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        2. 光熱電站項目要點和經濟效益分析
          來源:計鵬新能源 | 1評論 | 14837查看 | 2017-05-12 11:26:00    
          一、光熱電站政策支持


          1、國家能源局關于印發太陽能發電發展“十二五”規劃的通知(國能新能[2012]194號)——推動光熱進入實質性發展階段;


          2、科技部關于印發太陽能發電科技發展“十二五”專項規劃的通知(國科發計〔2012〕198號)——推動光熱技術研究工作;


          3、國家能源局關于公布創建新能源示范城市(產業園區)名單(第一批)的通知(能新能〔2014〕14號——推動光熱建筑一體化;


          4、國家能源局綜合司關于做好太陽能發展“十三五”規劃編制工作的通知(國能綜新能[2014]991號)——進行了多項關于光熱的課題研究;


          5、國家能源局關于組織太陽能熱發電示范項目建設的通知國能新能〔2015〕355號——開展示范項目的投標工作;


          6、國家能源局關于建設太陽能熱發電示范項目的通知[2016]223號——示范項目共20個,總計裝機容量134.9萬千瓦,分別分布在青海省、甘肅省、河北省、內蒙古自治區、新疆自治區;


          7、國家發展改革委出臺《關于太陽能熱發電標桿上網電價政策的通知》發改價格[2016]1881號——1.15元/kWh;


          二、資源及選址


          (一)資源情況


          我國目前光熱發電太陽能資源分布及等級分類見圖1及表1所示


            圖1我國光熱資源分布圖


            表1光熱輻射等級分類


          采用衛星數據誤差較大,實際工作中,應在站址位置設實測站進行觀測和數據訂正。優先選擇光資源優良的地區開展前期工作。


          (二)資源角度進行場址選擇


          在我國太陽能熱發電的起步階段,宜選擇太陽能資源條件較好的區域建設示范項目,有利于降低發電成本。我國主要可利用的光熱資源儲量見表2所示:


            表2我國主要可利用光熱資源儲量


          我國目前首批20個光熱發電示范項目分布在青海省、甘肅省、河北省、內蒙古自治區、新疆自治區。根據資源圖譜所示,項目區域普遍在1700kWh/m2a以上,最高地區甚至超過了2200kWh/m2a。如果按照100MW項目計算,全廠發電年平均效率相同的情況下,1700kWh/m2a地區與2200kWh/m2a地區年發電量大約相差約50000-75000MWh。


          (三)影響發電量的重要指標-DNI


          DNI是光熱電站項目經濟可行性研究的重要基礎數據,對于任何一個光熱電站,開發商要對自己和投資方負責,都必須在項目預選地安裝測光站,進行至少一年以上的實際輻照數據搜集。依靠美國NASA的公開數據和我國各地氣象站提供的數據資料并不足以指導光熱電站的項目選址。DNI的計算方法及流程見圖3所示。


            圖2我國具有DNI指數氣象站分布情況


            圖3DNI計算流程


          三、光熱電站工程要點


          (一)槽式光熱電站


          1、發電原理介紹


          利用反射鏡,將太陽的直接輻射能聚集在吸熱器上,加熱吸熱器中的吸熱介質,將光能轉化成熱能;再利用吸熱介質的熱能通過蒸汽發生系統產生過熱蒸汽;利用過熱蒸汽通過汽輪發電機組實現熱能到機械能再到電能的轉換,見圖4所示。


            圖4光熱能量轉換過程圖


          2、發電量及全廠發電年平均效率的計算:


          太陽能熱發電發電量與太陽能資源數據、集熱場特性數據、儲熱系統數據、發電島有關數據等因素密切相關,通過仿真模擬計算出逐時發電量,從而得到全年發電量,用以評估太陽能熱發電項目的技術經濟性。


          根據以上數據,計算全廠發電年平均效率如下:


          η=Q/(DNI×A×n)


          其中:η全廠總效率(%);


