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徐二树详解国家863项目八达岭1MW槽式光热发电试验系统

2017-06-27 10:38:14  来源:互联网  徐二树  槽式  光热发电   
5月25日,十二五国家863项目1MW槽式太阳能热发电试验项目在延庆八达岭中科院电工所太阳热发电试验园区成功试运行,6月1日,该项目通过科技部高技术研究发展中心组织的验收。6月15日,中科院电工所研究员、国家863计划1MW槽式太阳能热发电试验项目总负责人徐二树在浙江杭州召开的中国国际光热电站大会暨CSPPLAZA年会2017(CPC2017)上发表题为《八达岭1MW槽式太阳能发电试验系统》的演讲,对该项目的开发进行了全面介绍。

徐二树结合项目现场调试图片、仿真模型、能效模型、各参数计算公式等,介绍了八达岭1MW槽式太阳能发电系统试验系统的研究目标、研究内容、槽式聚光器和关键部件研究、系统整体设计、关键问题研究、试验平台建设等情况。

据徐二树介绍,八达岭1MW槽式太阳能发电试验系统已于2017年5月25日达成了科技部所要求的整个系统参数目标。其中科技部要求的指标中导热油出口温度为380度,而八达岭1MW槽式太阳能热发电试验项目回路的出口油温达到391度,测量时间是2017年5月25日13点22分36秒。

 

各位专家,各位朋友,下午好!

首先感谢大会给我这次机会,和大家就1MW的系统做一个交流。八达岭1MW槽式太阳能热发电试验系统是国家863计划的项目,这是项目课题里的一个主要内容。这个项目课题的依托单位是电工研究所,参与单位是中广核、中海阳、皇明太阳能、常州龙腾、内蒙古电力设计院、北京电力建设公司、国电智深公司、甘肃建材院。

我按照这七个方面进行汇报,第一个是研究的目标,再一个是主要的研究内容,第三个是对聚光器我们做了哪些工作,第四是1MW系统的设计过程,第五是就设计过程中的一些关键问题做一个介绍,第六是整个系统的建设和运行,最后是一个致谢。

国家布置给我这个任务的时候,它的要求是研究槽式聚光器的气动力学特性,建立槽式集热器载荷设计规范与安装标准,建立1MW槽式热发电实验平台,研究大型太阳能槽式热力系统设计、系统启动、停机的热力循环方法和槽式系统热性能评价技术。进行塔式集热与槽式集热性能对比,研究槽式、塔式太阳能集热系统随气象条件变化的集热规律,提出吸热、储热和蒸汽发生系统的动态容量匹配设计方法。我今天下午汇报的,主要针对1MW的平台做一个汇报。

前面给了一个目标,我们针对槽式系统做了分析。根据国家863来说,前面对真空管布局的任务已经完成,我的任务是针对聚光器做的研究,然后对聚光器的性能做一些测试。另外从工程的层面来说,我们整个就是做一个系统集成,从光到热再到储热到发电,最后对电站的运行做一些分析。

因此从这个课题的要求来说,我们整个分了四个内容:第一,聚光器和关键部件的研究;第二,建立1MW太阳能槽式热发电系统试验平台;第三,集热产品野外试验方法研究;第四,塔式集热与槽式集热性能对比。最后两个内容,今天不作介绍。

对聚光器来说,我们主要是通过研究聚光器的抗风稳定性,研究它的机械结构,再一个是对它的跟踪系统做一些研究,最后要形成9000平米以上的聚光场。

我们在这个研究过程中,根据我国的气候情况(高寒、强风),提出了整个聚光器的性能指标,然后对整体的聚光器做了整体的设计,对支架、支臂、支撑、立柱结构和液压跟踪控制系统进行设计和分析,最后提出整个聚光器的支架体系,然后我们也做了一个样机。这一部分的主要工作由中广核、中海阳等企业完成。

