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以熔融盐为介质的太阳能塔式热发电

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  由于以水/水蒸气为介质的太阳能塔式热发电示范过程中,以水作为蓄热介质在增加 蓄热容量方面难以突破;同时.将水/水蒸气的热量传递给其他介质时,不同温度段的焓值极不均匀.因而使热的传递过程损失很大。因此有必要寻找其他介质来替代水。
 
  20世纪90年代,各国开始研究以熔融盐为介质的蓄热方法 ,美国Solar Two太阳能塔式电站采用了熔融盐作为吸热和蓄热介质,太阳集热器和蓄热装置内熔融盐通过一 次换热.把集热器或蓄热器内的热量传递给水,产生的过热蒸汽推动汽轮机做功。即系统采用两种介质和一次换热形式,因而系统比较复杂,但是解决了大容量蓄热问题。Solar Two 电站的机组容量 10MW, 电站于1996年投产,此后运行了 3年时间,积累了许 多经验,如启动工况、管道伴热、融熔盐的预热及防止凝固、主辅设备配置等问题,得 到了许多实验数据,为后来的建设提供了丰富的设计依据和运行经验。提供借鉴的设计 数据有,低风速条件下吸热器效率88%,设计风速下为86%,储热效率大于97%,朗肯循环的汽轮机热效率34%,测量峰值热效率13. 5%等。该电站在1998年夏季的39天中, 运行天数达到32天,仅有2天因设备故障停机。此后由于技术所有权和电价问题,使太 阳能熔融盐电站的发展停滞。直到2004年西班牙政府制定了可再生能源相关法案,2005 年在西班牙Andalucia地区开始设计和建造Gemasolar太阳能塔式电站,又称Solar TRES电站,电站仍然用熔融盐作为介质,增加了机组蓄热容量,给熔融盐的研究和应用 带来了新的机遇。
 
  图7. 6显示了 Gemasolar太阳能塔式电站概况。Gemasolar太阳能塔式电站是西班牙 第一个采用熔融盐为介质的高温热电站。项目位于西班牙南部的富恩特斯安达卢西亚 市,电站坐标为N37°33' 44.95",W5° 19' 49.39",电站容量19. 9MW,电站总占地 195hm2o当地太阳直射辐射值(DNI)为2172kW • h/(m2 • a),预计年可发电1. 1亿 kW•h。电站总造价为2. 3亿欧元。电站于2009年2月开工,2011年4月投产,电站业 主方和建设方都是西班牙塞纳公司(60%股份)和西班牙马斯达尔公司(40%股份),项 目总承包方为西班牙UTC特雷斯公司,电站运行管理是西班牙Gemasolar公司。
 
  太阳能镜场面积304 750m2,玻璃镜支架2650面,每面面积120m2,支架形式为钣 金冲压面结构,支架及转动机械、吸热器制造商为西班牙塞纳公司,定日镜设计是整个 技术的关键的问题之一,因为除了要保证聚焦精确度外,成本控制也是重要部分,定日 镜投资是电站中主要成本部分,占了 40%的投资份额,其中又40%是与驱动系统有关的成本。
  图7. 6 Gemasolar太阳能塔式电站
 
  (a)全景俯视阁;(b)近景俯视图;(c)侧视图
 
  集热塔高140m,圆筒结构,承造商为美国Pratt&whitney电力系统联合技术公司。吸热和蓄热介质为熔融盐。汽轮机机组容量为19. 9MW冷却介质为水,采用湿式冷却 结构。机组备用燃料为天然气,备用量为15%。
 
  根据预测发电量推算,机组效率为16.6%,电站蓄热小时数为15h的机组额定发电量,机组年运行小时数为6500h,采用熔融盐双罐直接蓄热技术,一个冷熔融盐罐,储盐温度288°C,通过熔融盐泵打入集热器中加热到565°C,存储在高温熔融盐罐中。熔融盐比热容为1.55kJ/(kg K),熔融盐的配比为40%硝酸钾和60%硝酸纳的混合液.该系统 使用的熔盐量能的减少,主要是提高了集热管出口温度,使单位体积的熔盐蓄热量更多,因而降低了设备造价。按照政策,电站燃料掺烧比为15%,实际采用大容量蓄热后,电 站掺烧燃料的重要性就下降了。图7. 7为Gemasolar电站系统示意。
  图7. 7熔融盐为介质的太阳能塔式电站系统示意图

