青海鹽湖熱水工程太陽能集熱方案探析

張新萍，郭琳

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

青海鹽湖熱水工程太陽能集熱方案探析

張新萍，郭琳

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

青海鹽湖集團藍科鋰業公司以開發碳酸鋰為主，因生產工藝優化和改擴建要求，需要全天熱水供給。根據太陽能熱發電技術，結合當地太陽能資源條件以及氣象條件，經過對太陽能集熱方案與傳統供熱方案進行技術經濟比較分析，確定選用傳熱介質為導熱油的線性菲涅爾式太陽能集熱方案為工業項目供給熱水。太陽能集熱方案的應用，可以減少燃煤消耗和二氧化碳排放，符合國家節能減排政策要求，為青海省節能減排工作起到示范作用。

太陽能集熱；線性菲涅爾式集熱方式；導熱油

我國是太陽能資源非常豐富的國家之一，青海是潛在的太陽能熱發電站候選地址，具有完備的太陽能熱發電站基礎條件。青海鹽湖鋰資源儲量非常豐富。青海鹽湖集團藍科鋰業公司以開發碳酸鋰為主，因生產工藝優化和改擴建要求，全天24小時需要40℃熱水，流量為600 t/h。基于國家節能減排政策要求，必須大力發展清潔能源。本文對太陽能集熱供熱方案進行探究和分析，以新的太陽能集熱裝置替代燃煤等傳統供熱設施，滿足工業供給熱水需求。

青海鹽湖藍科鋰業公司太陽能集熱加溫供水工程，位于青海西部格爾木市察爾汗鹽湖內的藍科鋰業公司廠區，距西寧市710 km，距格爾木市約60 km。原水水源取自格爾木市市政管網，工程任務為供熱，無供暖、發電等其它需求。

1 集熱方案的選擇

由于工程所在地無天然氣管道敷設，氣源缺乏，加之天然氣成本較高，采用天然氣鍋爐，會大大增加生產成本。采用電鍋爐，對每天數億大卡的用熱規模來說，其運行成本價格會更高。因此，天然氣及電鍋爐對本項目不適合。目前只有繼續擴建傳統的燃煤鍋爐或者采取其它節能環保措施才能保項目生產所用熱水。

1.1 擴建燃煤鍋爐

由于生產所需，項目現需要全年330天，全天24小時40℃熱水供給[1]，若采用傳統的燃煤鍋爐供熱，則需建設2臺X29-1.6/150/90容量的熱水鍋爐，由于年供熱水時間330d，幾乎全年運行，因而還需增設1臺備用鍋爐，以保證正常的工業用水量，假定鍋爐效率為90%，鍋爐燃料消耗量（標準煤）見表1。

表1 鍋爐燃料消耗量

1.2 太陽能集熱方案

項目地處太陽能資源最豐富區，太陽輻射強，日照小時數高。加上海拔高、空氣稀薄、大氣透明度好、陽光穿透力極強，具有極好的自然條件（地區年輻射量6908 MJ/m2，年日照數3103 h）；且當地地廣人稀，地勢平坦，土地資源十分豐富；項目所在地有大片未利用荒地可供使用。我國太陽能光熱技術，經過多年的發展，已日趨成熟。尤其是中低溫集熱技術，既無技術難題，也無工藝障礙，完全可用于工程實際。國內已有多個光熱發電項目及熱電聯供項目建成或正在建設。對本工程來說，生產僅80℃的熱水，現有的成熟技術完全可以保證工程需求。

1.3 方案對比分析

對于燃煤鍋爐加熱方案與太陽能集熱方案，從年耗煤量、用電負荷、人員配置、使用年限、總投資及年運行成本等方面進行比較，見表2。

從表2可以看出，太陽能集熱方案能夠充分利用當地十分豐富的太陽能資源和土地資源，利用光熱集熱技術，以清潔、無污染、無排放、可再生的太陽能作為主力熱源實現本工程的任務是經濟可行的。

根據國家節能減排政策和項目要求，原有煤鍋爐已不能滿足長期生產需求的熱水量。太陽能集熱方案符合國家節能減排的相關政策。因此選用太陽能集熱方案。

2 太陽能集熱方式選擇

2.1 太陽能集熱方式比較

太陽能集熱方式有塔式、槽式、碟式以及線性菲涅爾式共四種。

（1）塔式：塔式方案對高溫工質（主要用于發電）有利，適用于規模化發電。由于塔式光熱集熱為點聚焦，集熱器溫度高，用于本項目需多次熱交換，熱能損失大，綜合光熱轉換效率低。由于塔筒高度高、鏡場面積大、施工難度大、集熱場面積大，投資高，且運行維護復雜。

（2）槽式：槽式方案采用槽型拋物面反射鏡，由于聚光比較低，集熱管管線較長，運行難度較大、占地面積也較大、反射鏡清洗復雜。由于本項目地春冬季風沙大，而拋物面反射鏡抗風能力差。

（3）碟式：碟式方案通過旋轉拋物面反射鏡將太陽光聚集到焦點上的集熱器集熱，由于是點聚焦，聚光比比較大，但結構復雜成本較大；碟式光熱集熱方案只適用于分布式小型集熱；抗風不宜解決，運行管理復雜。