这是我们对聚光器提出的性能指标。对每个部件,我们都做了受力分析,最后也对聚光器的控系统也做了工作。最后形成了自有的技术,这是聚光器的安装,这是样机安装的过程。最后形成这样的聚光场,我们聚光场形成三个标准的回路,两个回路是东西向布置的回路,还有一个回路是南北向的,也就是说我们形成了三个标准的回路,也就是一个回路的长度在600米,整个聚光面积大约是1万平米。这是“十二五”的塔式电站,围着它的北侧和西侧形成聚光的回路。

这是我们简单的对聚光器的设计。

接下来是对电站的设计,我们也是以延庆的辐照和DNI做分析。我们先分析了整个延庆电站的辐照情况,而且根据延庆的地理位置对延庆日照随时间变化做了一个分析。在这个基础上,我们做了典型日的能效模型,也就是分析典型日能量的转化过程,这是我们做的一些工作。另外,考虑到系统的复杂性,考虑到集热系统的安全性,我们又对金属管温度的变化情况,根据流量之间的关系,我们做了一些分析,这都是典型日的一些情况。另外,我们对蒸汽发生的环节也做了设计,这是我们的研究生做的工作。这是我们最后形成的八达岭的原则性的系统,这个系统中做了一个聚光场和蒸汽发生系统,我们的储能系统和发电机系统延用最早的塔式的系统。整个采光面积是9953.28平米,集热场效率在45-65%之间变化,导热油油量在18-24kg/s,蒸汽量在1.6~2.0kg/s之间变化。

这是设计院做的电站镜场图的情况。这是仪控系统图,我们的控制策略和控制模式都是通过这个确立的。这里最早的时候,最难的就是我们对整个槽式电站的控制,最后我们决定把到聚光场的温度作为我们整个控制的核心。因此我们后面的一些研究,也就是我对温度的控制,我们做了一些大量的工作。

前面对系统做了这样一个设计,我们又对槽式要面临的一些具体问题,我们做了一些专题方面的研究。第一个是对真空管安装误差,这是在控制方面不可避免的。这样的话,我们对真空管安全的水平方向和垂直方向出现的误差,对我们的聚光效果以及设备的安全性,我们做了一些分析。这是我们建的一些数学模型,根据这个数学模型,计算它的能流密度分布情况,然后做了整体的分析。这是我们最后得到的结果,就是不同方向的偏差对整个集热管能流密集以及它的影响。这是我们做的一个专题方面的研究。

第二个,就是对聚光场,我们知道一个大型的槽式聚光场是并联回路。由于槽式聚光场并联回路比较多,因此我们做了一个重点的分析。由于建设过程中回路整个阻力也是不一样的,再一个由于受热情况不同、流量不同,它的物性就有变化,因此阻力和流量分配及分布是温和的,也是槽式面临的一个具体的问题。我们做了这样一个模型,也做了这样一个分析。这样的话,我们简单地把回路做了一个分流总管、汇流总管的变化模型。这个模型,研究生做完以后,现在由博士生做这方面的工作,这个工作还在继续。这是我们得到的结果,认为物性的变化对整个管道的性能变化还是比较大的。

第三个专题是对回路出口温度控制的影响。像传统的火电机组一样,它对整个机组的安全性和经济性影响比较大。但由于槽式系统有600米长,它的惯性比较大,而且它有非常复杂的非线性的特点。这张图是流量波动的过程,从这张图上看,它对出口温度的变化还是比较大的。另外,流量波动也是比较大的,因此我们把这个作为我们的一个重点来研究。这样的话,我们对整个回路进行建模,分析它的关键因素,最后形成这样的函数。我们采用的是内模控制算法做研究,从仿真的角度来说,采用这种模式要比PAD好一些。

