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關于塔式光熱電站吸熱器,你應該知道這些
發布者:本網記者Grace | 來源:CSPPLAZA光熱發電網 | 1評論 | 15662查看 | 2018-01-04 18:43:00    
——光熱(re)示范項(xiang)目(mu)供應鏈關鍵產(chan)品設備系列(lie)報(bao)道之吸熱(re)器(qi)篇

CSPPLAZA光熱發電網報道:對塔式光熱發電技術來說,吸熱器是類似于槽式技術中的高溫真空集熱管一樣的核心裝備,其承擔著吸收太陽熱能的重要作用。

塔式吸熱器的技術含量很高,目前全球范圍內擁有塔式吸熱器設計制造能力的企業為數不多。那么,吸熱器在加工制造過程中有哪些技術難點?運行工況較嚴苛的吸熱器管材應如何選擇?光熱項目業主及EPC方在采購吸熱器時應該考慮哪些因素?吸熱器在運行過程中應注意哪些問題?吸熱器的供貨周期及成本下降空間如何?帶著上述問題,CSPPLAZA記者采訪了幾家業內知名的吸熱器廠商。

吸熱管選材:普遍選用625與230材料

在塔式熔鹽光熱電站中,吸熱器的太陽能流密度大,且其要在高溫、腐蝕的工況下運行,這對吸熱器管材的選擇提出了非常高的要求。據了解,目前眾多吸熱器廠商普遍選用鎳基合金材料如625耐蝕合金鋼或Haynes230作為吸熱管材料。

那么,這兩種材料是否均能滿足吸熱器運行條件,兩者又有何不同呢?對此問題,東方鍋爐股份有限公司(簡稱“東方鍋爐”)相關技術負責人表示,二者都具有非常良好的耐高溫、耐腐蝕和抗疲勞特性,均可作為吸熱管材料,且均有一定的應用先例。

杭州鍋爐技術人員援引了ASME材料數據表中的資料表示,二者在600℃以下的平均熱膨脹系數差異細微、高溫抗疲勞性能接近。在高溫強度方面,當溫度大于750℃時,230的強度稍優,而在750℃以下,625的高溫強度優于230;在耐高溫熔鹽的腐蝕方面,625材料的腐蝕速率略小于230;在焊接加工方面,230材料含鎢量高,切削焊接性能不如625。

來自北京巴布科克·威爾科克斯有限公司(簡稱“北京巴威”)的代表則表示,由于625材料的使用溫度通常不超過650℃,因此其對熔鹽吸熱器表面的熱流分布要求較高,需要較好地實施光斑控制策略。

此外,CMI太陽能公司(簡稱“CMI”)方面表示,其對230材料的耐腐蝕性及應力情況等進行了深入研究,并通過大量的檢驗和檢測確認該材料是極佳的選擇。但是,該公司表示特定規格的625材料(并非所有的)應可作為管材,但需要進行進一步研究,同時項目是否采用ASME標準也會影響材料的選型。

國內外吸熱器產品均在不斷優化和創新

在熔鹽塔式光熱電站中,吸熱器正常工作時需要耐受600℃以上的高溫條件、2MPa左右的工作壓力,而吸熱器本身通常包含數以千計的吸熱管,數以萬計的焊接端口,每個焊接端口的質量都會影響到吸熱器的可靠性,因此吸熱器對加工工藝提出了非常高的要求。

杭州鍋爐集團股份有限公司(簡稱“杭州鍋爐”)技術人員告訴CSPPLAZA記者,在吸熱器加工制造過程中,各生產廠家普遍面臨薄壁鎳基管材的彎管、焊接、管屏的組裝和涂層的烘干等方面的技術難題,具體包括:小口徑薄壁彎管的彎制;薄壁管接頭和集箱對接;集箱、管接頭、管組制造和裝配精度的控制;薄壁管接頭與集箱的焊接變形的控制;薄壁且異種鋼管對接;熱處理變形的控制;管屏表面吸收涂層的噴涂工藝等。

由于設計和制造難度較大,準入門檻較高,再加上商業化光熱項目目前還比較少,導致目前全球范圍內擁有塔式吸熱器制造能力的企業較少,擁有商業化應用案例的更是屈指可數。但得益于塔式光熱技術近幾年異軍突起,漸有超越槽式技術之勢,同時中國光熱發電市場也正式啟動,為了迅速適應和占領市場,已進入該領域的國內外吸熱器廠商正在不斷對各自產品進行優化設計和創新。

