塔式熔盐光热电站设计关键点浅析

塔式熔盐光热电站设计关键点浅析

梁新锋

（山东电力建设第三工程有限公司山东青岛266100）

摘要：摩洛哥努奥三期150MW塔式熔盐光热电站是世界上目前在建同类项目上容量最大的项目，该项目主要采用西班牙公司SENER的关键技术，多项参数及技术数据位居世界首位。通过对努奥三期150MW塔式熔盐光热电站太阳能系统设计几个关键点的分析研究，可以为我国国内同类型光热项目的设计研究提供借鉴和帮助作用。

关键词：努奥、设计、熔盐、塔式、吸热器、定日镜、镜场控制系统、瞄准策略

1引言

SENER是世界上第一个商业运行的塔式熔盐光热电站Gemasolar（19.9MWe）的技术提供方、主要的EPC承包方和业主，该电站于2011年4月开始商业运行。基于该电站的设计、施工及累计6年多的运行经验，SENER完成了摩洛哥努奥三期项目150MW塔式熔盐光热电站设计工作，并为后续大型塔式熔盐光热电站的发展奠定了基础。

2采用专业软件优化设计

在塔式熔盐光热电站的设计阶段，当镜场规模、汽轮机功率和储热容量的设计范围相结合时，可以有数千种组合方案，每个方案都会导致不同的LCOE（平均电力成本），因此必须在这上千种方案中选择最有利的那个方案。这就需要一个模拟软件能够完成下述任务：

1)准确计算年度全厂性能

2)预估项目成本（用于设计目的）

3)以迭代模式管理上千种设计方案

目前市场上还缺乏完全成熟的模拟软件来正确地模拟塔式熔盐光热电站，因为通常模拟器不能确切地表示的吸热器的实际限制和配置。这就可能导致模拟的年度性能结果与实际运行中性存在的显著差异。一般不考虑吸热器的一些限制条件会导致对年度性能的不现实的过激预测。

努奥三期的性能模拟是通过SENSOL软件进行的，这个软件是SENER为了光热项目的技术经济优化而开发的，SENSOL的几个显著特点为：

1)基于正在运行的14个槽式光热电站和1个塔式电站的数据进行精确调整，具有超过8年的高分辨率数据；

2)可作为银行能接受的第三方认证工具以确定项目融资方案中的性能保证；

3)迭代模式：自动计算数千个案例，以便进行最佳设计选择（例如最低的LCOE情况）。

4)实施“智能运行策略”，以实现在最高能源销售高峰时段的发电量最大化。该策略可以在DCS中编程实现，但实际的策略还要基于独立的天气预报。

SENSOL迭代模式举例.3D展示100MW槽式光热电站完整设计范围（镜场和储热）LCOE平均电力成本分析。

SENSOL软件每年持续改进性能计算和工厂优化。基于此，SENER认为SENSOL代表了CSP性能设计+计算+优化的最新技术。SENER通过SENSOL软件对努奥三期的定日镜数量+汽轮机功率+储热容量的组合在项目的特定条件进行了优化以获得最低的LCOE平均电力成本，同时他们也考虑到高峰时段时间内不同的能源销售价格（比标准时间高约15％），高峰时段时段每天持续5个小时。

3定日镜设计选型

努奥三期中使用的大面积定日镜HE54（54个小镜面）是在Gemasolar电厂采用的中等面积定日镜HE35（35个小镜面）的基础上发展而来的，具有178.5m2（HE35具有115.7m2）的反射表面，背部采用力矩管式钢结构支撑和预应力混凝土桩基，定日镜HE54大大降低了每平方米的太阳能领域成本，目前是用于商业大型CSP工厂的最大的定日镜。