再一个工作就是针对前面做的热力系统,在发电方面的研究。今天上午也对此做了一个介绍。我们在这个工作之前,我们也对1MW的系统做了建模,也就是根据我们设计的系统,每一个阀门、泵体都做了工作,然后模拟这个系统的启动、停机过程,模拟它的故障。也就是说每个设备的动作对我系统的干涉和影响是什么情况,我们要做一个具体的分析。

我们的建模过程,由于要模拟到每一个设备、每一个阀门或者是每个自漏的影响情况,所以我们对每一个单元进行了建模。我们采用的模型是肌理模型,也就是说对每个单元进行模块划分,对每个单元的功能要做详细的了解、划分,然后形成每一个单元的模型。对集热系统来说,我们采用的是蒙特卡洛光线追迹法。对蒸汽系统来说,我们根据它的能量、动量设计了这样一个环节,开发了相应的模型。也就是说我们在原有电站的基础上,开发了新的槽式聚光器独特的模块,这样我们可以组建一个槽式电站的仿真机。

这是我们做的聚光场的模型,也就是聚光器的模型。这是真空吸热管的模型。这是蒸汽发生器的模型。这是储热系统模型。我们在开发这些模型的基础上,我们把它放到平台上,按系统结构搭建了它的聚光场模型,这就是模仿八达岭1MW电站的系统。

这个系统,我们在前期做策略分析的时候,做了大量的实验、研究,为后续的一些工作做了很大的铺垫。

这是对蒸汽发生器做的分析,这是控制系统。

这就是我们整个槽式1MW系统的关键仿真界面。这是总的槽式系统,那边是蒸汽发生器,那是储能发生系统,这是汽轮发电机系统,这是几个主要的界面。我通过每个阀门的操作,我可以模拟整个电站的生产过程。

我前面对我们所做的工作做了介绍,下面我把系统建设过程的图片做一个介绍。这是我们整个现场的施工过程,我们是在2014年7月27日做的开工仪式。这是我们几家做聚光场的时候,做的地基的基础情况。这是我们做的聚光器的安装过程。因为有些最下面的图片,应该是冬天,延庆还是比较冷的。这是聚光器吊装的过程。这是我们安装真空管以及对地面清洗的过程。这是我们对聚光器面型的测量过程。整体来说,我们几家的聚光器都有大量的提升,我们对聚光器的面型,就是对光线的截断率,国内的聚光器还是比较好的,截断效率大概是98%以上,也是相当不错的。这是我们热岛的一些图片,这边是两台导热油、小的循环泵,那边是我们的储油罐,这是蒸汽发生器,这上面要做支架。

这是我们的调试过程,因为我们这个项目小,都是我们国内几家企业共同在做,因此我们是三个臭皮匠顶一个诸葛亮,我们每一周都要有一个例会,对出现的问题进行分析,然后共同想办法解决。这是打完压以后做了泄露监测,这是做实验的照片。那边是对油泵调试的过程。

这是我们开始换热、产气,以及对主要管道的吹扫的过程。因为我们的热岛区和汽轮发电机的距离非常长,因此蒸汽管道也非常长,我们做了这个工作。下面是我们第一次进行聚光。

这是上个月25号,我们完成了整个系统的科技部要求的参数,我们完成了我们的目标,每天在现场进行调试、预演。这是我们建的整个系统,北边两个是我的回路,这是我们的热岛部分,这是控制室。因为资金有限,我们所有的东西都是简易的,都是临时的。

这是那天达到科技部要求的指标,科技部要求的指标是导热油出口温度是380度。我们在5月25号中午的时候,我们最后测量回路的油温达到391度,时间是5月25号13点22分36秒。下一张图,这张图是我们测试回路的最后一个聚光器进入散焦状态的工作模型。这是我们测试回路的实际线上运行数据,红色的是我们的DNI,可以看到在下午1点半过后,它的波动还是比较大的。蓝线是导热油泵,里面进导热油的量。红的是导热油的入口温度,绿的是导热油的出口温度,也就是在1点左右,我们达到这样的一个温度。我们看流量的变化,一开始在运行前,我们用了一个小泵进行油循环。到大泵的时候,聚光器才进行跟踪。也就是说就跟踪的过程来说,也是我们整个系统第一次运行,提温的速度还是比较快的。