  圖:相關吸熱器廠商及業績統計

據CMI方面介紹,經過多年研究和實踐,該公司已形成了一系列獨有的定制化的創新設計。以該公司智利ATACAMA項目上所制造的吸熱器為例,該吸熱器的表面由16個管屏排列組成,形成2個并聯的回路,每個回路由8個管屏組成,同時滿足熔鹽在不同管屏內的流速和壓降的限制條件。

此外,為保障吸熱器的安全運行,CMI對吸熱器內部的入口罐以及空氣罐進行特殊設計,并結合該公司開發的紅外溫度以及應力實時監控系統,從而避免出現吸熱器過熱現象。同時,CMI吸熱器的鋼結構以及護板采用全螺栓式的結構,在現場組裝時,無需焊接,有助于減少現場安裝工作量;在進行設備維修工作時,只要卸掉相應位置的螺栓即可,便于對管屏進行維護和保養。據悉,該公司保溫密封護板結構、紅外溫度以及應力實時監控系統及吸熱器維護系統都已獲得專利。

  圖:采用CMI吸熱器產品的南非Khi Solar One塔式光熱發電項目

中外合資企業北京巴威公司則通過引進美國B&W公司完整的吸熱器技術授權,完成了50MWe-100MWe大容量吸熱器的研發,并成功參與了國內多個項目投標。北京巴威公司在執行國際通用ASME相關標準規范的同時,又針對國內情況對于各種細節考慮都進行了深入研究:吸熱器及剛性梁的結構設計結合了美方的工程設計經驗,考慮了管子在各個方向上的膨脹及應力;同時管屏的剛性可以抵御各種外來荷載,保證吸熱器管屏的穩定性。此外,整個吸熱器系統采用三維軟件進行詳細設計,有效保證了各個部件之間的接口和裝配,避免發生碰撞,并預留出足夠的檢修操作空間。

圖:北京巴威向esolar加州Sierra塔式光熱電站交(jiao)付的(de)吸熱器


國產供應商方面,經過近年來積極參與一些試驗項目和首批光熱示范項目,東方鍋爐和杭州鍋爐、首航節能等企業也在逐步崛起,在積累了一定項目業績的同時,也研發出了擁有自主知識產權的吸熱器制造技術并不斷進行優化和創新。

截止目前,東方鍋爐已完成了300MWt與600MWt容量等級的熔鹽吸熱器的全面自主開發與詳細的技術設計,形成了系列化的技術設計標準及完整的運行控制策略。

  圖:延慶1MW塔式光熱發電試驗項目選擇了東方鍋爐生產的吸熱器

在結構設計方面,東方鍋爐吸熱器采用獨立的模塊化成套管屏結構,便于廠內設計制造、整體運輸、現場組裝及后期的更換與維護;合理的流速選取、流程設置及管屏數量,減小了吸熱器的沿程阻力損失;適當的管屏寬度,保證了受熱均勻,減小了流量偏差與熱偏差;選用耐腐蝕、耐高溫及抗熱沖擊的薄壁高鎳合金管材料,可滿足吸熱器高熱流、非均勻受熱及頻繁啟停需求,同時減小散熱面積,提高效率及降低成本;獨立的限位固定管夾設置,允許管子軸向自由膨脹,限制其徑向變形出列,保證吸熱器安全運行及減小露光損失;專用的熱套管結構,減小了集箱管接頭熱沖擊所產生的局部高熱應力,延長使用壽命。完整的吸熱器運行控制策略,保證了吸熱器在各工況尤其是突發狀況下的安全穩定運行。

而杭州鍋爐在塔式吸熱器產品的研發歷程已有8年多的時間,其已完成了水工質吸熱器及熔鹽工質吸熱器產品的設計與供貨,并成功實施了從數值模擬到小型試驗(200kWt)再到10MWe級光熱示范項目。在上述研究的基礎上已經完成了300MWt、600MWt熔鹽吸熱器的研制工作(分別對應于50MW、100MW電功率,約10h儲熱時長的塔式電站)。

今年4月18日,杭州鍋爐順利拿下了青海中控太陽能德令哈50MW項目的熔鹽吸熱系統訂單,供貨范圍包括吸熱器本體、管道閥門儀表伴熱和輔機系統(空壓系統、電梯和塔吊等)。

