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CSPPLAZA光熱發電網報道：為了加速部署(shu)太(tai)陽能(neng)熱發(fa)電(dian)系統，美國國家(jia)可再生能(neng)源實驗室（NREL）于(yu)6月(yue)12日(ri)發(fa)布了全球(qiu)首份光熱發(fa)電(dian)最佳(jia)實踐(jian)報告(gao)【共269頁，下載辦法見文末】。

NREL的(de)(de)研(yan)究人(ren)員分析了(le)全球80%的(de)(de)光(guang)熱電(dian)(dian)站的(de)(de)數據和(he)相關(guan)反饋，包括槽式光(guang)熱電(dian)(dian)站和(he)目前仍在(zai)不斷發(fa)展的(de)(de)塔式光(guang)熱電(dian)(dian)站和(he)存儲技術，并在(zai)報告中列出了(le)光(guang)熱發(fa)電(dian)(dian)行業在(zai)項目管理(li)、工廠設計和(he)運營(ying)方面的(de)(de)一(yi)些重(zhong)要經驗教訓。

而在美國新月沙(sha)丘電(dian)站和(he)西班牙GemaSolar電(dian)站都曾出現(xian)的熔鹽罐泄露問題以及瞬態工況(kuang)變(bian)化所帶來的風(feng)險等成為報告重點記錄和(he)有望得(de)到解決的關(guan)鍵技(ji)術問題。

熔鹽罐泄露帶來巨大損失

雖然光熱(re)發電成本近年來實現了大(da)幅下(xia)降，但基于技術高密集屬性(xing)，行業發展的同(tong)時也暴露(lu)出了一些技術問題，而看似并不(bu)起眼的熔(rong)鹽罐成為了主角之(zhi)一。

圖(tu)：光熱電(dian)(dian)站(zhan)平準化成本與競拍(pai)電(dian)(dian)價變(bian)化趨勢（資料來源(yuan)：國際(ji)可再生能源(yuan)署2020年6月發布的《2019年可再生能源(yuan)發電(dian)(dian)成本》報告）

據報告，由(you)SolarReserve開發、位(wei)于內華達州的110兆瓦新月沙(sha)丘（Crescent Dunes）塔式電站(zhan)的故障(zhang)再次凸(tu)顯(xian)了(le)高溫輸送流體(ti)對(dui)系統(tong)結構(gou)的影響(xiang)。

新月(yue)沙丘電站(zhan)于2015年(nian)10月(yue)上線，但始終未能達(da)到績效目標，并最終導致工廠關閉(bi)，而2016年(nian)因熔鹽儲(chu)存(cun)系統泄漏關閉(bi)了8個(ge)月(yue)的(de)重(zhong)(zhong)大事故無疑是導致目前結(jie)果的(de)重(zhong)(zhong)要原因之(zhi)一。

在(zai)法庭文(wen)件中，SolarReserve指責熔鹽儲罐(guan)的(de)設計方西班牙(ya)ACS Cobra公司要對泄露事故負責，但(dan)ACS Cobra在(zai)上個月接受媒體采訪(fang)時對該事件拒絕評價。

而(er)位(wei)于西班牙塞維利(li)亞的全球(qiu)首座可實現24小時(shi)發(fa)電(dian)的太陽能電(dian)站Gemasolar光熱電(dian)站2017年也因熔(rong)鹽罐事(shi)故而(er)導致停運(yun)，最(zui)終付出了(le)高昂的修復費用并損失了(le)一(yi)大筆(bi)電(dian)費收入(ru)。

瞬態風險問題開始備受投資者關注

因為全球首個百兆瓦級(ji)熔鹽塔(ta)式光(guang)熱(re)(re)電站——美國新(xin)月沙丘項目(mu)表現不(bu)佳，使相關(guan)投資者(zhe)備受打擊，也使很多光(guang)熱(re)(re)電站潛在(zai)投資方開始極其關(guan)注可配置低成本儲熱(re)(re)系統的高溫塔(ta)式光(guang)熱(re)(re)電站的效(xiao)率(lv)和(he)可靠性。

同(tong)時，熔鹽(yan)罐(guan)事故也使行業開(kai)始(shi)更(geng)加重(zhong)視熔鹽(yan)罐(guan)的設計(ji)，并逐漸將研究觸角(jiao)延伸(shen)至瞬態工況變化(hua)和工作溫度(du)變化(hua)對(dui)整個系統帶來(lai)(lai)的運行風險以及對(dui)熔鹽(yan)罐(guan)等裝(zhuang)備所帶來(lai)(lai)的損壞。