（4）線性菲涅爾式：線性菲涅爾式方案是一種利用線性菲涅爾式反射聚光集熱器，將太陽能收集，產生所需熱的技術。工作原理類似槽式，只是采用線性菲涅爾結構的聚光鏡陣列替代拋物面反射鏡作為一次反射鏡。反射鏡將太陽光聚焦到二次雙拋物面反射鏡，在反射鏡焦線上安裝管狀集熱器，以吸收聚焦后的太陽輻射能。此方案結構更為簡單，反射鏡面靠近地面放置，反射鏡為平面鏡，具有占地面積小、抗風能力強、施工難度低、投資成本低、運行可靠、維護保養方便等突出優勢。

2.2 太陽能集熱方案選擇

根據項目所在地氣象條件，選用線性菲涅爾式集熱方案。原因如下：

（1）全年大風以西風、西偏南風為主，年平均最大風速21.2 m/s。槽式電站聚光系統抗風性能差。線性菲涅爾系統一次反射鏡離地僅1 m左右，頂部二次聚光器截面積小，受風速影響小。

（2）地質條件承載能力較差，其它方案將增加基礎費用。

（3）線性菲涅爾系統具有二次反射鏡，可有效抵消由于跟蹤誤差造成的系統效率損失。

經過對以上4種集熱方式進行比較，結合鹽湖地區具有風沙大、干旱、少雨及特殊地質條件特點，采用線性菲涅爾式集熱方式是合適的。

3 傳熱介質選擇

太陽能典型的傳熱介質有導熱油、水及熔鹽三種[2]。

（1）導熱油：真空集熱管中用導熱油做介質，該技術具有最長的市場運營經驗，美國加州太陽能發電系統（SEGS）電廠從上世紀80年代起，已經運行20多年，目前運行良好。該技術也稱作“HTF”（導熱油）技術。目前有90%的已建、新建商業電廠的管道均采用該技術。

（2）水：真空集熱管中用水做介質的技術，較導熱油技術有以下優點：①導熱油系統有400℃的最高溫度限制，直接蒸汽系統（DSG）的最大溫度可超過400℃，提高了蒸汽的參數，進而可提高換熱效率同時也取消了輔助熱油系統。②減少了運行維護費用。③降低了熱油引起的環境風險（火災和泄漏）。

缺點在于：①因運行壓力高，必須配備液壓元件，成本會增加。②由于真空集熱管內的雙相流及水汽熱動力特性，控制系統更復雜、造價更高。③晝夜溫差大，容易造成結凍導致管路堵塞，系統無法正常運行。④水質條件較差，鈣鎂離子含量高，易結垢。會影響集熱效率，清洗頻率提高，成本增加。⑤目前沒有采用該技術的商業運營模式。

（3）熔鹽：真空集熱管中用熔鹽做介質，該技術基本上是ENEA（意大利政府能源研發中心）的專項研發產品。在開發完成所有的專業性元件（集熱器架、鏡板、接收器等）后，在ENEA位于羅馬（意大利）附近Casaccia的實驗基地進行了試驗回路的運行。優點是熔鹽液體的黏度小、導熱性好、常壓下是液態、不易燃燒和儲熱量大，缺點是：凝固點太高，一般為90℃~230℃，必須對相關設備進行保溫和伴熱，成本會增加很多。

表2 熱源方案比較表

目前已運行傳熱介質有很多種，但技術最為成熟、商業化最廣、經歷時間最長的是導熱油技術。因此本項目采用導熱油作傳熱介質。

4 系統方案

通過技術經濟比選，選用線性菲涅爾式集熱方案作為熱源，以導熱油為傳熱介質。設2000 m3調節水罐一個，將原水引至調節水罐，利用2臺變頻水泵（一用一備）以600 m3/h的流量輸送至油水換熱器，導熱油作為傳熱工質，在導熱油循環泵的作用下，經集熱場將導熱油加熱至260℃左右后，進入換熱器，加熱原水至80℃。再通過管路輸送到現場兩座3000 m3的熱水罐中，經熱水泵輸送至藍科鋰業廠區，由電動閥門與原水混合至40℃，滿足24 h的14400 m3用量。

工程采用太陽能集熱方案，采用白天供熱+蓄熱模式。方案為白天滿負荷運行，將多余熱水儲存起來，夜晚用白天儲存的熱水進行生產供給。

5 結語

目前鑒于環保方面的壓力，國家對燃煤鍋爐的使用和建設進行了嚴格的管控，這也為太陽能熱利用技術提供了新的市場突破口。本工程采用太陽能集熱方案，集熱面積超過10萬m2，集熱廠總功率超過40MW，總投資1.2億元。年產熱水432萬t以上，基本滿足藍科鋰業公司1萬t碳酸鋰生產對熱水的需求，替代其現有及將新建的65噸級燃煤鍋爐，每年可降低煤耗約6萬t，減排二氧化碳15萬t，該項目成為我國甚至全球最大的線性菲涅爾太陽能集熱供熱站，也是首個將太陽能集熱技術應用于大工業供熱的項目。為青海甚至中國太陽能熱利用技術發展起到良好的示范。為青海省節能減排工作起到示范。

[1]陜西省水利電力勘測設計研究院編制.青海鹽湖佛照藍科鋰業股份有限公司太陽能集熱加溫供水工程初步設計報告[R]，2015.7

[2]黃素逸、黃樹紅等編著.太陽能熱發電原理及技術[R].中國電力出版社，2012.8

TU822

B

1673-9000（2017）03-0152-03

2017-02-07

張新萍（1965-），女，陜西涇陽人，高級工程師，主要從事水力水電工程設計工作。