塔式熔鹽光熱項目布置方案對比分析與研究

摘要：探討光熱項目布置方案的選擇問題時，以三峽恒基能脈瓜州70萬kW“光熱儲能+”項目的具體布置為例。針對該項目可采用的單塔單機、雙塔雙機和雙塔一機3種不同布置方案，主要從系統(tǒng)配置、管道工程量、經(jīng)濟性等方面進行了詳細(xì)的對比分析，揭示了各種布置方案的優(yōu)劣及其對項目整體性能的影響。綜合考慮各方面因素后，項目選擇了雙塔雙鏡場單機的布置方案，這一選擇不僅體現(xiàn)了雙塔一機方案在提升系統(tǒng)可靠性方面的顯著優(yōu)勢，還進一步凸顯了其在項目經(jīng)濟性成本效益上的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：光熱儲能 布置方案 系統(tǒng)配置 經(jīng)濟性

Comparative Analysis and Research on Layout Schemes for Tower-Type Salt Solar Photothermal Projects

LU Wen

Gansu Installation and Construction Group Co.， Ltd.， Lanzhou， Gansu Province，730050 China

Abstract： When talking about the selection of layout modes for salt solar photothermal projects， we take the specific layout of the Sanxia Hengji Energy Vein Guazhou 700 MW \"Solar Photothermal Energy Storage+\" project as an example. A detailed comparative analysis was conducted on three different layout schemes that can be adopted for this project， namely single-tower single-machine， double-tower doublel-machine， and double-tower single-machine， mainly from the aspects of system configuration， pipeline engineering quantity， and economy. The advantages and disadvantages of each layout scheme and their impact on the overall performance of the project were revealed. After comprehensively considering various factors， the project chose the dual-tower dual-mirror-field single-generator layout scheme. This choice not only reflects the significant advantages of the dual-tower single-generator scheme in enhancing system reliability but also further highlights its superiority in terms of project economic cost-effectiveness.

Key Words： Solar photothermal energy storage; Layout scheme;"System configuration; Economic

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和可再生能源的蓬勃興起，光熱發(fā)電作為一種高效、清潔的能源形式，受到了越來越多的關(guān)注^[1]。三峽恒基能脈瓜州70萬kW “光熱儲能+”項目作為光熱發(fā)電領(lǐng)域的重要實踐，其布置方案的選擇對確保項目的順利實施及優(yōu)化其性能表現(xiàn)具有至關(guān)重要的影響。

在光熱發(fā)電領(lǐng)域的歷史長河中，前人已經(jīng)積累了大量的研究工作。從早期的理論奠基，到后續(xù)的技術(shù)革新與應(yīng)用實踐，眾多學(xué)者和專家在系統(tǒng)設(shè)計、材料選型、熱效率提升等多個維度上進行了全面而深入的研究。特別是在布置方案這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)地域差異、氣候差異和項目規(guī)模的差異，提出了多種切實可行的布置方案，并對這些方案進行了詳盡的對比性分析。

在此背景下，本文旨在通過對比分析多種布置方案，選出最優(yōu)的布置方案，為同類項目的規(guī)劃與實施提供有益的參考。

1" 不同布置方案的結(jié)構(gòu)特點

塔式熔鹽光熱項目在布置方案方面主要存在單塔單機、雙塔雙機和雙塔一機3種方案，每種方案都有其獨特的特點和適用場景。

1.1單塔單機方案

塔式熔鹽光熱項目普遍采用單塔單機的布置方案，其特點是一個集熱塔對應(yīng)一臺發(fā)電機組，適合鏡面采光總面積比較小的項目^[2]。該方案結(jié)構(gòu)相對簡單，在這種方案下，一個集熱塔對應(yīng)1臺發(fā)電機組，能夠高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。隨著鏡面采光總面積的不斷增大，鏡場效率呈現(xiàn)下滑趨勢，會產(chǎn)生經(jīng)濟性不足的現(xiàn)象。

1.2雙塔雙機方案

雙塔雙機方案^[3]是指兩個集熱塔分別對應(yīng)2臺發(fā)電機組。這種布置方案可以在提高單臺機組容量及發(fā)電效率的同時不降低鏡場的效率，在提升系統(tǒng)容量和可靠性方面

具有一定優(yōu)勢，但也可能增加管道工程量和投資成本。

1.3雙塔一機方案

雙塔一機方案是指兩個集熱塔共同為1臺發(fā)電機組提供熱量。該方案在提升系統(tǒng)可靠性和靈活性方面具有顯著優(yōu)勢，同時也有助于優(yōu)化管道布局和減少工程量。它能夠在保證發(fā)電效率的同時，降低建設(shè)和運維成本，為光熱項目的發(fā)展提供了新的思路。