NREL報告(gao)顯示，塔式光熱發電系(xi)統較高(gao)的工(gong)作溫度(du)提升了(le)儲存效率，但也為電站操作帶來(lai)了(le)風險，尤其是(shi)由(you)間歇性日(ri)照或快速(su)啟停要求導致的“瞬態”工(gong)況(kuang)變化是(shi)運營商面臨的關鍵風險。

”瞬(shun)態工況變化+高運(yun)行溫度(du)“極易引起系(xi)統(tong)工作溫度(du)波動(dong)，而大溫差(cha)的波動(dong)則(ze)會影響組(zu)件性(xing)能甚至使相關裝備出現故障，并最終導(dao)致系(xi)統(tong)效率降低。

相關專家表示，在光熱電站(zhan)的設計(ji)和運(yun)行階段，運(yun)營商必須更加關注瞬態(tai)風險，以避(bi)免組件損壞和輸(shu)出損失。

摩洛哥Noor3塔式電站的經驗分享

最近，光熱業界(jie)的(de)注意力又轉向了(le)ACWA Power在(zai)摩(mo)洛哥開發(fa)的(de)Noor3塔式(shi)電站，該項目(mu)也是第(di)二座(zuo)利用熔(rong)鹽儲存設施(shi)建造的(de)大型商業化(hua)塔式(shi)光熱項目(mu)。該電站由西班牙SENER公(gong)司和中(zhong)國(guo)電建集團山東(dong)電力建設第(di)三(san)工程有限公(gong)司聯合開發(fa)，于(yu)2018年夏季正式(shi)并網。

據ACWA Power在(zai)2019年發(fa)布的(de)報(bao)告顯(xian)示，在(zai)投入運營的(de)前六個月，Noor3曾因一些意外問題(ti)而下線(xian)，但整體表現出令人鼓(gu)舞(wu)的(de)性能水平(ping)，發(fa)電(dian)量超過(guo)200GWh。

而據來自(zi)SENER的(de)技術專(zhuan)家Sergio Relloso Lassa介紹，Noor3熱(re)鹽罐(guan)結構具有“最先進的(de)”基(ji)礎設計，并(bing)從(cong)SENER早期開發的(de)GemaSolar塔式光(guang)熱(re)電站吸(xi)取了(le)經(jing)驗教訓(xun)。

Relloso指出(chu)，熔鹽(yan)儲(chu)罐(guan)設(she)計時(shi)必(bi)須(xu)深入了解熔鹽(yan)的(de)性狀、運行時(shi)的(de)變化過(guo)程(cheng)(cheng)以及當地的(de)地面特(te)征，并特(te)別注(zhu)意底板的(de)焊接(jie)。而(er)成(cheng)功的(de)關鍵是設(she)計要實現(xian)在565℃工況下裝滿(man)熔鹽(yan)的(de)儲(chu)罐(guan)能夠被完美承(cheng)載，同時(shi)又不會向基礎(chu)傳遞(di)過(guo)大的(de)應力，此(ci)外還要在在施工、調試(shi)和運行過(guo)程(cheng)(cheng)中遵(zun)循正(zheng)確的(de)程(cheng)(cheng)序。

未來熔鹽儲罐設計優化的具體思路有哪些？

許多(duo)專家(jia)在接受海(hai)外(wai)媒體(ti)采(cai)訪時紛紛表示，對系統(tong)瞬態(tai)風險(xian)了解的不斷(duan)加深正在推動熔(rong)鹽罐結構的改進(jin)，未來新建光(guang)熱電站在設(she)計時有望進(jin)一步修(xiu)改和優化以提(ti)升系統(tong)效率及穩定性。

NREL最佳(jia)實踐(jian)報(bao)告(gao)的(de)編寫人員之一、來(lai)自Solar Dynamics的(de)高級(ji)工程(cheng)師Bruce Kelly表(biao)示，正確的(de)設計和(he)控制可(ke)以緩(huan)解(jie)瞬態條件(jian)的(de)影響(xiang)，但(dan)是熱儲(chu)槽(cao)和(he)冷儲(chu)槽(cao)以及換熱器(qi)的(de)設計需(xu)要得到(dao)進一步改(gai)進。

談(tan)到(dao)如何優化，Bruce Kelly表示，一(yi)些工程(cheng)公司正在(zai)提議為(wei)儲(chu)罐安裝新的(de)內部管道(dao)系統(tong)。

