在上周召開(kāi)的CSP Focus光熱發(fā)電創(chuàng)新大會(huì)上,趙博士發(fā)表了題為“中國(guó)光熱發(fā)電的技術(shù)路線及其適用性”的重要演講。
以下為趙博士的演講內(nèi)容及部分演講稿配圖:
感謝大家來(lái)西安,為了節(jié)省時(shí)間,我直接進(jìn)入正題。今天想跟大家探討的是“中國(guó)光熱發(fā)電的技術(shù)路線及其適用性”。大概分三部分:
第一部分,是從電網(wǎng)側(cè)來(lái)比較各種技術(shù)路線的特點(diǎn);
第二部分,主要從光到熱的環(huán)節(jié)比較一下幾個(gè)典型技術(shù)路線的技術(shù)指標(biāo);
第三部分,主要結(jié)合中國(guó)典型廠址的邊界條件,談一下技術(shù)路線選擇時(shí)候應(yīng)該關(guān)注的關(guān)鍵要素。
第一部分:主要技術(shù)路線
最為成熟的槽式導(dǎo)熱油帶儲(chǔ)熱電站,集熱場(chǎng)加熱后的導(dǎo)熱油溫度不是很高。大概290度導(dǎo)熱油進(jìn)集熱場(chǎng)之后經(jīng)過(guò)集熱器加熱到大概390度,首先優(yōu)先進(jìn)入到蒸汽發(fā)生器和水換熱產(chǎn)生蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)集熱場(chǎng)產(chǎn)生的熱功率大于汽輪機(jī)所需要的功率時(shí)候,多余的能量進(jìn)儲(chǔ)換熱單元的油鹽換熱器,存儲(chǔ)在熔鹽中。熔鹽儲(chǔ)熱的時(shí)候冷的熔鹽通過(guò)低溫熔鹽泵循環(huán)吸熱,存儲(chǔ)在熱鹽罐里面,當(dāng)夜間的時(shí)候熱熔鹽通過(guò)高溫熔鹽泵,在同樣一個(gè)換熱器里面將熱量傳給導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油再把熱量傳輸給蒸汽發(fā)生器里面的水,以產(chǎn)生蒸汽來(lái)發(fā)電。
充熱和放熱階段是同一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)雙向換熱的油鹽換熱器,所以為了在一定熱量前提下,提供更多的電能,導(dǎo)熱油電站是優(yōu)先傾向于集熱場(chǎng)出來(lái)的導(dǎo)熱油直接去蒸汽發(fā)生器換熱發(fā)電。這是因?yàn)椋覀冎罁Q熱器在工作過(guò)程中高溫流體傳遞給另一側(cè)的低溫流體,溫度有一個(gè)損失,比如390度導(dǎo)熱油,將熱量傳遞給熔鹽,儲(chǔ)熱的熔鹽溫度會(huì)降低7度,當(dāng)釋放熱的過(guò)程中,在同一個(gè)換熱器內(nèi)高溫熔鹽再將熱量傳遞給導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油溫度再降低7度,這樣會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的水蒸汽參數(shù)較額定工況下的參數(shù)降低14度,而14度的溫度降低,其實(shí)總的能量并沒(méi)有少(我們忽略散熱損失,大概1%左右而已),只是能量品位的降低,14度能量降低,意味著大約0.7個(gè)百分點(diǎn)熱到電的效率降低。
槽式導(dǎo)熱油電站熱到電效率會(huì)因?yàn)檫@一方面因素?fù)p失一些。那么槽式熔鹽電站較好的解決了上述問(wèn)題,也就是說(shuō)能較好的實(shí)現(xiàn)集熱場(chǎng)和發(fā)電單元的解耦運(yùn)行,而不帶來(lái)發(fā)電量的損失,吸熱的時(shí)候冷鹽吸熱,存儲(chǔ)在熱罐里面,熱罐的鹽什么時(shí)候去發(fā)電,可以根據(jù)電網(wǎng)側(cè)需求來(lái)調(diào)度,這就實(shí)現(xiàn)了集熱和發(fā)電比較好的解耦,對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性較強(qiáng),且不損失自身的發(fā)電收益。當(dāng)然槽式熔鹽電站也衍生出一些其他的問(wèn)題,我們后面會(huì)提到。上面這一槽式熔鹽電站的特點(diǎn)和菲涅爾熔鹽電站類(lèi)似。