2" 不同方案布置的對比分析

單塔單機、雙塔雙機及雙塔一機這3種方案的聚光集熱系統(tǒng)，在基礎(chǔ)的配置架構(gòu)上是基本相同的，然而在涉及熱力系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱力控制系統(tǒng)及布局安排，以及特定的冷鹽泵、中繼罐、中繼冷鹽泵的配置等方面還存在差異。為了具體說明這些差異，本文以三峽恒基能脈瓜州70萬kW “光熱儲能+”項目為例。通過對比不同系統(tǒng)配置下的主要管道工程量，得出不同方案在實際應(yīng)用中的不同需求和工程復(fù)雜度。

2.1 項目概況

三峽恒基能脈瓜州70萬kW “光熱儲能+”項目是甘肅省首批大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)項目之一，該項目采用了與常規(guī)塔式光熱發(fā)電技術(shù)不同的“雙塔一機方案”。其光熱發(fā)電部分運用了塔式熔鹽技術(shù)，裝機容量達到100MW，并采用了雙塔一機的配置。定日鏡場占地面積廣闊，達到了301.07 hm²，配置了26 954面29.7m²的長方形定日鏡，總采光面積近81萬m²。

2.2 不同方案系統(tǒng)配置對比

采用三種不同布置方案的系統(tǒng)配置如表1所示。

2.2.1單塔單機與雙塔一機相比

二者的熱力系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱工控制系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量保持一致，均為1套。然而，雙塔一機方案在結(jié)構(gòu)上有所不同，它將原本的單個聚光集熱系統(tǒng)拆分為兩個獨立的子系統(tǒng)，并增設(shè)了中繼間和中繼泵。這一設(shè)計使得雙塔一機方案能夠在兩個鏡場中選擇聚光效率更高的一個進行使用，從而提高整體效率。

2.2.2雙塔一機與雙塔雙機相比

雙塔一機將原本雙塔雙機中的兩個獨立發(fā)電區(qū)合并為了一個單元。這一合并導(dǎo)致熱力系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及熱工控制系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量從兩套減少到了一套。盡管設(shè)備數(shù)量減少，但雙塔一機方案由于增設(shè)了中繼罐和中繼泵，其熔鹽泵的總數(shù)量在3個方案中是最多的。

2.2.3管道及保溫材料用量對比

單塔單機方案由于僅包含單套聚光集熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，因此其熱力系統(tǒng)及儲熱系統(tǒng)所使用的管道與保溫材料用量是最少的。相比之下，雙塔一機方案將發(fā)電區(qū)布置在地勢較低的塔下，增加了從另一座吸熱塔到儲換熱區(qū)域的熔鹽管道長度，從而導(dǎo)致其熱力系統(tǒng)及儲熱系統(tǒng)所使用的管道及保溫材料用量在三個方案中是最多的。而雙塔雙機方案，由于其系統(tǒng)配置為兩套2×50 MW，因此其熱力系統(tǒng)及儲熱系統(tǒng)的管道及保溫材料用量介于單塔單機和雙塔一機之間。

2.3 3種布置方案的特性分析

三峽恒基能脈瓜州70萬kW“光熱儲能+”項目為風(fēng)電、光伏、光熱一體化項目，光熱電站主要發(fā)揮儲能調(diào)峰^[4]作用，同時擬通過電加熱系統(tǒng)回收部分棄電，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軆Υ?sup>[5]到光熱電站熔鹽儲熱系統(tǒng)中。在白天光資源較好的時段，光熱電站對光伏讓路，以20%左右低負(fù)荷運行或停機。光熱電站低出力運行會導(dǎo)致系統(tǒng)平均效率降低，在此條件下雙塔雙擊的運行靈活性相較于單塔單機/雙塔一機更高^[6]。而在夜間晚高峰時段，光熱電站可以發(fā)揮其大容量儲熱系統(tǒng)的優(yōu)勢，在光伏沒有出力的情況下滿發(fā)運行，此時，單塔單機和雙塔一機因機組容量更大，更有利于提高熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率。對比這3種方案的優(yōu)缺點，如表2所示。

