney Rocket dyne公司的獨(dú)家授權(quán),獲得了30年使用權(quán)限的熔鹽儲熱塔式光熱發(fā)電技術(shù),奠定了其在熔鹽塔式技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。Solar Reserve公司在Crescent Dune項(xiàng)目中使用的吸熱器是目前全球運(yùn)行中最大的熔鹽吸熱器,吸熱塔高度為195 m,吸熱器由14個(gè)面板組成,每個(gè)面板由66個(gè)薄壁管組成。

美國B&W公司在2008年開始塔式吸熱器的研發(fā)工作,2009年向eSolar交付了一臺熱功率為10 MW的小型吸熱器。B&W公司在我國的合資廠家北京巴威通過技術(shù)授權(quán),也參與了多個(gè)項(xiàng)目的投標(biāo)。B&W公司旗下的Riley Power公司為Ivanpah電站供應(yīng)三個(gè)水工質(zhì)吸熱器,且已經(jīng)商業(yè)運(yùn)行,這也是目前應(yīng)用的最大外置式吸熱器。

比利時(shí)CMI公司設(shè)計(jì)的腔式吸熱器,應(yīng)用在南非Khi Solar One項(xiàng)目50 MW塔式光熱發(fā)電站上,已于2016年2月投入商業(yè)運(yùn)行。該公司為Abengoa公司設(shè)計(jì)的100 MW熔鹽吸熱器,應(yīng)用在智利Atacamal項(xiàng)目上。

美國GE公司在收購了Alstom后,也擁有了熔鹽吸熱器的設(shè)計(jì)能力,產(chǎn)品已在以色列Ashalim1電站中安裝。

西班牙Sener公司同樣具有強(qiáng)大的吸熱器設(shè)計(jì)能力。全球首個(gè)24 h發(fā)電的光熱電站Gemasolar項(xiàng)目的熔鹽吸熱器就是由Sener公司和西班牙環(huán)境能源技術(shù)研究中心聯(lián)合開發(fā)的。此外,摩洛哥NoorⅢ電站采用了該公司的100 MW吸熱器。

丹麥Aalborg公司和法國Saint-Gobain公司在塔式吸熱器方面也有研究,并各有項(xiàng)目業(yè)績。西班牙20 MW的PS20塔式電站采用了Aalborg公司的腔式接收器,德國宇航中心的塔式實(shí)驗(yàn)電站采用了Saint-Gobain公司的腔式吸熱器。

4 熔鹽吸熱器關(guān)鍵技術(shù)

熔鹽吸熱器體積龐大,工作溫度高,對材料要求苛刻,因此其關(guān)鍵技術(shù)要求較高。熔鹽吸熱器的關(guān)鍵技術(shù)主要有四項(xiàng),以下分別進(jìn)行介紹。

4.1 全鏡場下吸熱器表面瞬時(shí)熱流分布

吸熱器接收來自定日鏡場的聚光輻射,其表面的瞬時(shí)熱流與太陽輻射情況、鏡場布置等影響聚光傳熱的因素密切相關(guān)。太陽光作為一種輻射傳播能量,其在吸熱器表面的聚光傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的光熱聚集、轉(zhuǎn)換及耦合傳熱過程。獲得吸熱器表面瞬時(shí)熱流分布是吸熱器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),著重解決吸熱器吸收多少熱量的問題,是設(shè)計(jì)的基本輸入條件,也是一個(gè)難點(diǎn)問題。目前國內(nèi)外開發(fā)的一些先進(jìn)聚光集熱系統(tǒng)分析軟件有UHC、DELSOL、HFLCAL、MIRVAL、HELIO、SOLTRACE等[4],其中通用性較好的軟件有HFLCAL和采用蒙特卡羅光線追蹤方法的SOLTRACE。HFLCAL軟件的計(jì)算模型由德國宇航中心提出,采用圓形高斯通量密度函數(shù)計(jì)算吸熱面上的熱流密度分布,其思路是先計(jì)算一面反射鏡的成像光斑在吸熱面上的熱流密度,然后將鏡場里所有鏡子形成的光斑疊加在吸熱面上,以此來計(jì)算熱流密度。

蒙特卡羅光線追蹤方法通過追蹤入射方向和反射方向上一定樣本數(shù)量的光線,由反射光線與吸熱器表面的交點(diǎn)及反射光線所攜帶的能量來確定吸熱器表面的熱流分布[5]。HFLCAL軟件的計(jì)算模型較為簡單,模擬精度沒有蒙特卡羅光線追蹤方法高,所以計(jì)算速度較快。采用蒙特卡羅光線追蹤方法,計(jì)算精度很高,但是計(jì)算需要較長時(shí)間[6-7]。相同模擬條件下,HFLCAL軟件計(jì)算模型的計(jì)算時(shí)間是蒙特卡羅光線追蹤方法的幾百分之一。

4.2 吸熱管材質(zhì)及抗腐蝕抗疲勞特性

吸熱管暴露在1 000 ℃以上的高溫光斑區(qū)域內(nèi),采用硝酸鹽系熔鹽工質(zhì)做導(dǎo)熱流體,在如此高溫下會分解,造成金屬管壁面腐蝕。另外,吸熱器在云層飄過時(shí),表面光斑迅速消失,瞬間的輻射熱流又降至極低,這些高溫波動(dòng)情況對吸熱管材質(zhì)提出了很高的要求。