圖:杭州鍋爐吸熱器(qi)應用于中控(kong)太陽(yang)能10MWe塔式光熱發(fa)電項目


另外(wai),首航(hang)節能在(zai)其敦煌10MW和100MW光熱發(fa)電項目上,則(ze)統一采用了其自己生產的(de)吸(xi)熱器。


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圖(tu):首航節能(neng)敦(dun)煌10MW熔(rong)鹽(yan)塔式光熱電站吸熱器正(zheng)在(zai)工(gong)作中


運行過程易出現問題及應對措施  


鑒于運行(xing)溫(wen)度高、太陽(yang)能(neng)熱源的(de)間歇性(xing)和系統介質熔(rong)鹽(yan)的(de)腐蝕(shi)性(xing)等(deng)因素,吸熱器在運行(xing)過程(cheng)中(zhong)可能(neng)會面臨(lin)熔(rong)鹽(yan)泄漏(lou)、凍堵及(ji)超(chao)溫(wen)等(deng)問題,如不能(neng)妥善處理,可能(neng)造成人(ren)身(shen)傷(shang)害(hai)或危及(ji)相關設備,最(zui)終影(ying)響電(dian)站的(de)正(zheng)常運行(xing)及(ji)經濟收(shou)益。


對此(ci),東(dong)方(fang)鍋爐方(fang)面(mian)表示,為防(fang)止熔鹽(yan)(yan)泄漏,應(ying)(ying)根據實際情況(kuang),在可能(neng)發(fa)生(sheng)熔鹽(yan)(yan)泄漏、濺射(she)的(de)地方(fang),要設(she)(she)置防(fang)止熔鹽(yan)(yan)濺射(she)的(de)裝置,或(huo)設(she)(she)置防(fang)火墻(qiang)、防(fang)爆(bao)墻(qiang)等隔離裝置。針(zhen)對熔鹽(yan)(yan)凝固,可采用(yong)成熟(shu)、可靠的(de)伴熱(re)系(xi)(xi)統(tong)設(she)(she)計(ji)及快速疏鹽(yan)(yan)系(xi)(xi)統(tong)設(she)(she)置,同時避免次日(ri)系(xi)(xi)統(tong)重啟時產生(sheng)嚴重的(de)熱(re)應(ying)(ying)力。如果某處溫(wen)度過低,可使用(yong)輔助熱(re)源。為防(fang)止熔鹽(yan)(yan)超溫(wen),可采用(yong)多目標點(dian)(dian)鏡場調度策略,實現(xian)吸熱(re)器(qi)表面(mian)能(neng)量的(de)低溢(yi)化與熱(re)流(liu)均勻(yun)化,同時可聯合運(yun)用(yong)紅外(wai)熱(re)像儀及壁溫(wen)測點(dian)(dian)對受(shou)熱(re)壁面(mian)進行實時在線監(jian)測,防(fang)止管(guan)屏超溫(wen)。


在吸(xi)(xi)熱(re)(re)(re)(re)(re)器運行(xing)過程中,其表(biao)面(mian)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)流變化通常會受到來云(yun)的(de)(de)影響,容易造(zao)成對吸(xi)(xi)熱(re)(re)(re)(re)(re)器的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)沖擊。而為控(kong)制好(hao)吸(xi)(xi)熱(re)(re)(re)(re)(re)器表(biao)面(mian)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)流分布,杭州(zhou)鍋爐方(fang)面(mian)認為可以用可靠(kao)的(de)(de)鏡場算法及快速的(de)(de)調度方(fang)案防止(zhi)吸(xi)(xi)熱(re)(re)(re)(re)(re)器表(biao)面(mian)超溫,并定期檢查吸(xi)(xi)熱(re)(re)(re)(re)(re)管(guan)外表(biao)面(mian)的(de)(de)涂層(ceng)和(he)吸(xi)(xi)熱(re)(re)(re)(re)(re)管(guan)的(de)(de)變形情(qing)況。


同(tong)時,杭州鍋爐(lu)方面表示,冷鹽(yan)泵故障或失去電源對吸熱器是一個潛在(zai)的(de)威脅,如果在(zai)上述情況下(xia)沒有可靠(kao)的(de)安全措施(shi)(目前通常采用(yong)帶壓縮氣體儲能的(de)進口罐作為事故安全措施(shi)),吸熱器會(hui)因為失去熔鹽(yan)的(de)冷卻(que)而導致超(chao)溫甚至燒(shao)毀。


