塔式光熱電站熔鹽吸熱器關鍵技術研究

董自春, 趙 煜, 趙 靜

中國船舶重工集團公司 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。通過鏡場實現(xiàn)對太陽的定時跟蹤,將太陽光反射到吸熱塔頂?shù)奈鼰崞魃稀Ｎ鼰崞鲗⒏邿崃髅芏鹊妮椛淠苻D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,產生高壓過熱蒸汽,推動汽輪發(fā)電機組發(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、內部連接管道、空氣罐及空氣管道、支撐結構體、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構體上,管屏上下的聯(lián)箱包在白色基底的保溫區(qū)域內。通常情況下,對于處于北半球區(qū)域的塔式電站,溫度低的熔鹽進口布置在吸熱器的南側,因為南側的熱流密度較低;溫度高的熔鹽出口布置在吸熱器的北側,因為北側的熱流密度較高,這樣能減少輻射和對流換熱帶來的熱損失。與此同時,熔鹽流程通常采用雙流程,以達到降低管道流動阻力的目的。

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[3],世界范圍內投入商業(yè)運行的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,全球正在建設中的大型塔式光熱電站項目見表2。

3 吸熱器研究進展

3.1 國內

東方鍋爐廠是國內較早開展吸熱器設計與制造的廠商,擁有多項吸熱器方面的發(fā)明專利。2011年研制的1 MW腔式吸熱器應用在中科院北京延慶光熱示范電站,采用強迫循環(huán)技術,呈六棱形,腔式布置有預熱受熱面、蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面,汽包布置在吸熱器頂部。2016年,東方鍋爐廠相關光熱技術應用在山西國金電廠350 MW煤電機組上,首次進行了1 MW光煤互補示范。2017年,東方鍋爐廠獲得哈密熔鹽50 MW光熱發(fā)電項目聚光集熱系統(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)電功率水工質吸熱器和熔鹽吸熱器的設計與運行經(jīng)驗。2017年,獲得中控德令哈50 MW和中電建共和50 MW項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計生產的吸熱器,已于2016年并網(wǎng)發(fā)電。此外,在100 MW項目上也使用了自行設計生產的吸熱器,預計兩年內投運。

3.2 國外

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

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授權,也參與了多個項目的投標。B&W公司旗下的Riley Power公司為Ivanpah電站供應三個水工質吸熱器,且已經(jīng)商業(yè)運行,這也是目前應用的最大外置式吸熱器。

比利時CMI公司設計的腔式吸熱器,應用在南非Khi Solar One項目50 MW塔式光熱發(fā)電站上,已于2016年2月投入商業(yè)運行。該公司為Abengoa公司設計的100 MW熔鹽吸熱器,應用在智利Atacamal項目上。

美國GE公司在收購了Alstom后,也擁有了熔鹽吸熱器的設計能力,產品已在以色列Ashalim1電站中安裝。

西班牙Sener公司同樣具有強大的吸熱器設計能力。全球首個24 h發(fā)電的光熱電站Gemasolar項目的熔鹽吸熱器就是由Sener公司和西班牙環(huán)境能源技術研究中心聯(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驗電站采用了Saint-Gobain公司的腔式吸熱器。

4 熔鹽吸熱器關鍵技術

熔鹽吸熱器體積龐大,工作溫度高,對材料要求苛刻,因此其關鍵技術要求較高。熔鹽吸熱器的關鍵技術主要有四項,以下分別進行介紹。

4.1 全鏡場下吸熱器表面瞬時熱流分布

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。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復雜的光熱聚集、轉換及耦合傳熱過程。獲得吸熱器表面瞬時熱流分布是吸熱器設計的基礎,著重解決吸熱器吸收多少熱量的問題,是設計的基本輸入條件,也是一個難點問題。目前國內外開發(fā)的一些先進聚光集熱系統(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)計算吸熱面上的熱流密度分布,其思路是先計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,所以計算速度較快。采用蒙特卡羅光線追蹤方法,計算精度很高,但是計算需要較長時間[6-7]。相同模擬條件下,HFLCAL軟件計算模型的計算時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,采用硝酸鹽系熔鹽工質做導熱流體,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,表面光斑迅速消失,瞬間的輻射熱流又降至極低,這些高溫波動情況對吸熱管材質提出了很高的要求。

目前國外吸熱管材質采用美國機械工程師學會(ASME)標準的特殊鎳基合金鋼Inconel625、Incoloy800H,或采用應用于尖端航天發(fā)動機中的哈氏合金Haynes230。為降低材料成本,一些學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,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]認為347SS和321SS不銹鋼在400～500 ℃時呈現(xiàn)的是一種保護性的低腐蝕。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。

國內吸熱器廠家目前也采用了進口的鎳基合金。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,吸熱管在交變應力的作用下,經(jīng)過多次應力循環(huán)后最終因疲勞破壞而失效。

通過ASME code Case N47可計算出適應427～760 ℃的吸熱管疲勞周期。文獻[11]認為,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,因此在三個方向上,吸熱管主要的熱應力是由徑向熱流分布不均導致的。校對計算中,要求吸熱管最大熱應力必須低于極限抗拉強度的40%～50%,這樣才能避免疲勞失效。

4.3 選擇性吸收涂層技術

吸熱器表面溫度高達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公司生產的Pyromark 2500系列高溫漆[12]。該涂層漆原用于航天器外層保護涂層,耐溫達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光學性質對熱效率的影響,認為對使用熔鹽工質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,熱效率僅增大0.6%。使用蒸汽工質的腔式吸熱器,則對發(fā)射率較為敏感。Antoine等[14]通過均化發(fā)電成本計算,對Pyromark 2500、LSM和氧化鈷三種涂層的耐用年限和成本效率進行了分析,得出Pyromark 2500具有明顯優(yōu)異的成本效率。國內尚無替代進口涂層的技術。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,但尚無工程應用實例。

4.4 熔鹽防凝固與快速疏鹽技術

為防止熔鹽泄漏,需要在可能發(fā)生熔鹽泄漏、濺射的地方,設置防止熔鹽濺射裝置,或設置防火墻、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),并設置快速疏鹽系統(tǒng),可以避免吸熱器系統(tǒng)在停機后重啟時產生嚴重的熱應力。如果某處溫度過低,可使用輔助熱源。為防止熔鹽超溫,可采用多目標點鏡場調度策略,實現(xiàn)吸熱器表面能量的低溢化與熱流均勻化,同時聯(lián)合應用紅外熱像儀及壁溫測點對受熱壁面進行實時在線監(jiān)測,防止管屏超溫。

5 結束語

筆者概述了塔式光熱電站使用的熔鹽吸熱器,列舉了國內外已投入商業(yè)運行和在建的塔式光熱電站項目。筆者同時對熔鹽吸熱器的結構進行了介紹,分析了國內外吸熱器廠家的技術成熟度,并歸納了吸熱器設計制造中的四項關鍵性技術。