塔式光熱電站調(diào)溫泵應(yīng)用與探討

全明福 王曉兵

摘 要：通過對(duì)國(guó)內(nèi)塔式光熱運(yùn)營(yíng)電站調(diào)溫泵、疏鹽泵設(shè)計(jì)工藝應(yīng)用的對(duì)比，從塔式光熱電站工藝、成本方面及后期維護(hù)成本進(jìn)行分析，提出在光熱電站中疏鹽泵可以代替調(diào)溫泵。

關(guān)鍵詞：塔式太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù);調(diào)溫泵;疏鹽泵;新能源

【中圖分類號(hào)】TM615 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是大規(guī)模開發(fā)利用太陽(yáng)能的一個(gè)重要技術(shù)途徑，目前國(guó)內(nèi)光熱電站50MW以上并投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的有7家，其中塔式運(yùn)營(yíng)的是5家。其中只有一家企業(yè)未采用調(diào)溫泵，其功能由疏鹽泵來代替。調(diào)溫泵是儲(chǔ)熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用主要是在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)逐漸提升進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的熔鹽溫度;在汽輪機(jī)停運(yùn)時(shí)期，輸送小流量的低溫熔鹽（約290℃）至蒸汽發(fā)生器，防止系統(tǒng)中局部熔鹽溫度繼續(xù)降低，并產(chǎn)生輔助蒸汽。

1塔式光熱發(fā)電技術(shù)概述

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由以下三部分組成：由若干個(gè)定日鏡和位于塔頂?shù)奈鼰崞鳂?gòu)成的聚光集熱系統(tǒng);熔鹽罐（冷/熱）、冷鹽泵、熱鹽泵、調(diào)溫泵和蒸汽發(fā)生器組成的儲(chǔ)換熱系統(tǒng);汽輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備組成的發(fā)電系統(tǒng)，與火力發(fā)電廠的汽輪機(jī)發(fā)電原理一樣，通過飽和蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)作為原動(dòng)力，帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

定日鏡場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤，將太陽(yáng)光反射到吸熱器表面。冷鹽罐中的傳熱流體通過冷鹽泵輸送至位于高塔上的吸熱器，吸收由定日鏡反射來的熱量，升溫至約565℃。高溫熔鹽通過管道輸送至熱鹽罐，再通過熱鹽泵輸送至蒸汽發(fā)生器加熱給水，產(chǎn)生約540℃的超高壓過熱蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)配置再熱器，匹配汽輪機(jī)以提高機(jī)組循環(huán)效率;由于光熱機(jī)組大多布置缺水的西北地區(qū)，因此配置空冷式凝結(jié)器和機(jī)力式輔機(jī)冷卻塔，還可節(jié)約大量水資源。

2 塔式光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

光熱發(fā)電技術(shù)是大規(guī)模開發(fā)利用太陽(yáng)能的一種重要技術(shù)途徑，光熱發(fā)電技術(shù)通過白天蓄熱發(fā)電，在光伏、風(fēng)力發(fā)電低谷期，以儲(chǔ)熱發(fā)電作為重要補(bǔ)充，來調(diào)節(jié)電力輸出平衡，有效改善風(fēng)電和光伏不穩(wěn)定，彌補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行不靈活性，提升整體電網(wǎng)穩(wěn)定性，將對(duì)我國(guó)光熱技術(shù)推廣應(yīng)用起到積極作用。雖然我國(guó)塔式光熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用，但在技術(shù)的改良與推廣上也有很多問題。因此，研究塔式光熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，推進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

對(duì)于目前塔式光熱電站而言，優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)集成，改善傳熱介質(zhì)，采用大規(guī)模儲(chǔ)熱，提高系統(tǒng)規(guī)模等，是提高發(fā)電系統(tǒng)效率、節(jié)約成本的途徑之一，也是未來的發(fā)展方向。

在隨著儲(chǔ)熱技術(shù)的成熟、成本下降等原因，光熱可與天然氣、風(fēng)電、生物質(zhì)等多種能源聯(lián)合發(fā)電，也將成為一種廣泛應(yīng)用的發(fā)電方式。

3儲(chǔ)熱系統(tǒng)及技術(shù)分析

3.1 儲(chǔ)熱系統(tǒng)作用

光熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)是為了應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能資源的不穩(wěn)定、不連續(xù)以及受環(huán)境影響大的缺陷而設(shè)計(jì)的，儲(chǔ)熱系統(tǒng)由冷鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)和熱鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)組成，配備儲(chǔ)熱系統(tǒng)的塔式光熱發(fā)電更加穩(wěn)定，可應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的日常供電。儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聚光集熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的解耦運(yùn)行，并能在暫態(tài)天氣變化時(shí)，緩沖DNI變化對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽流量計(jì)參數(shù)的影響;提高電網(wǎng)調(diào)度需求的適應(yīng)能力或錯(cuò)峰運(yùn)行能力。

儲(chǔ)熱系統(tǒng)用于存儲(chǔ)熔鹽，主要設(shè)備包括：冷鹽罐、熱鹽罐、冷鹽泵、熱鹽泵、調(diào)溫泵等。其中冷鹽泵、調(diào)溫泵位于冷鹽罐中，將低溫熔鹽打入吸熱器，吸收太陽(yáng)能溫度升高后，返回?zé)猁}罐。熱鹽泵位于熱罐中，將高溫熔鹽泵入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與水/蒸汽換熱產(chǎn)生過熱蒸汽。