此外，他又補充(chong)提(ti)到了如下思路：

1）罐底和地(di)基(ji)之間的固體潤滑劑也可以改進，以控制由于不完全混合造成(cheng)的地(di)板中的局部應力。

2）換熱器(qi)應該通過全焊接(jie)(jie)施工技術(shu)來建造，比如集管(guan)(guan)/盤管(guan)(guan)或內孔焊接(jie)(jie)，以避免管(guan)(guan)道(dao)和管(guan)(guan)板之(zhi)間的連接(jie)(jie)出現問題。據Bruce Kelly介紹，迄今為止(zhi)，只有“有限數量”的商業項(xiang)目使(shi)用(yong)了全焊接(jie)(jie)蒸(zheng)汽發生器(qi)結(jie)構。

3）采用(yong)多個(ge)閥(fa)門的分流(liu)(liu)范(fan)圍流(liu)(liu)量控(kong)制(zhi)也有助于減少部件疲勞。在拋物線槽式電(dian)站中，多閥(fa)方法可(ke)對更廣泛的流(liu)(liu)量要求(qiu)進行更好的控(kong)制(zhi)。Bruce Kelly指(zhi)出，采用(yong)分程(cheng)閥(fa)的精(jing)確流(liu)(liu)量控(kong)制(zhi)可(ke)保護(hu)昂貴的設(she)備，如熱(re)交換器(qi)，并(bing)在電(dian)站啟停過程(cheng)中免(mian)受(shou)較大的瞬態影響，而疲勞換熱(re)器(qi)壽命的提(ti)高將(jiang)可(ke)以抵消新增閥(fa)門所帶來的邊際(ji)成本。

應對瞬態風險的思路和經驗

從全系統層面如何應對(dui)間歇(xie)性(xing)云(yun)層、系統啟(qi)停等原(yuan)因引起的瞬(shun)態風險？相關專家也根據項目實踐(jian)經驗提出了(le)一系列具體措施和(he)設(she)計優化思(si)路。

1）設(she)置合(he)理(li)的設(she)計工作溫度(du)

間歇性云層(ceng)要求塔式光熱(re)電站操作員不斷調整接(jie)收器流量，以適應從定日鏡(jing)傳輸(shu)的太陽(yang)能水平的變化(hua)。

為實現最佳效率(lv)(lv)，接收器(qi)的設計工作溫(wen)度為565℃。為防止接收器(qi)因太陽輻射突然增加而過熱，傳熱流(liu)體的出口溫(wen)度通常降低至(zhi)520℃至(zhi)540℃左(zuo)右，但(dan)較(jiao)低的溫(wen)度也會(hui)降低功率(lv)(lv)塊的效率(lv)(lv)。

據(ju)悉(xi)，已經投運的中國中控德(de)令哈(ha)50MW塔式光熱電站(zhan)便采用了(le)防(fang)云(yun)層沖擊(ji)系(xi)統以提高電站(zhan)效率，從(cong)該(gai)電站(zhan)的具體表現(xian)來看效果極(ji)佳。

圖：中(zhong)(zhong)控(kong)德(de)令哈電(dian)站性能考核期前6個月發電(dian)量數據(ju)與達成率（來源：中(zhong)(zhong)控(kong)太陽能）

Bruce Kelly表示：“理(li)想情(qing)況下，光熱電站的設(she)計溫度(du)并不是理(li)論上(shang)的565℃，而是更低一點的溫度(du)（比(bi)如540攝氏度(du)），這(zhe)反映了熱熔鹽罐中(zhong)的長期(qi)年平均溫度(du)。”

2）開(kai)發性(xing)能模擬工具

此外(wai)，間歇(xie)式日照也(ye)會影響工廠的正(zheng)常啟動效率。

在(zai)早上啟動(dong)時，接(jie)收(shou)器的(de)預熱、填充(chong)和(he)排氣可能需要(yao)45分鐘。Bruce Kelly表示，如(ru)果太陽輻射(she)在(zai)日出(chu)后不久發生變化，啟動(dong)過程就(jiu)會延長(chang)，并最終減少(shao)系統當天的(de)工作(zuo)時間。

Relloso表示，SENER通過利用(yong)Gemasolar電站(zhan)的(de)經驗，在Noor3項目實現(xian)了更快的(de)性能提升過程。