前面是东西向的变化情况,这是南北向聚光器的变化情况。上次我们做完以后,赵博士就提问,说你看到它的出口温度达到391度,入口温度是什么?流量是多少?我要简单地说一下,当时的入口温度是299度,我设计的流量是30吨,但是当时的流量大概在35吨左右,也就是聚光器在延庆这个辐射条件下,我们有足够的能够满足出口温度的要求。

这是我们参加整个项目的单位,前三家是科技部承担任务的单位,下面的中海阳就在这个过程中给项目大力的支持,也是投入大量的人力、物力,还有龙腾太阳能,我们的设计单位是内蒙古电力设计院,建设单位是北京电力建设工作,控制系统采用国电智深的控制系统,监理单位是甘肃建材院。

我最后特别感谢。为项目的顺利执行,从技术、人员和资金给予项目支持的兄弟单位:北京电力建设公司、内蒙古电力勘探设计院--他们基本是免费给我们做的设计,还有中海阳能源集团的大力支持,哈尔滨汽轮机厂、甘肃省建材院、首诺导热油公司和湖北守能太阳能。再次谢谢大家!

主持人:非常感谢徐先生的精彩演讲!接下来给现场听众留了1~2个机会,现场向徐先生提问。

提问:徐老师你好,我想问一下几个槽式回路的调节阀,它是电动阀还是手动阀?

徐二树:每个回路的出口都加了一个调节阀,是电动的。

提问:还有,您做了系统的仿真,有没有对比过你仿真的结果和预计的结果有多大的区别?

徐二树:因为我仿真取的数据比较多的,关键是控制系统的时候要做一些分析。现在来说,好像我的实测性能比我预计的好。因为我13个回路,在回路布局的时候,内蒙院做了大量的工作。从流量分配来说,南北向距离长,流量稍微差一些,但是东西向的流量分配还是不错的。

主持人:非常感谢徐先生的回答,在场各位是否还有其他的问题?

提问:我想问一下,根据您的研究,东西向和南北向布置,跟纬度有什么关系?

徐二树:国内来说,咱们都在北半球,我们的项目回答了这个问题。我们在现场来说,既有东西向布置的,也有南北向布置的。另外,还有塔式,都在一个场景下,我们都做了分析。分析的结果,从中午的时候(最高点),东西向单点的性能是比较好的。但是从全年或者是一天过来以后,南北向是比较好的。就是整体来说,南北向要比东西向好。这可能是它的入射角的问题。

提问:有没有做过计算,比如低纬度地区是东西好还是南北好?

徐二树:具体这一块没有做,我可以把这个问题带回去,让做光学分析的给你把这个问题做一个具体的计算。

提问:徐先生你好,我来自中国三峡。刚刚西班牙的演讲者也说过现行已经投运的光热电站以槽式为主,占到84%,我们的塔式就只有12%。但是在在建项目中,我们的塔式份额,现在是大幅度增加。我想问的问题是,我们这个塔式现在受亲睐的程度在增加,具体的原因是什么?

徐二树:这是一个好问题,也是一个大问题。其实从我的角度来说,我只能这样回答,因为我不是建设方、投资方。但是前面几个示范项目,整体的可研、评审,我也参与比较多。但整体来说,我觉得可能与我们国内的电力企业发源的背景有关。国内现在整个火电已经超过临界,到百万了,因此我们的设计院、电力公司,大家有这样的能力,有这样的技术水平,认为我们有能力做得更高参数、更大容量。因此从容量的角度来说,就这个出发点来考虑问题,也就是我们9个塔式示范项目的原因。

主持人:非常感谢各位的提问和徐先生回答,我们再次用掌声感谢徐先生的演讲!

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