菲涅爾水工質(zhì)電站最早的是西班牙的PE1,30MW。這個(gè)電站的特性,從電網(wǎng)角度來(lái)講,和光伏電站是相當(dāng)?shù)?。它受天氣的影響非常大。這種特性和槽式水工質(zhì)、塔式水工質(zhì)比較相似。國(guó)內(nèi)兆陽(yáng)光熱的混凝土儲(chǔ)熱結(jié)合水工質(zhì)菲涅爾,由于采用大容量?jī)?chǔ)熱,因此比較好的解決了集熱和發(fā)電解耦運(yùn)行的問(wèn)題,對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)更友好。
塔式熔鹽電站和之前提到的槽式熔鹽電站從電能輸出特性來(lái)講比較優(yōu)秀,比較靈活適應(yīng)電網(wǎng)側(cè)需求,而且與槽式導(dǎo)熱油電站相比,節(jié)省導(dǎo)熱油工藝,整個(gè)系統(tǒng)比緊湊。因此具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
塔式直接蒸汽發(fā)生形式的DSG水工質(zhì)電站,從電網(wǎng)角度來(lái)講,也是一個(gè)比較麻煩的問(wèn)題,靈活性不是很好,要解決儲(chǔ)熱的話,西班牙阿本戈公司在Khi Solar one項(xiàng)目用蒸汽蓄熱器解決較短容量的蓄熱,但是蒸汽蓄熱器是高溫高壓的壓力容器,在做大容量的時(shí)候,成本上有瓶頸。畢竟水介質(zhì)存儲(chǔ)熱量較大時(shí),需要較大的容積。Khi solar one 大概采用了20個(gè)蒸汽蓄熱器。
第二部分:從集熱環(huán)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)比較不同技術(shù)路線的特征
首先,上一組圖橫坐標(biāo)是某一天時(shí)刻數(shù),縱坐標(biāo)是不同技術(shù)路線光學(xué)效率,左邊的圖是夏至日曲線,右邊的圖是冬至日曲線,藍(lán)色是槽式,中間橙色是塔式,黃色是菲涅爾。這組曲線地理位置在北緯36度,跟西安差不多的地方,夏季槽式電站光到熱是很關(guān)鍵的步驟,由圖可見(jiàn),槽式具有比較明顯的更為優(yōu)越的光學(xué)效率,相應(yīng)的塔式電站低一些,菲涅爾一天當(dāng)中隨著時(shí)間推移效率變化是比較明顯的,就是表現(xiàn)為曲線的峰在時(shí)間維度比較窄,不像槽式和塔式很快可以達(dá)到較高效率,且能維持在較高效率環(huán)節(jié)較長(zhǎng)時(shí)間。
冬季情況不太一樣,北緯36度區(qū)域,槽式電站效率在每天中午前后各兩三個(gè)小時(shí)效率會(huì)比較低,表現(xiàn)為曲線在這一時(shí)段有一個(gè)谷;冬季情況下塔式電站效率變化和夏季一樣比較平穩(wěn),菲涅爾電站就更低了。這些原因主要跟塔式電站的雙軸跟蹤有關(guān)。時(shí)間原因這個(gè)不展開(kāi)解釋。
每一天不同時(shí)刻的變化如剛才所述,那么月度變化是什么趨勢(shì)呢?把不同形式的光熱效率曲線繪制在一張圖上,橫坐標(biāo)是每年的12個(gè)月,時(shí)間維度;縱坐標(biāo)是光熱效率,這里的效率是考慮了實(shí)際的DNI的分布特點(diǎn)的。最高的藍(lán)色實(shí)線是南北向布置的位于北半球的槽式電站,中間藍(lán)色虛線帶空心圓點(diǎn)標(biāo)記的是東西向布置的槽式電站,目前世界上基本上是南北向布置。