據悉(xi)，春(chun)夏期(qi)間(jian)，Noor3塔式電站(zhan)必(bi)須在午夜停止運行，并在早晨重(zhong)新啟動。他說：“這(zhe)意味著每(mei)年的這(zhe)段(duan)時間(jian)電站(zhan)要每(mei)天增加一次啟動，這(zhe)在工廠設(she)計和運行中都必(bi)須考慮。”

為(wei)此，SENER開發了(le)一個(ge)性能模擬工(gong)具，該工(gong)具考慮了(le)所有類型的瞬態條件(jian)，包(bao)括云層覆蓋、接(jie)收(shou)器啟(qi)(qi)停(ting)、渦輪機啟(qi)(qi)停(ting)以及電網指令等(deng)。Relloso表示，該系統使用傳感器來進(jin)行分析(xi)，并實(shi)現更高(gao)水平(ping)的效(xiao)率。

3）全面操作培訓

此外，SENER選(xuan)擇(ze)將部(bu)分Gemasolar電站的運維人員調到Noor3項目(mu)，以(yi)確保已有的成(cheng)熟(shu)經驗能夠帶來(lai)幫助(zhu)。

Bruce Kelly認(ren)為(wei)，全面的(de)(de)(de)(de)操(cao)作員培訓是減少損失的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵(jian)。他說：“關(guan)于熱瞬變對(dui)設(she)備(bei)造成的(de)(de)(de)(de)風險的(de)(de)(de)(de)培訓，再加(jia)上分布(bu)式(shi)控(kong)制系統邏輯(ji)的(de)(de)(de)(de)許可，將直(zhi)接轉(zhuan)化為(wei)熔鹽儲罐(guan)和蒸(zheng)汽發(fa)生(sheng)器低疲勞壽命的(de)(de)(de)(de)良性結(jie)果。”

4）結合實(shi)際經驗進(jin)行(xing)性能建模

隨(sui)著塔式光熱系統裝(zhuang)機容量的(de)不斷增(zeng)加，性能建模(mo)必須結合(he)瞬態(tai)條件的(de)最新經驗，以避免對輸出(chu)的(de)高(gao)估(gu)。

Bruce Kelly表(biao)示，“一般來說，性能(neng)模型往(wang)往(wang)會高估光熱電站的(de)發電能(neng)力(li)，以及操(cao)作員捕捉落在(zai)定日鏡(jing)場上(shang)的(de)每一焦耳能(neng)量的(de)能(neng)力(li)。”他補充道，要以最低限度的(de)財務(wu)預測(ce)為出(chu)發點。

Bruce Kelly指出，先進(jin)的(de)(de)計算流(liu)體力學模型和(he)有限元分(fen)析應(ying)能更好地理解部件疲(pi)勞(lao)。他說：“一旦了解了瞬態效(xiao)應(ying)的(de)(de)嚴(yan)重程(cheng)度，就可(ke)以(yi)實施改(gai)進(jin)的(de)(de)設(she)備設(she)計（如儲罐分(fen)配管道(dao)）和(he)改(gai)進(jin)的(de)(de)工(gong)藝控(kong)制(zhi)（如分(fen)流(liu)段流(liu)量(liang)控(kong)制(zhi)），以(yi)適當地保(bao)護設(she)備免受高應(ying)力條件的(de)(de)影響。”

對(dui)于(yu)未(wei)(wei)來(lai)，Bruce Kelly非常樂觀，他表示，通(tong)過結合(he)實(shi)戰得來(lai)的(de)經驗教訓(xun)有針對(dui)性地改(gai)進塔式(shi)光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)系統的(de)設計(ji)將有助于(yu)延(yan)長(chang)使用壽命。未(wei)(wei)來(lai)幾年，在Noor3等項目更廣泛地實(shi)施最佳實(shi)踐和成功運營經驗之后，將有助于(yu)提高投資者對(dui)塔式(shi)光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)技術的(de)信心。

Relloso也表示，SENER也有信(xin)心在(zai)光熱電(dian)站設(she)計時將瞬態(tai)工況帶來的風險降至最低，并已(yi)經開(kai)始了(le)在(zai)降低太陽(yang)能發電(dian)場成本、提高(gao)電(dian)廠數(shu)字化(hua)程度以及在(zai)集成光伏、電(dian)池(chi)儲存或制氫(qing)的混合(he)發電(dian)項目如何優(you)化(hua)節省(sheng)效(xiao)率等方向的研究(jiu)。

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