北京(jing)巴(ba)威方(fang)面表示(shi),應(ying)(ying)對(dui)吸熱(re)器的(de)(de)閥門和(he)可能發生熔鹽(yan)泄(xie)露(lu)的(de)(de)部位進行經常性檢查,并采取正確的(de)(de)措(cuo)施(shi)保(bao)證(zheng)人員和(he)設備安全。此外,在吸熱(re)器設計時應(ying)(ying)做好(hao)周全考慮(lv),以(yi)良(liang)好(hao)的(de)(de)設計方(fang)案為基礎,完(wan)備的(de)(de)啟動與運(yun)行策(ce)略作保(bao)證(zheng),確保(bao)吸熱(re)器及整個光熱(re)電站的(de)(de)可靠性。


供貨周期長和成本高問題如何解決?  


據(ju)吸(xi)熱(re)器(qi)(qi)(qi)供應商普遍(bian)反映,目前吸(xi)熱(re)器(qi)(qi)(qi)材料供貨方(fang)的供貨周期通常在6-9個(ge)月之(zhi)間(jian),加上(shang)吸(xi)熱(re)器(qi)(qi)(qi)的制造及運輸通常需要3-4個(ge)月的時間(jian),因此吸(xi)熱(re)器(qi)(qi)(qi)整(zheng)體供貨周期大約(yue)在9-12個(ge)月之(zhi)間(jian)。


對(dui)此問題(ti),東方鍋爐方面表(biao)示(shi),隨著光熱(re)(re)行業的規(gui)模化發展(zhan)及關鍵材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的國產化推進,吸熱(re)(re)器供貨周(zhou)期將大(da)大(da)縮短。杭州鍋爐方面則表(biao)示(shi),吸熱(re)(re)器制造周(zhou)期的瓶(ping)頸在(zai)于原(yuan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)及配套件的采購周(zhou)期。目前,塔式熔鹽光熱(re)(re)項(xiang)目吸熱(re)(re)器通常(chang)采用進口材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao),而(er)不(bu)同項(xiang)目對(dui)吸熱(re)(re)器管材(cai)(cai)(cai)的規(gui)格要(yao)求多樣,這樣就(jiu)導致材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)采購周(zhou)期較長(chang)。


而(er)(er)針對(dui)吸熱器(qi)整體成(cheng)本目前(qian)仍較高(gao)的(de)問題,東方鍋爐方面表示,就國產吸熱器(qi)而(er)(er)言,其現(xian)階段的(de)成(cheng)本下降空間(jian)關(guan)鍵在于(yu)(yu)吸熱器(qi)原材料價格,同(tong)時也受制(zhi)于(yu)(yu)國內相關(guan)配套件產業鏈不完善(shan)或經驗欠缺等因素(su);從中長期來看,要推動吸熱器(qi)設備的(de)價格進一(yi)步(bu)下降,還需要在設備結構定型(xing)、制(zhi)造工藝提升(sheng)、生產自動化、材料性(xing)能進步(bu)等多方面進行努(nu)力。


CMI也表(biao)達了(le)類似的(de)觀點,并認為由(you)于(yu)吸熱器技術的(de)發展歷史(shi)較短,其成本下降是(shi)一個(ge)長遠(yuan)的(de)話題,目(mu)前(qian)各個(ge)廠商(shang)應從設(she)備研發、確保產品質量及積累(lei)項(xiang)目(mu)經驗等方面著手(shou),不斷提高(gao)產品競爭(zheng)力(li)。


北(bei)京(jing)巴(ba)威則補充道,隨(sui)著一些新(xin)的(de)吸(xi)熱介(jie)質如固體粒子(zi)的(de)出(chu)現及超(chao)臨界CO2技術(shu)的(de)日益完善,吸(xi)熱器的(de)成本也會不斷降低。


如何采購高性價比的吸熱器產品?  


隨著(zhu)中國首(shou)批光熱示范(fan)項目的(de)推進,部(bu)分項目的(de)采(cai)購工作(zuo)已經(jing)大規模展開。而在(zai)開發經(jing)驗極(ji)少和(he)可參(can)考信息非(fei)常有限的(de)前提下,如何(he)采(cai)購到高性價比的(de)關鍵裝(zhuang)備無疑(yi)是業主與EPC方極(ji)為關切的(de)重點(dian)問題。


目前已(yi)有多個(ge)采用(yong)塔式技術的首批示范項(xiang)目都(dou)已(yi)經完成或正在進行吸(xi)熱器設備的招標工作(zuo),那(nei)么,對于吸(xi)熱器的采購,供應商們會提出哪些(xie)建(jian)議(yi)呢?