圖中部六月份位置,從上往下第二根黃色實(shí)線帶實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)記的是塔式電站,下面兩個(gè)三角形實(shí)心和空心標(biāo)記是菲涅爾南北布置和東西布置的情況。
這組曲線告訴我們一個(gè)信息,從全年來(lái)講,槽式電站也是具有較高的光學(xué)效率,尤其是體現(xiàn)在6月份前后,光學(xué)效率比較高。塔式電站年度光學(xué)效率分布比較平穩(wěn),總體較槽式電站比較低。請(qǐng)注意這是基于一定緯度的地區(qū),邊界條件不同結(jié)果可能不同,不能得到普適性結(jié)論。
有一些地區(qū),由于地形原因或者其他因素把槽式集熱器回路東西向布置的時(shí)候,年總效率表現(xiàn)較南北向低,實(shí)際上這里面有一個(gè)DNI的原因,也就是DNI月度分布不同東西布置的電站資源權(quán)重后的效率可能會(huì)高于南北布置,我們?cè)趪?guó)內(nèi)某一地區(qū)就遇到類(lèi)似問(wèn)題,當(dāng)然這個(gè)很重要的一點(diǎn),是所采用的典型氣象年數(shù)據(jù)的代表性,是否可以代表后面幾年的情況。
這就告訴我們,在一定緯度區(qū)域,從光學(xué)效率環(huán)節(jié)上講槽式電站有一定的優(yōu)勢(shì),請(qǐng)記住,和緯度有一定的關(guān)系。槽式電站東西向布置和塔式電站效率表現(xiàn)類(lèi)似,比較平穩(wěn),表現(xiàn)這兩根線隨月度變化沒(méi)有明顯的坡度。
上面這兩組曲線是夏季和冬季南北布置和東西布置槽式集熱場(chǎng)功率特性,空心圓標(biāo)記的曲線表明夏季集熱場(chǎng)輸出功率很快達(dá)到額定功率,較為平緩。東西向布置不是很穩(wěn)定,可能上午十點(diǎn)前比較小,然后上升很快,這個(gè)會(huì)影響諸如設(shè)備選型,比如泵按最高點(diǎn)選,大部分時(shí)間又是在低負(fù)荷下運(yùn)行。冬季的時(shí)候表現(xiàn)為東西向布置的效率曲線高于南北向布置的情況。
結(jié)合全年情況看,三種集熱技術(shù),考慮DNI權(quán)重之后的特點(diǎn),藍(lán)色柱狀圖是槽式電站,黃色是菲涅耳,橙色是塔式。從全年來(lái)講槽式電站具有較優(yōu)的光學(xué)效率的,前提條件很重要,北緯36度的研究對(duì)象和既定的典型氣象年數(shù)據(jù)。
考慮DNI權(quán)重以后,橫坐標(biāo)是光學(xué)效率的均方根RMS累積誤差,縱坐標(biāo)是年光學(xué)效率,什么叫DNI權(quán)重?比方說(shuō)我這個(gè)是基于一定的實(shí)際DNI做的,槽式電站表現(xiàn)為在某一個(gè)類(lèi)型布置,12點(diǎn)前后大約五六個(gè)小時(shí)時(shí)間段效率比較低,當(dāng)中午12點(diǎn)前后五六個(gè)小時(shí)時(shí)候DNI資源比較好的時(shí)候,有效產(chǎn)能(光學(xué)效率和DNI的乘積)并不一定比上午高,也就是需要你高效率的高DNI時(shí)段恰恰表現(xiàn)為較低的效率。
考慮這些因素以后,結(jié)合集熱場(chǎng)和定日鏡的誤差,包括跟蹤、反射鏡面型等,就有上面這組曲線。這組曲線藍(lán)線是槽式的,下降比較陡的是塔式,最下面的是菲涅爾。隨著誤差的增大,菲涅爾電站的總效率影響比較平緩,槽式次之,塔式最明顯。這就告訴我們,塔式電站定日鏡的設(shè)計(jì)效率偏離設(shè)計(jì)值的時(shí)候,可能給你的集熱場(chǎng)全年表現(xiàn)帶來(lái)非常糟糕的影響。也就是說(shuō)菲涅爾電站的光學(xué)性能容錯(cuò)能力比較強(qiáng),通俗講技術(shù)難度比較低,現(xiàn)在要搞這個(gè)集熱器開(kāi)發(fā),可能從菲涅爾入手比較簡(jiǎn)單。塔式電站屬于精致活,主要是定日鏡,實(shí)際表現(xiàn)如果比較差的時(shí)候,可能這個(gè)電站就比較糟糕了,也有解救措施,大量增加定日鏡,這就要錢(qián)了。這個(gè)在工程應(yīng)用中很重要,關(guān)鍵設(shè)備都要考慮萬(wàn)一的情況。