HE54定日镜的优化设计在投入实际应用之前已经在风洞，实验室和现场等各个层面进行了全面测试和验证。实际上，在2014年努奥项目开始之前，SENER已经在Gemasolar工厂安装了HE54机组进行现场测试，包括其光学性能和指向精度。同时，在摩洛哥努奥一期的现场（与努奥三期相似地质条件）对HE54预应力混凝土桩基进行了全面的力学实验，确保了其设计的可靠性。

4吸热器设计选型

与定日镜类似，努奥三期采用的660MWth吸热器也是从Gemasolar吸热器的基础上发展而来，在所有的环境条件下都具有5年以上的运行经验，经历了西班牙天气中大量的云瞬变的考验。

从风险的角度来看，努奥三期的吸热器可能比Gemasolar（660对120MWth）要大得多，但必须考虑到两个吸热器的工作条件是相同的，这是确保其完整性的保证。下述这些运行参数基本上决定了接收器的应力：

1)外表面上的最大入射光通量；

2)面板管的壁厚；

3)通过管道的最大融盐流速；

SENER在Gemasolar项目之后成立了专门小组，旨在研究设计大型塔式发电厂（>100MWe）的660MWth高功率吸热器。同时，在正式开始生产努奥三期吸热器之前，SENER已完成了吸热器关键部件（如管，集箱，连接件等）的原型，用以证明优化设计的可制造性。

5镜场控制系统和瞄准系统设计

用于商业塔式光热电站的熔盐吸热器从每单位面积的定日镜场收集大量能量，其浓度因子可以达到1000：1以上。对于Gemasolar：

定日镜场镜面积：2650x115.72平方米=306658平方米

接收器暴露面积：Pi×8.1米直径×10.6米高度=270平方米

浓度比（平均）=306658/270=1136

在吸热器表面上发生的能量集中是如此之高，以至于如果场中的所有定日镜都指向吸热器的中心，则入射通量将达到高于2000kW/m2的峰值水平。在这种情况下，吸热器就会在几个操作周期中被永久损坏（棘轮效应，失效发生得非常快）。目前用于吸热器的材料允许的最大峰值流量范围为1000-1200kW/m2。因此，塔式熔盐光热电站需要优化定日镜瞄准策略，沿吸热器整个表面散播反射能量以降低峰值入射通量，满足材料极限。

但这种瞄准策略也会减少吸热器得到的能量，这是一个由此带来的副作用，例如由于定日镜的扩散，导致吸热器溢出增加以及全厂的年度性能的下降，但这是无法避免的。

由于有Gemasolar的经验，SENER也在始终微调SENSOL软件，以准确地模拟以下几个方面：

1)吸热器限制：这取决于材料、所考虑的回路数和接收器的特定几何形状（管子直径，壁厚，面板数量，温度分布等）。每个面板的太阳入射通量限制是不同的。同时，通量限制取决于接收器输出功率（与通过接收器的熔盐流量成正比）。

2)定日镜瞄准策略：这直接取决于吸热器通量限制，必须在性能模拟工具中实施，例如模拟工具必须按每个时间步骤将每个定日镜对准接吸热器表面特定点以便准确计算吸热器上的能量溢出。

微调模型并考虑吸热器通量限制和定日镜瞄准策略是非常重要的，如果没有充分考虑到吸热器在仿真中的限制会导致对年度性能的不现实的过度预测。

6结论

通过对SENER在努奥三期中太阳能系统设计的初步分析，可以看出定日镜的设计选型，配套吸热器的设计，镜场控制及瞄准策略的设计以及通过专门软件对整个太阳能系统设计的优化是保证塔式熔盐光热电站太阳能系统性能满足要求的关键点。同时，将关键部件（如定日镜和接收器）的技术原型提前制造出来并通过测试进行验证也非常重要。

参考文献

[1]S.Relloso,M.Domingo.SolarprojectsanalysisusingSENSOL.SolarPaces2006Symposium.Seville,Spain.

作者简介

梁新锋工作单位：山东电力建设第三工程有限公司职务：努奥项目部总工。