槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术探究_沈惠冲.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术收稿日期：2022-06-27作者简介：沈惠冲（1987-10-），男，硕士，从事火力发电厂建设新能源发电站设计，以及设计管控和工程项目管理工作槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术探究沈惠冲上海电气工程设计有限公司摘要：分析槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术要点，并结合具体工程通过SAM系统建模分析，槽式太阳能光热供蒸汽不带熔盐储热时回收期最短，每吨蒸汽成本最低，但用能安全得不到一定保障。当带熔盐储热时采用储能小时数为8 h/day，在较高辐射量的条件下，保证削峰辐射能量浪费降到最低，能够充分利用太阳能资源，根据模型计算每吨蒸汽成本（25 年）约为 86 元/t，投资静态回收期约为10.14 a，此方案回收期和每吨蒸汽成本综合最优。重点讨论了站址太阳能资源评估及设计点DNI、聚光集热镜场面积、储热小时数等因素对光热供蒸汽项目的影响，通过技术方案比选确定槽式太阳能光热供蒸汽整体最优设计方案。关键词：槽式光热；太阳能；供蒸汽；工程设计DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.02.012ResearchonEngineeringDesignKeyTechnologyofTrough Solar Energy Photothermal Steam Supply SystemSHEN HuichongShanghai Electric Engineering Design Co.,Ltd.Abstract:The article analyzes the key technical points of the engineering design of the trough solarthermal steam supply system,and combines the specific project through the SAM system modelinganalysis,the trough solar photothermal steam supply system has the shortest recovery period withoutmolten salt heat storage,and the lowest cost per ton of steam,but the safety of energy use is not guar-anteed.When heat storage with molten salt is carried out,the energy storage hours are 8 h/day.Underthe condition of high radiation,the waste of peak shaving radiation energy is guaranteed to be mini-mized,and solar energy resources can be fully utilized.According to the model,the cost per ton ofsteam(25 years)is about 86 yuan/ton,and the static payback period of investment is about 10.14195SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 引言太阳能是一种成本低廉、环保清洁、形式灵活的可再生能源形式。有学者认为利用太阳能是解决当前能源、资源和环境等问题的有效方法和途径，它不会消耗资源，也不会产生废气、废渣污染空气、土壤和水1，也有学者从太阳能能量转换的角度认为它是绿色能源的绿色利用形式，并且太阳能资源是世界上分布最为广泛的可再生能源2。全球太阳能资源丰富的国家或地区主要集中在北非、非洲南部、北美西南部、南美西南部、西亚、中亚西北部以及澳大利亚西北部（如图1）。在国内，太阳能资源丰富的地区主要位于新疆东部、西藏、甘肃、青海、内蒙等地区（如图2）。图3 不同集热器类型示意图图1 全球太阳能直射辐射分布图图2 中国太阳能直射辐射分布图根据聚光集热方式不同，太阳能光热分为线聚焦、面聚焦和点聚焦三种类型。其中线聚焦主要包括太阳能抛物面槽式和太阳能线性菲涅尔式，面聚焦主要包括太阳能塔式，点聚焦系统主要包括太阳能碟式。不同集热器类型示意图，如图3。对比四种聚光集热类型，太阳能碟式聚光比最高（1 0003 000），塔式次之（3001 500），线聚焦系统的抛物槽式（7080）和线性菲涅尔式（25100）相对较低。四种类型常规的优缺点见表1。