  Gemasolar电站与Solar Two电站相比,在技术上的优势有:采用了更大单镜面积的 反射镜,同等条件下减少了机械驱动机构;采用了 120MW容量的集热器,具有负荷适应 能力强的优点,热量损失小,减少了热应力,集热管采用高镍合金材料,更能耐高温,增加了材料的抗腐蚀性;优化系统,减少了管道系统阀门数量,保证在事故情况下,熔 融盐能够顺利自流到融盐罐中,防止熔融盐凝固;采用锅炉补燃措施.在事故情况下可 开启备用锅炉.防止融盐凝固;大容量的蓄热系统,总容量647MW,h,设计出力工况下储热15h,单罐储存融盐6250t,在温度565°C条件下,每天的温度降不高于1•2°C ; 低温融盐罐的温度设计点在融盐凝固点以上45°C,防止融盐凝固;采用了高效、高压和 具有再热的汽轮机.设计点汽轮机热效率39. 4%,年均效率38%,在每日启停情况下保 证机组寿命大于30年;优化了机组控制系统,优化了机组冬季防冻系统;优化了镜场、 吸热器、蓄热装置和汽轮机的出力,保证机组在夏季时连续24h发电,年设备利用率大 于64%,包括备用燃料情况下,年设备利用率大于71%。
 
  具有储热功能的太阳能热发电装置的应用,证明了技术的两大优势,高容量储热提高了电力调度的良好性能,单位千瓦造价随着储热下降,这是因为介质参数的提高从而 提高了机组效率,另一点是熔融盐的成本低于其他蓄热介质的成本。这些优势将有助于 巩固熔融盐储热技术的发展和应用。
 
  采用熔融盐作为储热的塔式电站还处于示范阶段,今后会不断地有新电站建成,机组规模和单机容量也会越来越大。以下为正在建设中的以熔融盐为介质的塔式电站。
 
  1.西班牙50MW Alcazar模块化塔式电站
 
  2009年,Solar Reserve公司在西班牙建设50MW Alcdzar模块化塔式电站,电站位 于马德里以南约180km的Alcazar de San Juan镇附近。当地太阳辐射值2208kW • h/ (m2 - a).电站利用熔融盐作为传热和蓄热介质。电站设计蓄热能力可使汽轮机全天24h 运行,年太阳容量因子超过80%。同时,电站设计采用空冷技术,用水量只相当于湿冷 技术的15%。Solar Reserve公司还分别和美国PG&.E公司、内华达能源公司签订了 150MW和100MW电站的购电协议。Solar Reserve公司以Solar Two技术为基础,提出 了模块化的概念,进行电站的复制扩容。
 
  2.美国110MW新月形沙丘太阳能塔式电站
 
  Crescent Dunes太阳能塔式电站项目位于美国内华达州西北部的托诺帕市,机组容量 110MW,电站总占地1600hm2,当地太阳直射辐射值(DNI)为2685kW • h/(m2 • a)预计年可发电4.85亿kW • h。电站于2011年开工,2013年10月投产,电站的业主、建设方和运行管理都是托诺帕太阳能有限责任公司(100%股份),购电方为美国内华达能 源公司。
 
  太阳能镜场面积1 071 361m2,玻璃镜支架17 170面,每面面积62.4m2,制造商为 普拉特惠特尼公司.集热塔高540ft,圆筒结构。吸热和蓄热介质为熔融盐,人口参数 288℃,出口温度566℃。汽轮机机组容量为110MW,汽轮机入口蒸汽压力为11. 5MPa, 采用混合方式制冷。
 
  3.美国150MW Rice太阳能塔式电站
 
  Rice太阳能塔式电站项目位于加利福尼亚南部的Rice市,莫哈韦沙漠深处,机组容 量150MW,电站总占地1410hm2,电站建成后将成为世界上最大的塔式太阳能发电机 组。当地太阳直射曝辐量(DNI)为2598kW • h/(r^ • a),预计年可发电4. 5亿kW • h。 电站于2011年1月开工,2013年10月投产,电站的业主、建设方和运行管理都是RICE 太阳能有限责任公司(100%股份),项目总承包方为美国Pratt&Whitney电力系统联合技术公司,购电方为美国太平洋煤气和电力公司。
 
  太阳能镜场面积1 071 361m2,玻璃镜支架17 170面,每面面积62. 4m2,制造商为公司,集热塔高540ft,圆筒结构,承造商为Pratt&Whitney电力系统联合技术公司。吸热和蓄热介质为熔融盐,入口参数288℃,出口温度566℃。汽轮机机组容量为150MW,汽轮机入口蒸汽压力为H. 5MPa,采用空冷机组。
 
  按照汽轮机满负荷运行1 h蓄热设计,机组效率为40 %,熔融盐比热容为 1. 55kJ/(kg - K),则需要3130t熔融盐,取3500t值作为设计值。蓄热罐高13m,直径14m,总体积2000m3,可储存3500t熔融盐,熔融盐的配比为40%硝酸钾和60%硝酸钠的混合液,系统使用熔盐量比槽式系统减少,主要是提高了集热管出口温度,使单位体积的熔盐蓄热量更多.因而降低了设备造价。
 
  
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