          Q年發電量(kwh/a);


          DNI年法向直接輻射量(kwh/m2.a);


          A單回路集熱器開口面積(m2);


          N集熱場回路數量;


          3、影響發電量計算主要參數:


            表3影響發電量主要因素表


          (二)設備選型


          1、槽式拋物面聚光器


          (1)集熱系統配置根據當地光照資源條件、場地條件,汽輪機出力、熱儲能時間及各系統效率確定。


          (2)槽式聚光器集熱器是由真空集熱管、拋物反射鏡、支架和跟蹤控制裝置構成,實現最大地吸收太陽直接輻射能。


          (3)集熱器要具有一定反射面積。


          (4)集熱器定向要適合當地太陽運行軌跡。


          (5)集熱器是槽式電廠中的最關鍵的核心設備。


            圖5槽式拋物面聚光器


          2、真空集熱管


          (1)內管涂覆有選擇性吸收涂層后的鋼管用經鍍膜的硼酸玻璃管封裝后抽真空。


          (2)通過波紋管吸收二者間的膨脹差。


          (3)真空集熱管(HCE)是集熱器的一個關鍵部件。

            圖6真空集熱管集熱示意圖


            
          表4集熱管及其參數表


          3、反光鏡


          (1)由超白玻璃、反射層、緩沖層、保護層等構成。


          (2)要具有高精度、高反射率、高耐久性的性能。


          (3)銅膜,具有很好的防腐蝕性能。


          (4)反射鏡要具有抵抗外力沖擊能力。


          7.jpg

          圖7反射鏡結構圖


          表5.jpg

          表5反射鏡技術參數參考表


          4、吸熱傳熱介質(導熱油)


          其特性主要有:工作溫度高;熱穩定性強;傳熱性佳;熱傳遞損失小;低蒸汽壓;低凝固點;材料相容性好;經濟性好。


          6.jpg

          表6吸熱傳熱介質(導熱油)技術參數參考表


           5、蒸汽發生裝置


          (1)蒸汽發生系統主要由預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器組成。


          (2)單套系統具有管系簡單、設備占地小、閥門少、運行調節簡單等特點。


          (3)而兩套系統具有低負荷調節性能強的特點,但整體占地較大。


          表7.jpg

          表7蒸汽發生裝置參數參考表


          6、儲熱方式


          太陽能儲熱主要有三種形式:A.顯熱儲熱B.潛熱儲熱C.化學反應儲熱。


          儲熱材料應滿足以下要求:


          儲熱密度大;穩定性好;無毒、無腐蝕、不易燃易爆,且價格低廉;導熱系數大,能量可以及時地儲存或取出;不同狀態間轉化時,材料體積變化要小;合適的使用溫度。


          7、汽輪發電機組容量和型式


          合理選擇機組容量:


          (1)單機容量的增大,有利于降低工程單位造價,但需要技術成熟度作為支撐,同時,還要考慮儲熱系統的容量和機組的整體經濟性。


          (2)對于槽式電站,集熱場規模增大,傳熱介質的流動距離更長,阻力也將更大,會使廠用電消耗增加。


          (3)機組容量應綜合技術成熟度、儲熱系統容量和機組的整體經濟性進行多方案比選后確定。


          汽輪機型式的主要特點有:啟動迅速、頻繁啟停、高效可靠,應具有快速響應進汽參數變化及低負荷連續運行的能力。其型式有:高溫高壓或中溫高壓、一次中間再熱、雙缸、雙軸、雙轉速(高壓缸轉速6000rpm,低壓缸轉速3000rpm)、凝汽式汽輪機。額定功率背壓:在缺水地區,采用空冷機組。為提高機組全年運行的經濟性,建議按照額定背壓(冷卻介質全年平均計算溫度對應的背壓)作為汽輪機額定功率背壓。


          20170516094187768776.jpg

          圖8槽式太陽能熱電項目汽輪發電機組外形圖


          與常規火電機組的不同點是:


          (1)發電機布置在高壓缸與低壓缸之間,高壓缸通過變速箱與發電機連接。高低壓缸可單獨運行也可以聯合運行;


          (2)采用再熱設計可顯著提高汽輪發電機組效率,最高效率可達40%以上;


          (3)可長時間低負荷運行(20%負荷),冷態啟動時間僅需1~2小時(0%~100%負荷),溫態啟動時間僅需20~30分鐘(0%~100%負荷)。


          8、主變壓器選擇


          (1)主變壓器容量應按照發電機的額定容量扣除本機組的廠用負荷后,留有10%的裕度。


          (2)主變壓器額定電壓根據發電機出口電壓,以及并網電壓選擇。


          (3)主變主要技術參數注意事項請見表8(數據為參考值)。


          20170516095261616161.jpg

          表8主變主要技術參數表


          9、導體選型


          導體及設備選擇遵照《導體和電器選擇設計技術規定》DL/T5222-2005,并考慮以下特殊條件。


          (1)項目所在區域室內外環境溫度。


          (2)當地的污穢等級。


          (3)敷設方式。


          (4)直埋式要考慮土壤腐蝕度和地下水位。


          (5)地震裂度,地震加速度值等。


          (6)導體及電氣設備均根據海拔高度選擇,并做修正。


          (三)土建工程


          光熱電站選址應根據國家可再生能源中長期發展規劃、地區自然條件、太陽能資源、交通運輸、接入系統、地區經濟發展規劃、其它設施等因素全面考慮,綜合規劃。選址過程中應考慮以下因素:①不宜占用耕地。②光照時間長,提高發電量。③地勢高差小,減少土石方工程量(場地平整度要求嚴格)。④應避開嚴重污染區、地質災害易發區、氣候災害嚴重區、影響人類居住或受人類活動影響區。⑤水資源相對豐富(100MW-17.6萬噸)。


          總平面布置原則:


          1、滿足各場地和設施功能要求,為生產過程創造有利條件。


          2、符合當地規劃要求。


          3、充分利用占地,緊湊布置總平面。節省投資,加快本期建設的進度。


          4、盡量縮短運輸距離和管線長度。


          5、利用風向減少相互干擾,改善環境。


          6、滿足各種防護距離的要求。


          9.jpg

          表9太陽能熱發電站選址一般性條件


          建筑物主要類型有汽機房、化學水處理站、換熱站、綜合水泵房、補給水泵房、生活污水處理站、辦公樓、HTF泵房、啟動與防凝鍋爐房、空冷配電間、原水預處理。


          建筑物布置原則:廠區內建筑物的布置在結合廠區的總體規劃、滿足生產工藝要求及方便管理的前提下,盡可能創造較好的工作環境。除辦公樓用于人員生活外,其他建筑均用于生產,故最好都采用單層結構。建筑材料盡量就地取材,節約成本。


          在查明場區地質條件的情況下,需對場區內構筑物進行結構設計。主要包括:


          1、集熱區:槽式集熱陣列基礎及結構設計。


          2、儲熱區:事故油坑、HTF溢流罐、HTF膨脹箱、HTF泵房、熔鹽儲熱罐、導熱油熔鹽換熱器和熔鹽熔化爐(熔鹽初始融化系統)等基礎及結構設計。


          3、發電區:空冷平臺、換熱站、架構和設備支架等。


          (四)安裝工程


          1、場地平整:對場區平整度要求較高,土方量較大,應結合地形,合理布局,在滿足要求的前提下做到減少土方工程量,降低造價。


          2、防洪防澇:場區占地面積較大,大雨天容易積水形成沖涮和洪澇,應做好排水措施。


          3、施工難度:高海拔,溫度低,要考慮工程防凍及冬季施工要求。


          4、水資源:高海拔地區,水資源不足,需要提前做好相關準備,若條件允許,盡量使用地表水資源及處理后的污水。


          5、占地面積:占地面積與太陽直接輻射強度、機組容量、聚光集熱方式和儲熱系統容量等均有關系,故申請用地面積前,一定要根據收集到的基礎數據進行計算分析確定。


          6、安裝:安裝精度會影響聚光鏡跟蹤的命中率和精準度,從而影響發電量,需要嚴格控制。


          占地面積包括:


          a、集熱場安裝施工區(安裝車間和倉庫)


          b、換熱安裝施工區


          c、汽機機力塔安裝施工區(汽機施工區和機力塔施工區)


          d、其它安裝區(電氣施工區、設備堆放區、修配鉚焊區、機械站區)


          e、土建施工區(鋼筋加工、混凝土攪拌站、木工模板區)


          f、輔助生產及施工管理區(施工管理區和倉庫)、宿舍及其它生活設施占地等。


          g、100MW工程占地面積約4.50hm2,其中施工區用地3.7hm2,施工生活區占地0.8hm2


          四、光熱電站經濟性分析


          (一)投資


          1、測算基本條件


          以槽式光熱項目為例,其各類投資投產比例見圖9所示


          20170516095597509750.jpg

          圖9槽式光熱項目靜態投資投產比例圖


          2017051609550208208.jpg

          表10主輔生產工程投資構成與占比分析(槽式)


          (二)經濟性分析


          1、基本收益情況


          (1)測算條件


          槽式100MW光熱項目,儲能7小時,運行25年,建設期2年,投資按前述測算投資。電價按1.15元/kW(示范項目電價),年發電量暫按3000h;


          年耗水量15×104t,水價3元/t,發電場用電率10%,發電標準氣耗0.015Nm3/kWh,氣價2元/Nm3,外購電量2700MWh,工業電價0.75元/kWh;材料費8元/MWh;其他費用12元/MWh;


          資本金20%,80%的銀行貸款,長期貸款利率4.90%;


          (2)收益情況


          11.jpg

          表11測算投資收益匯總表


          (3)敏感性分析


          12.jpg

          表12測算敏感性分析表


          圖10.jpg

          圖10敏感性圖


          從圖10中可以看出,收益對電價最為敏感,其次是投資,再次是利率。


          2、投資變化的影響


          表13.jpg

          表13主要成本構成表


          各設備隨著降價幅度的不同,都收益的影響也不同,但隨著技術進步和創新,設備價格的持續下降,在現有電價條件下,光熱電站是可以實現8-10%的收益率。


          表14.jpg

          表14主要設備成本變化對應收益及相當的電價變化表


          3、發電量變化的影響


          發電量增長和降低的變化趨勢有所不同,下降時都收益影響會大一些。發電量每變化100h,資本金內部收益率約調整1.2%,相當于電價調整0.042元/kWh。詳見表13


          表15.jpg

          表15發電量變化對收益和相當的電價變化表


          4、預期電價的調整趨勢


          在2020年電價降到0.75元/kWh,下降幅度為34.78%;


          成本下降到15000元/kW左右,下降幅度約為40%。


          圖11.jpg

          圖11數據來源于《中國太陽能發展路線圖》


          2020年電價0.75元/kWh,仍以發電量3000h,廠用電率10%,2700h進行測算,以資本金稅后IRR8%對投資進行測算:


          投資下降37%,財務內部收益率可達到8%,下降41%資本金稅后IRR可達到10%。具體見表所示


          表16.jpg

          表16電價變化后的收益變化分析


          我國常規能源儲采比遠低于世界平均水平,目前已成為世界第一大能源消費國、原煤進口國、電力裝機國,原油和天然氣對外依存度高達60%和30%,中國大范圍持續霧霾等大氣污染已成為“心肺大患”。


          光熱的發展未來并非一條陽光坦途,從技術研發、方案設計、設備制造、到系統集成、運營維護,需要整個行業,全產業鏈齊心協力共同努力,十三五是光熱發展的關鍵時期!

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