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        2. 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 | 12178查看 | 2018-01-04 18:43:00    
          ——光熱示范項目供應鏈關鍵產品設備系列報道之吸熱器篇

          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塔式光熱電站交付的吸熱器


          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:杭州鍋爐吸熱器應用于中控太陽能10MWe塔式光熱發電項目


          另外,首航節能在其敦煌10MW和100MW光熱發電項目上,則統一采用了其自己生產的吸熱器。


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          圖:首航節能敦煌10MW熔鹽塔式光熱電站吸熱器正在工作中


          運行過程易出現問題及應對措施  


          鑒于運行溫度高、太陽能熱源的間歇性和系統介質熔鹽的腐蝕性等因素,吸熱器在運行過程中可能會面臨熔鹽泄漏、凍堵及超溫等問題,如不能妥善處理,可能造成人身傷害或危及相關設備,最終影響電站的正常運行及經濟收益。


          對此,東方鍋爐方面表示,為防止熔鹽泄漏,應根據實際情況,在可能發生熔鹽泄漏、濺射的地方,要設置防止熔鹽濺射的裝置,或設置防火墻、防爆墻等隔離裝置。針對熔鹽凝固,可采用成熟、可靠的伴熱系統設計及快速疏鹽系統設置,同時避免次日系統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,實現吸熱器表面能量的低溢化與熱流均勻化,同時可聯合運用紅外熱像儀及壁溫測點對受熱壁面進行實時在線監測,防止管屏超溫。


          在吸熱器運行過程中,其表面的熱流變化通常會受到來云的影響,容易造成對吸熱器的熱沖擊。而為控制好吸熱器表面的熱流分布,杭州鍋爐方面認為可以用可靠的鏡場算法及快速的調度方案防止吸熱器表面超溫,并定期檢查吸熱管外表面的涂層和吸熱管的變形情況。


          同時,杭州鍋爐方面表示,冷鹽泵故障或失去電源對吸熱器是一個潛在的威脅,如果在上述情況下沒有可靠的安全措施(目前通常采用帶壓縮氣體儲能的進口罐作為事故安全措施),吸熱器會因為失去熔鹽的冷卻而導致超溫甚至燒毀。


          北京巴威方面表示,應對吸熱器的閥門和可能發生熔鹽泄露的部位進行經常性檢查,并采取正確的措施保證人員和設備安全。此外,在吸熱器設計時應做好周全考慮,以良好的設計方案為基礎,完備的啟動與運行策略作保證,確保吸熱器及整個光熱電站的可靠性。


          供貨周期長和成本高問題如何解決?  


          據吸熱器供應商普遍反映,目前吸熱器材料供貨方的供貨周期通常在6-9個月之間,加上吸熱器的制造及運輸通常需要3-4個月的時間,因此吸熱器整體供貨周期大約在9-12個月之間。


          對此問題,東方鍋爐方面表示,隨著光熱行業的規模化發展及關鍵材料的國產化推進,吸熱器供貨周期將大大縮短。杭州鍋爐方面則表示,吸熱器制造周期的瓶頸在于原材料及配套件的采購周期。目前,塔式熔鹽光熱項目吸熱器通常采用進口材料,而不同項目對吸熱器管材的規格要求多樣,這樣就導致材料采購周期較長。


          而針對吸熱器整體成本目前仍較高的問題,東方鍋爐方面表示,就國產吸熱器而言,其現階段的成本下降空間關鍵在于吸熱器原材料價格,同時也受制于國內相關配套件產業鏈不完善或經驗欠缺等因素;從中長期來看,要推動吸熱器設備的價格進一步下降,還需要在設備結構定型、制造工藝提升、生產自動化、材料性能進步等多方面進行努力。


          CMI也表達了類似的觀點,并認為由于吸熱器技術的發展歷史較短,其成本下降是一個長遠的話題,目前各個廠商應從設備研發、確保產品質量及積累項目經驗等方面著手,不斷提高產品競爭力。


          北京巴威則補充道,隨著一些新的吸熱介質如固體粒子的出現及超臨界CO2技術的日益完善,吸熱器的成本也會不斷降低。


          如何采購高性價比的吸熱器產品?  


          隨著中國首批光熱示范項目的推進,部分項目的采購工作已經大規模展開。而在開發經驗極少和可參考信息非常有限的前提下,如何采購到高性價比的關鍵裝備無疑是業主與EPC方極為關切的重點問題。


          目前已有多個采用塔式技術的首批示范項目都已經完成或正在進行吸熱器設備的招標工作,那么,對于吸熱器的采購,供應商們會提出哪些建議呢?


          東方鍋爐方面建議,業主及EPC方在進行吸熱器設備采購時,應選擇品牌和規模都相對較好的大型熱能動力裝備制造企業,綜合考慮廠商在產品設計研發、制造工藝、及質量控制等方面的水平。另外,對國內品牌應給予一定的信任與支持,促進光熱產業鏈的發展與完善,降低光熱發電成本,推動光熱產業的發展。


          杭州鍋爐方面也表達了類似的觀點,其認為業主和EPC方除了考慮價格因素,還應考慮設備的運行成本、維護速度及服務質量等因素。此外,由于吸熱器的供貨周期較長,業主或EPC方進應做好統籌安排,以免影響項目的整體進展。


          目前,業主和EPC方大多將吸熱器和鏡場合成一個采購包開展招標工作,這樣有利于設備和系統的內部優化,提高整體效率和可靠性。但是,從目前已招標項目的付款條件來看,制造商前期墊資負擔過重。對此,北京巴威呼吁道:“在鎳基材料非常昂貴的前提下,我們希望項目的付款方式更為合理,在獲得必要的資金投入的前提下確保合同的順利執行。”


          而在談及國內外吸熱器產品的差異時,受訪企業大都表示,光熱發電事業在國外的起步與發展較早,因此國外廠商主要在設計、制造及運行經驗方面相對較為成熟,大容量的投運業績更容易贏得業主信賴。但就國內項目而言,進口吸熱器在設備成本、制造周期、海關運輸、現場服務、備品備件等方面會存在諸多不便,國內廠商在這一方面相對具有優勢。

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          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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