三種集熱技術(shù),考慮年DNI權(quán)重后的平均效率在全球范圍內(nèi)緯度來(lái)講,跟剛才分析一致,橫坐標(biāo)是緯度,縱坐標(biāo)是年光學(xué)效率,對(duì)于槽式電站來(lái)講,總體來(lái)說(shuō)隨著緯度升高往下降,而北緯36度區(qū)域表現(xiàn)為升高,表明DNI是結(jié)合實(shí)際DNI,它并不是一個(gè)純光學(xué)效率,因此結(jié)合廠址情況,結(jié)論不是絕對(duì)的。假如說(shuō)這個(gè)地方一點(diǎn)云都沒(méi)有,那么這個(gè)曲線肯定是直接往下走的,所以這就提醒我們實(shí)際中一定要結(jié)合實(shí)際的DNI等資源情況,這不是年總DNI那么簡(jiǎn)單,而且最好是若干年做的典型太陽(yáng)年數(shù)據(jù)來(lái)分析這個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性,這個(gè)很重要。
對(duì)于塔式電站來(lái)講,相對(duì)的受緯度高低影響沒(méi)有那么明顯。菲涅爾電站緯度高了之后,尤其超過(guò)40度之后,下降更高。新疆哈密大概44度,在中國(guó)我們需要把重點(diǎn)放在目前這幾個(gè)區(qū)域。
這是中國(guó)幾個(gè)典型光熱區(qū)域緯度情況,最高44度,最低的日喀則、格爾木、青海共和,大概30、36度,這些地方可能用槽式電站收益情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于布置在哈密地區(qū)的同樣配置的槽式電站。世界上第一個(gè)配置大容量?jī)?chǔ)熱的槽式電站Andasol,緯度37度和中國(guó)德令哈的緯度相近。新月沙丘100MW塔式熔鹽電站所處38度,摩洛哥努奧槽式和塔式31度比較低,所以如果僅僅從效率講建設(shè)槽式電站比較好。同一個(gè)電站,搬到低緯度地區(qū),收益會(huì)很大。請(qǐng)不要忘記我們第一部分提到的各個(gè)技術(shù)路線對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的適應(yīng)性。
不同技術(shù)路線的特性,剛才談了前面光到熱環(huán)節(jié),后面熱到電的環(huán)節(jié)大家都比較清楚。由于普遍采用熔鹽作為吸熱介質(zhì),相比較槽式導(dǎo)熱油電站,塔式電站發(fā)電單元更容易實(shí)現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率,這是一個(gè)典型的朗肯循環(huán)的圖,溫熵圖上面這段曲線右上角的點(diǎn)1和1’越高,做功介質(zhì)平均吸熱溫度越高,朗肯循環(huán)效率越高,這個(gè)很簡(jiǎn)單很成熟。同樣的道理,壓力越高右邊這張圖P和P’越高,一樣可實(shí)現(xiàn)較高的熱電效率。
同時(shí)槽式和塔式比較,塔式采用熔鹽作為吸熱儲(chǔ)熱介質(zhì),和槽式導(dǎo)熱油不太一樣,因此相對(duì)于槽式導(dǎo)熱油電站工藝流程簡(jiǎn)化,閥門(mén)管路非常簡(jiǎn)單,易運(yùn)維。