3.2儲(chǔ)熱介質(zhì)需求計(jì)算

塔式光熱電站發(fā)電的儲(chǔ)熱容量通常以儲(chǔ)熱時(shí)間為多少小時(shí)來描述。如果設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱運(yùn)行時(shí)間為t小時(shí)，機(jī)組的額定熱耗為Q0（kJ/h），則系統(tǒng)運(yùn)行t小時(shí)需要的總熱量為Qth，tes=Q0t（kJ）。如果將液相比熱和溫度的關(guān)系在熔鹽工作溫度范圍內(nèi)近似看作線性，那么單位質(zhì)量熔鹽溫升ΔT吸收的熱量為q=CpΔT。

若儲(chǔ)存Qth，tes的熱量，需要的熔鹽有效質(zhì)量為：

式中：

M—所需熔鹽介質(zhì)質(zhì)量，單位：kg

mnet—儲(chǔ)熱用熔鹽凈質(zhì)量，單位：kg

Q0—機(jī)組的額定熱耗率，單位：kJ/h

t—儲(chǔ)熱設(shè)計(jì)時(shí)間，單位：h

CP—ΔT溫度范圍內(nèi)的平均定壓比熱容，單位：J/（kg·K）

ΔT—熔鹽的工作溫度范圍，即熱鹽設(shè)計(jì)溫度和冷鹽設(shè)計(jì)溫度差值，單位：℃

Qth，tes—系統(tǒng)運(yùn)行t小時(shí)需要的總熱量，單位：kJ

K—考慮管道容積儲(chǔ)罐底部死區(qū)等的裕量系數(shù)。（在項(xiàng)目前期估算時(shí)K可取1.03左右，實(shí)際工程中，最終采購(gòu)的熔鹽量基于統(tǒng)計(jì)的各個(gè)設(shè)備及管道的容積計(jì)算，K值可取1）

3.3儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)溫泵

在塔式光熱電站中的熔鹽泵分為冷鹽泵、熱鹽泵及調(diào)溫泵。熔鹽泵一般為立式液下泵，布置在儲(chǔ)罐上部的泵支撐平臺(tái)上。其配置的基本原則為保證電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

調(diào)溫泵選型時(shí)需考慮啟動(dòng)階段逐漸提升進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的熔鹽溫度，且在汽輪機(jī)停運(yùn)階段，輸送小流量的低溫熔鹽（約290℃）至蒸汽發(fā)生器，以防止系統(tǒng)中局部熔鹽溫度繼續(xù)降低，且產(chǎn)生廠用輔汽。若系統(tǒng)中其他泵或設(shè)備可實(shí)現(xiàn)此功能，也可不單獨(dú)設(shè)置調(diào)溫泵。

4疏鹽泵替代調(diào)溫泵的成本優(yōu)勢(shì)

在光熱發(fā)電企業(yè)中，按目前運(yùn)營(yíng)電站設(shè)計(jì)都設(shè)有調(diào)溫泵，由于儲(chǔ)熱能力及儲(chǔ)熱時(shí)間，調(diào)溫泵是長(zhǎng)軸立式液下泵。

4.1從成本分析

根據(jù)運(yùn)營(yíng)光熱企業(yè)調(diào)溫泵選型來看，目前調(diào)溫泵大多采用的是福斯的長(zhǎng)軸泵，2臺(tái)泵價(jià)格約36萬，其備品備件的準(zhǔn)備周期約6個(gè)月;而疏鹽泵均采用的是江蘇飛躍國(guó)產(chǎn)泵，2臺(tái)泵價(jià)格約45萬，其備品備件的準(zhǔn)備周期不需要6個(gè)月。若用疏鹽泵代替調(diào)溫泵可直接減少一筆調(diào)溫泵設(shè)備費(fèi)用。

4.2從工藝系統(tǒng)分析

若采用調(diào)溫泵，還需設(shè)計(jì)緊急疏鹽罐及其附屬管道，其蒸汽發(fā)生系統(tǒng)發(fā)生泄漏時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)排入緊急疏鹽罐，而緊急疏鹽罐只有進(jìn)口，沒有出口，故還需用人工將緊急疏鹽罐的鹽清理至熱鹽罐中;若用疏鹽泵代替調(diào)溫泵，疏鹽泵其本身設(shè)計(jì)在疏鹽罐中，此疏鹽罐相當(dāng)于正常和緊急疏鹽罐的綜合體，疏鹽泵既可以進(jìn)行正常疏鹽，也可進(jìn)行緊急事故下的疏鹽，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中疏鹽罐的鹽還可輸送至熱鹽罐中，還能實(shí)現(xiàn)調(diào)溫泵的功能。

4.3從后期運(yùn)行維護(hù)分析

按目前的所設(shè)計(jì)的工藝系統(tǒng)來看，調(diào)溫泵基本布置在冷鹽泵平臺(tái)上，若需調(diào)溫泵有卡澀等原因需要進(jìn)行拆解查找原因時(shí)，需要用160噸的汽車吊、、50噸汽車吊、20噸板車進(jìn)行配合;相比疏鹽泵的拆解，維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低且方便。

5結(jié)論

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是一種新型太陽(yáng)能利用技術(shù)，目前相對(duì)成本較高，根據(jù)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)塔式光熱企業(yè)的工藝及運(yùn)行情況對(duì)比，疏鹽泵完全可以代替調(diào)溫泵。根據(jù)成本、工藝系統(tǒng)及后期維護(hù)進(jìn)行分析，用疏鹽泵代替調(diào)溫泵是可行且成本較低的工藝。只有在不斷摸索工藝、優(yōu)化塔式發(fā)電技術(shù)，才能不斷降低光熱成本。

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