目前國外吸熱管材質(zhì)采用美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)標(biāo)準(zhǔn)的特殊鎳基合金鋼Inconel625、Incoloy800H,或采用應(yīng)用于尖端航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的哈氏合金Haynes230。為降低材料成本,一些學(xué)者對替代材料做了抗腐蝕研究。段洋等[8]使用321SS、Inconel600和Incoloy825在530 ℃的60%NaNO3+40%KNO3二元熔鹽中,經(jīng)過3 000 h靜置試驗(yàn),得出三種材料的年腐蝕性厚度依次為7.29μm/a、3.04μm/a和2.4μm/a。Trent等[9]比較了316SS和347H兩種不銹鋼在600 ℃時(shí)在硝酸鹽中的腐蝕情況,通過線性擬合得出兩者的年腐蝕厚度分別為8.4μm/a和8.8μm/a。Kruizenga等[10]認(rèn)為347SS和321SS不銹鋼在400～500 ℃時(shí)呈現(xiàn)的是一種保護(hù)性的低腐蝕。數(shù)據(jù)表明,在去除熔鹽后的樣品上觀察到321SS不銹鋼傾向于線性氧化行為,500 ℃時(shí)在能量分散光譜掃描中觀察到明顯的鉻耗竭,600 ℃腐蝕層主要是氧化鐵,在外面有明顯的鈉鐵酸鹽。

國內(nèi)吸熱器廠家目前也采用了進(jìn)口的鎳基合金。另一方面,寶鋼特鋼與首航節(jié)能通過合作,于2018年3月研制成功SHBG-2難變形鎳基合金超場薄壁管,以替代進(jìn)口的Incoloy825材料。

抗疲勞特性也是吸熱管在高溫及環(huán)境突變情況下的特殊要求,吸熱管在交變應(yīng)力的作用下,經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)后最終因疲勞破壞而失效。

通過ASME code Case N47可計(jì)算出適應(yīng)427～760 ℃的吸熱管疲勞周期。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為,吸熱管軸向和周向的溫度梯度相比徑向溫度梯度要小很多,因此在三個(gè)方向上,吸熱管主要的熱應(yīng)力是由徑向熱流分布不均導(dǎo)致的。校對計(jì)算中,要求吸熱管最大熱應(yīng)力必須低于極限抗拉強(qiáng)度的40%～50%,這樣才能避免疲勞失效。

4.3 選擇性吸收涂層技術(shù)

吸熱器表面溫度高達(dá)650～750 ℃,在如此高溫下,既需要有較高的吸收率,又要求熱發(fā)射率低,這對黏附力強(qiáng)的耐高溫涂層要求極高。目前,大多數(shù)塔式吸熱器廠家使用了美國Tempil公司生產(chǎn)的Pyromark 2500系列高溫漆[12]。該涂層漆原用于航天器外層保護(hù)涂層,耐溫達(dá)1 250 ℃,是目前最好的高溫太陽吸收涂層漆之一。Maria等[13]研究了光熱電站吸熱器涂層Pyromark 2500光學(xué)性質(zhì)對熱效率的影響,認(rèn)為對使用熔鹽工質(zhì)的外置式吸熱器而言,在正常工作溫度下,吸收率對熱效率的影響較大,提高2%的吸收率能提高4%的熱效率,而發(fā)射率對熱效率的影響較小,如發(fā)射率從0.9降至0.5時(shí),熱效率僅增大0.6%。使用蒸汽工質(zhì)的腔式吸熱器,則對發(fā)射率較為敏感。Antoine等[14]通過均化發(fā)電成本計(jì)算,對Pyromark 2500、LSM和氧化鈷三種涂層的耐用年限和成本效率進(jìn)行了分析,得出Pyromark 2500具有明顯優(yōu)異的成本效率。國內(nèi)尚無替代進(jìn)口涂層的技術(shù)。有企業(yè)研制了一種參雜鉬和鈷的Ni-Cr尖晶石型氧化物作為高吸收層底層,并將Ni-Cr-Al2O3用作高透過低發(fā)射表層,得到選擇性吸收涂層,但尚無工程應(yīng)用實(shí)例。

4.4 熔鹽防凝固與快速疏鹽技術(shù)

為防止熔鹽泄漏,需要在可能發(fā)生熔鹽泄漏、濺射的地方,設(shè)置防止熔鹽濺射裝置,或設(shè)置防火墻、防爆墻等隔離裝置。針對熔鹽凝固,采用成熟、可靠的伴熱系統(tǒng),并設(shè)置快速疏鹽系統(tǒng),可以避免吸熱器系統(tǒng)在停機(jī)后重啟時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力。如果某處溫度過低,可使用輔助熱源。為防止熔鹽超溫,可采用多目標(biāo)點(diǎn)鏡場調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)吸熱器表面能量的低溢化與熱流均勻化,同時(shí)聯(lián)合應(yīng)用紅外熱像儀及壁溫測點(diǎn)對受熱壁面進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,防止管屏超溫。

5 結(jié)束語

筆者概述了塔式光熱電站使用的熔鹽吸熱器,列舉了國內(nèi)外已投入商業(yè)運(yùn)行和在建的塔式光熱電站項(xiàng)目。筆者同時(shí)對熔鹽吸熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹,分析了國內(nèi)外吸熱器廠家的技術(shù)成熟度,并歸納了吸熱器設(shè)計(jì)制造中的四項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。