這是典型槽式電站的全廠管道工藝照片。想象一下50兆瓦槽式電站集熱管就需要120公里。塔式電站工藝系統(tǒng),包括發(fā)電、水、油鹽等系統(tǒng),布置比較緊湊,主要集中在儲(chǔ)換熱單元,還有儲(chǔ)換熱單元和發(fā)電單元連接之間的管架,以及吸熱塔,這一區(qū)域直徑范圍不過(guò)100米左右而已,因此從這個(gè)角度來(lái)講塔式電站這一塊優(yōu)越性表現(xiàn)良好。同樣的,前面提到槽式熔鹽電站,一個(gè)50MW的電站,管道太長(zhǎng),運(yùn)行階段的防凝成本較高,同時(shí)高溫熔鹽管道一般采用奧氏體不銹鋼,這部分投資可能要到上千萬(wàn)元。
而且一個(gè)槽式熔鹽電站,我們計(jì)算過(guò)其在非吸熱時(shí)段散熱損失,大概占有效集熱量的12%。這就很糟糕了。你要是用電伴熱維持的話,可能會(huì)有很大的廠用電率。當(dāng)然要是有一款價(jià)格合適的低熔點(diǎn)鹽,事情就簡(jiǎn)單很多。同時(shí),槽式熔鹽電站,工作時(shí)段的熱損失,大概占有效集熱量的20%,注意這里的基數(shù)是有效集熱量。這個(gè)數(shù)據(jù)也很可觀。不過(guò)塔式的吸熱器也有12%左右的熱損失。塔式的溢出損失也比較大一些。應(yīng)該說(shuō)各有特點(diǎn)。我們認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的目的不是比較個(gè)誰(shuí)好誰(shuí)壞,是選擇一個(gè)合適的技術(shù)給既定的邊界條件。
槽式和塔式都采用熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì),對(duì)于槽式電站溫度比較低,假設(shè)這根柱子高度代表熔融鹽總共儲(chǔ)能的能力(低溫不是按熔鹽凝固點(diǎn),是按照朗肯循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)決定的,大概290度),紅色代表熔融鹽儲(chǔ)能能力的利用情況,槽式只利用了33%,塔式熔鹽電站利用了90%,我們?cè)?93度的槽式電站中采用熔鹽儲(chǔ)鹽,并沒(méi)有把熔鹽儲(chǔ)能更充分利用。為什么強(qiáng)度熔鹽這個(gè)問(wèn)題呢?我們知道國(guó)內(nèi)有一些項(xiàng)目,近年熔鹽成本高于前些年廣核德令哈項(xiàng)目招標(biāo)價(jià)30%,對(duì)100兆瓦的導(dǎo)熱油電站來(lái)說(shuō),這部分成本可能在2個(gè)多億,這就是一個(gè)比較致命的投資了。這么貴的東西要充分利用它才能更好地發(fā)覺(jué)其價(jià)值。
塔式電站有什么需要我們特別關(guān)注的問(wèn)題呢,就是在項(xiàng)目選擇的時(shí)候,我想有兩個(gè)關(guān)鍵因素需要提醒。一個(gè)是抗風(fēng)能力,因?yàn)樾陆苡幸恍┑貐^(qū)風(fēng)非常大,塔式電站定日鏡誤差,包括運(yùn)行中隨著不同的風(fēng)速,風(fēng)速越高誤差越大,會(huì)非常明顯的增大,導(dǎo)致性能下降。還有一個(gè)問(wèn)題,大氣清潔度問(wèn)題,比方說(shuō)這跟實(shí)線是5公里的可見(jiàn)度模型和虛線23公里可見(jiàn)度模型,橫坐標(biāo)是定日鏡距離吸熱器的距離,縱坐標(biāo)是大氣衰減量,比如說(shuō)100兆瓦的電站,最遠(yuǎn)的定日鏡距離吸熱器可能會(huì)到2000米,這里比較清潔的大氣條件模型下,反射鏡到吸熱器能量傳輸過(guò)程中,能量損失20%多。更糟糕的情況下是某個(gè)廠址某個(gè)季節(jié),或者全年空氣臟兮兮的,沙塵霧比較多就會(huì)更夸張,當(dāng)然實(shí)際中沒(méi)有這么夸張的清潔度,但是還是很重要的一個(gè)因素在選址的時(shí)候需要重視。日喀則大氣環(huán)境和德令哈、敦煌、玉門(mén)都不一樣,選擇的時(shí)候也是需要重視。
第三部分:結(jié)合上面提到的問(wèn)題,談一下中國(guó)廠址的典型特點(diǎn)