years.The payback period and the cost per ton of steam in this scheme are the best.This paper focus-es on the solar energy resources evaluation of the site and the influences of design point DNI,field ar-ea of condenser mirror,heat storage hours and other factors on the project of solar thermal steam sup-ply,and determines the overall optimal design scheme of trough solar thermal steam supply throughthe comparison of technical schemes.Key words:Trough Photothermal;Solar Energy;Steam Supply;Engineering Design196SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术在太阳能光热利用中，聚光集热系统收集太阳辐射热量，通过聚光集热面汇聚到集热管上，集热管中的传热工质被加热，加热后的传热工质进入储能系统和蒸汽发生系统中工作。聚光集热系统的集热效率对于整个太阳能光热项目有着至关重要影响。一般来说，镜场集热面积和储热系统容量主要受工程造价、运维和财务成本及项目站址太阳能资源等因素影响。本文以内蒙古自治区包头市郊某工业园区100 t/h光热蒸汽供热项目为例，以槽式太阳能光热项目全寿命周期整体经济性最优为目标，并通过建立系统模型计算，分析不同太阳能倍数及储热容量边界条件下每吨蒸汽成本，最终确定最优储热容量方案。结合该工程分析槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术要点，重点讨论站址太阳能资源评估及设计点DNI、聚光集热镜场面积、储热小时数等因素对光热供蒸汽项目的影响。1 工程设计关键技术要点1.1 太阳能资源评估规范3中要求，槽式太阳能光热设计首先需要分析项目站址所在区域的太阳能资源概况，并对该地区太阳能资源的丰富程度进行初步评价，同时分析该地区的地理条件和气候特征，为站址选择和工程技术方案初步确定提供参考依据。需要运用公共气象数据库或其他方法进行分析评估，特别是对于大型商业槽式太阳能光热项目建议结合现场观测数据分析，用于太阳能资源分析的现场观测数据应不少于一个完整年连续观测记录。中国电建西北勘测院陈键4等人基于气象统计学对光热项目太阳能资源进行研究，提出了一套太阳能资源的评估方法。本文采用对比分析的方法分析项目所在地太阳能资源和设计点DNI值，为项目站址和技术方案设计提供了适用可靠的设计条件。内蒙古自治区地理位置在我国北部，其太阳能资源十分丰富，年日照时数在2 6003 400 h之间，太阳能年总辐射量在1 3421 948 kWh/之间，内蒙古自治区是我国太阳能高辐射值地区之一，全区太阳能资源分布具有呈自东向西递增特点，见图4。根据公开气象数据，内蒙古自治区部分县市多年平均太阳辐射数据和日照时间如图5所示，其中，包头市年太阳总辐射量（GHI）为5 815.76 MJ/m2，位于区内中下游，平均日照时间位于区内中上游，具备建设光热供热供汽工程的条件。由于项目前期实测DNI数据缺乏，选择临近区域参考点的实测数据代替。NREL光资源软件中，相近站点有包头达茂旗百灵庙，陕西榆林两处，日均DNI分别为4.94 kWh/m2，4.04 kWh/m2。比较可知，达茂旗百灵庙地理位置、冬季日照百分率更接近，且直接辐射DNI数据、降水量等与场址更为接近。该工程选用百灵庙的直接辐射DNI数据计算集热量，按照NREL光资源软件中包头市达茂旗百灵庙数据作为计算依据。在充分利用光照资源的原则下，如图5，站址设计点DNI值取950 W/。表1 四种类型常规的优缺点类型抛物面槽式中心聚光塔式旋转面碟式菲涅尔式优点商业运行最成熟，太阳能收集效率达60%，光电转化率达21%，可实现燃气联合混合系统，具有储能能力太阳能收集效率达46%，光电转化率达23%，温度高达565，可实现燃气联合混合系统光电转化率达23%，分布式模块化，可实现燃气联合混合系统易于旋转跟踪太阳光，运行成本低，广泛应用于燃气互补领域。镜面和集热管的连接简单，成本较低，可直接产生蒸汽缺点吸热油介质温度较低，限制蒸汽温度投资不确定，主要由装机容量与定日镜决定燃气混合发电系统的燃烧效率低，可靠性有待验证太阳能收集效率较低，光电转化率较低槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术探究197SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018图4 内蒙古自治区总辐射分布图图5 包头市达茂旗百灵庙DNI值数据图图6 槽式太阳能光热供蒸汽系统示意图1.2 方案设计及比选1.2.1 方案设计根据项目需求，该期工程储热容量为1 200 MWth，需要满足额定工况16 h连续出力。储热系统采用冷/热双罐方案，分别设置一组冷工质泵和一组热工质泵。槽式反射镜将阳光反射到集热管，集热管中的导热油（从冷储油罐泵出）被加热到300，流入热储油罐。热储油罐中的高温导热油进入蒸汽发生器将给水加热至饱和蒸汽，低温导热油流入冷储油罐。而高温蒸汽可提供给工业用户进行生产。蒸汽发生器设计1100%容量，单台配置具有管道系统简单、阀门少、设备占地小、运行调节相对简单等特点。为应对停机检修及连续阴雨多云天气，该工程将传统热源作为储热供汽的调峰机组。工艺系统设计流程图见图6，主要设备包括槽式反射镜（及其支架）、集热管、冷热储油罐、工质泵、蒸汽发生器（及预热器），给水泵等。1