2.4 經(jīng)濟性對比

通過對3種方案在材料用量和系統(tǒng)配置方面進行了對比分析，得出3種方案的經(jīng)濟指標(biāo)差異，其結(jié)果如表3所示。

通過表3，可以得出以下結(jié)論。

2.4.1在經(jīng)濟性方面

雙塔一機方案相較于單塔單機方案，雖然投資增加了約6 500萬元，但每年可額外增加發(fā)電收入831萬元。投資增加部分的回收期約為7.82 a，這表明雙塔一機方案在經(jīng)濟上是可行的。對比雙塔雙機方案與單塔單機方案，發(fā)現(xiàn)雙塔雙機的投資增加高達約17 500萬元，而年額外增加的發(fā)電收入?yún)s僅為831萬元，導(dǎo)致投資增加部分的回收期長達約24.72 a。這一結(jié)果清晰地表明，雙塔雙機方案在經(jīng)濟上不具備優(yōu)勢。

2.4.2在技術(shù)性能方面

根據(jù)熔鹽管道的長度，對雙塔一機和雙塔雙機的冷鹽泵出口至吸熱器熔鹽管道進行了阻力計算。計算結(jié)果顯示，熔鹽管道長度的增加會導(dǎo)致管道散熱損失的增加，進而需要增加電伴熱的長度和功耗。具體來說，雙塔一機方案的長距離熔鹽管道增加的阻力約為0.912 MPa。然而，盡管存在這一阻力增加，雙塔雙機方案在將各個系統(tǒng)合并后，熱力系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)等用電設(shè)備的總量減少，同時設(shè)備容量增大，這有利于提高系統(tǒng)的運行效率，并降低全廠的電耗。此外，系統(tǒng)合并后還能在一定程度上減少運行和維護的工作量，從而降低運維費用。多塔一機方案（以雙塔一機為例）類似于并聯(lián)系統(tǒng)，相較于單塔串聯(lián)系統(tǒng)，其系統(tǒng)可靠性得到了提高。因此，雙塔一機方案不僅在經(jīng)濟性上有所提升，還使整個一體化項目的綜合效益得到了增強。

3" 項目選擇與實施

通過對3種工藝方案系統(tǒng)配置、主要管道工程量和經(jīng)濟性進行綜合比較，得出了以下結(jié)論。

在系統(tǒng)配置方面，雙塔一機方案相較于單塔一機方案，雖然初投資略有增加，但其發(fā)電量卻實現(xiàn)了顯著提升，從而展現(xiàn)出明顯的綜合經(jīng)濟性優(yōu)勢。此外，雙塔一機方案還增設(shè)了中繼泵和中繼罐，這一設(shè)計減小了長軸冷鹽泵的揚程，有效控制了振動，提高了冷鹽泵的運行可靠性。同時，該方案還有助于大幅度提升國產(chǎn)化率，為運行維護提供了有力保障。

在管道工程量方面，雙塔一機方案相較于雙塔雙機方案，通過優(yōu)化管道布局和減少管道數(shù)量，有效降低了工程量。這一優(yōu)勢不僅有助于降低項目成本，還能夠提高施工效率，從而進一步提升項目的整體效益。

在經(jīng)濟性方面，作為衡量布置方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，雙塔一機方案在項目經(jīng)濟性上展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。該方案通過提高系統(tǒng)可靠性和降低管道工程量，實現(xiàn)了成本的有效控制，進一步提升了項目的整體效益。

基于以上對比分析，三峽恒基能脈瓜州70萬kW“光熱儲能+”項目最終選擇了雙塔雙鏡場單機的布置方案。這一選擇不僅驗證了雙塔一機方案在提升系統(tǒng)可靠性方面的顯著優(yōu)勢，還進一步證明了其在項目經(jīng)濟性上的優(yōu)越性。通過實施該布置方案，項目成功實現(xiàn)了高效、清潔的能源生產(chǎn)，為當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)的調(diào)整和可持續(xù)發(fā)展作出了重要貢獻。

綜上所述，雙塔一機方案以其出色的系統(tǒng)配置、優(yōu)化的管道工程量以及顯著的經(jīng)濟性優(yōu)勢，成為了三峽恒基能脈瓜州70萬kW “光熱儲能+”項目的理想選擇。

4 結(jié)語

通過對三峽恒基能脈瓜州70萬kW“光熱儲能+”項目布置方案的研究，揭示了不同布置方案在系統(tǒng)配置、主要管道工程量、經(jīng)濟性等方面的表現(xiàn)。通過對比分析，項目選擇了雙塔雙鏡場單機的布置方案，并驗證了其在提升系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢。未來，隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，同類項目的規(guī)劃與實施將更加注重布置方案的選擇和優(yōu)化。

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