東方(fang)鍋爐方(fang)面(mian)(mian)建議,業主及EPC方(fang)在(zai)進行吸熱(re)(re)器設(she)備采購(gou)時(shi),應(ying)選(xuan)擇(ze)品(pin)(pin)牌和(he)規模都相對(dui)較(jiao)好的(de)(de)大型熱(re)(re)能(neng)動(dong)力裝備制(zhi)造企業,綜合(he)考慮廠商在(zai)產品(pin)(pin)設(she)計研發(fa)、制(zhi)造工藝、及質量控制(zhi)等方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)水平。另外(wai),對(dui)國內品(pin)(pin)牌應(ying)給予一定的(de)(de)信任與支(zhi)持,促進光(guang)熱(re)(re)產業鏈(lian)的(de)(de)發(fa)展與完善,降(jiang)低(di)光(guang)熱(re)(re)發(fa)電(dian)成本,推動(dong)光(guang)熱(re)(re)產業的(de)(de)發(fa)展。


杭州(zhou)鍋爐方面也表達了類似(si)的觀點(dian),其認為業主(zhu)和(he)EPC方除(chu)了考慮價格因素(su)(su),還(huan)應考慮設(she)備的運行成本、維護(hu)速(su)度及服(fu)務質(zhi)量等因素(su)(su)。此外,由于(yu)吸熱器的供貨周期較長,業主(zhu)或(huo)EPC方進應做好統籌安排(pai),以免(mian)影響項(xiang)目(mu)的整(zheng)體進展。


目(mu)前(qian)(qian),業主和EPC方大多將吸熱器和鏡(jing)場合成一個采購包開展招(zhao)標工作,這(zhe)樣有(you)利(li)于設備和系統的內部優化,提(ti)(ti)高整體效率和可靠性。但(dan)是(shi),從目(mu)前(qian)(qian)已(yi)招(zhao)標項(xiang)(xiang)目(mu)的付(fu)款條件來看,制造商前(qian)(qian)期墊資(zi)負擔過重。對此,北京巴威呼吁(yu)道:“在鎳基材料非常昂貴的前(qian)(qian)提(ti)(ti)下,我們希望項(xiang)(xiang)目(mu)的付(fu)款方式(shi)更為合理,在獲(huo)得必要的資(zi)金投入的前(qian)(qian)提(ti)(ti)下確保合同的順(shun)利(li)執行(xing)。”


而(er)在(zai)談及國(guo)(guo)內(nei)(nei)外吸(xi)熱器產品(pin)的差異時,受訪企業(ye)大(da)都(dou)表示(shi),光熱發電事業(ye)在(zai)國(guo)(guo)外的起(qi)步與發展較早,因(yin)此國(guo)(guo)外廠商(shang)主(zhu)要在(zai)設計、制造(zao)及運(yun)(yun)行經(jing)驗方(fang)面(mian)(mian)相(xiang)對較為成熟(shu),大(da)容量的投運(yun)(yun)業(ye)績(ji)更(geng)容易贏(ying)得業(ye)主(zhu)信(xin)賴。但就(jiu)國(guo)(guo)內(nei)(nei)項目而(er)言,進(jin)口吸(xi)熱器在(zai)設備成本、制造(zao)周期、海(hai)關運(yun)(yun)輸、現場服(fu)務、備品(pin)備件(jian)等方(fang)面(mian)(mian)會存在(zai)諸多不便(bian),國(guo)(guo)內(nei)(nei)廠商(shang)在(zai)這一(yi)方(fang)面(mian)(mian)相(xiang)對具有優勢。

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zjchuaran
美國巴威除設計了熔鹽塔式接收器,近期還設計了固體例子接收器,結構與桑迪亞的很類似,希望大家在關注現有熔鹽塔式技術的同時,最好也關注一下美國第三代光熱發電技術的進展。估計美國會采用跨越式發展模式,今后將直接采用固體粒子塔式太陽能熱發電技術,特別是與超臨界二氧化碳發電技術結合,再創美國第一。
2018-01-15 12:27:13
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