這里有一個(gè)云的影響,這是中國(guó)典型一個(gè)區(qū)域的365天統(tǒng)計(jì)結(jié)果,藍(lán)色是晴天126天,紅色是多云114天,可以看出多云天數(shù)非常高。并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)沙塵,因?yàn)榇髿馑p度目前常規(guī)氣象觀察里面并沒(méi)有很?chē)?yán)格指標(biāo),這也是中國(guó)做電站長(zhǎng)期遇到的困難。
同時(shí)提醒運(yùn)行階段也要重視清洗策略,確保平均清潔度。最早中國(guó)光熱電站招標(biāo)的時(shí)候,年清潔度都是西班牙人在廣核德令哈項(xiàng)目上提供的,大概是97%。后來(lái)我們調(diào)研認(rèn)為這個(gè)指標(biāo)在中國(guó)是不可能達(dá)到的,國(guó)內(nèi)青海某投資方也在青海做過(guò)類(lèi)似試驗(yàn),證明上述97%指標(biāo)是不可能存在的。在兩年前,我們新疆哈密項(xiàng)目上就確定成90%,90%也是比較高的目標(biāo),我們需要結(jié)合實(shí)際情況看。還要重視運(yùn)行策略,包括應(yīng)對(duì)云的變化。
中國(guó)廠址有它的好處,比如天氣比較冷,越冷汽輪機(jī)效率越高。上面那張PPT右下角,2-3這一過(guò)程,就是朗肯循環(huán)冷段運(yùn)行溫度,這個(gè)溫度越低,發(fā)電效率也越高。
最后再?gòu)?qiáng)調(diào)一下風(fēng)的問(wèn)題,風(fēng)大的話集熱器設(shè)計(jì)成本比較高,比如上面這一組曲線,橫坐標(biāo)是風(fēng)速,縱坐標(biāo)是風(fēng)速累積頻率結(jié)果,兩個(gè)曲線代表兩個(gè)廠址。比如這個(gè)電站集熱器要確保99%的風(fēng)速下都可以工作,如果是紅色間斷線代表的廠址,那么這個(gè)地區(qū)風(fēng)比較大,會(huì)發(fā)現(xiàn)集熱器抗風(fēng)要求比較高,可能到15m/s或者更高,這里的風(fēng)速是10米高的平均風(fēng)速,跟外國(guó)常說(shuō)的3s陣風(fēng)的不太一樣,這里有個(gè)既定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。而對(duì)于藍(lán)色實(shí)線代表的廠址,累積概率99%時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)大部分情況下都是6m/s以內(nèi),集熱器前期投資可以控制在比較低的水平。
簡(jiǎn)單一句話,我們?cè)谶x擇技術(shù)路線的時(shí)候,特別需要關(guān)注風(fēng)的問(wèn)題,因?yàn)檫@個(gè)不僅會(huì)影響電站的性能,可能還會(huì)影響你的集熱場(chǎng)的設(shè)備投資。
結(jié)論
槽式技術(shù)具有較好的光學(xué)效率,尤其是在低緯度區(qū)域。但是下游熱到電的各個(gè)環(huán)節(jié)效率降低。
塔式技術(shù)工藝系統(tǒng)緊湊,可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度,因此熱電轉(zhuǎn)化效率高,具有更廣闊的技術(shù)革新空間。
菲涅爾技術(shù)的聚光環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備精度要求較低,容錯(cuò)能力較強(qiáng),碟式具有最高的效率,永遠(yuǎn)對(duì)著太陽(yáng),幾乎沒(méi)有余弦損失,但較難經(jīng)濟(jì)地解決大容量?jī)?chǔ)熱技術(shù)。