塔式光热电站熔盐吸热器关键技术研究

董自春, 赵 煜, 赵 静

中国船舶重工集团公司 第七○三研究所 哈尔滨 150078

1 吸热器概述

塔式光热发电系统如图1所示,主要由镜场、吸热与储热系统、发电系统三部分组成。通过镜场实现对太阳的定时跟踪,将太阳光反射到吸热塔顶的吸热器上。吸热器将高热流密度的辐射能转化为高温传热流体的热能。高温传热流体在地面的蒸汽发生器中放热,产生高压过热蒸汽,推动汽轮发电机组发电。剩余的热量则储存在高温储热罐中,继续在夜间放热,以持续运行发电。典型的熔盐吸热器外形如图2所示[1-2]。熔盐吸热器位于吸热塔最顶端,由管屏、内部连接管道、空气罐及空气管道、支撑结构体、平台扶梯等组成。管屏数量一般为16、18、20等偶数,管屏分片悬挂在支撑结构体上,管屏上下的联箱包在白色基底的保温区域内。通常情况下,对于处于北半球区域的塔式电站,温度低的熔盐进口布置在吸热器的南侧,因为南侧的热流密度较低;温度高的熔盐出口布置在吸热器的北侧,因为北侧的热流密度较高,这样能减少辐射和对流换热带来的热损失。与此同时,熔盐流程通常采用双流程,以达到降低管道流动阻力的目的。

图1 塔式光热发电系统

图2 典型熔盐吸热器外形

2 塔式光热电站发展现状

根据统计[3],世界范围内投入商业运行的10 MW及以上规模级塔式光热电站见表1。

表1 10 MW及以上规模级塔式光热电站

近期建设的发电功率为50 MW及以上的塔式光热电站,大多配备了成熟的储热系统。截至2018年7月,全球正在建设中的大型塔式光热电站项目见表2。

3 吸热器研究进展

3.1 国内

东方锅炉厂是国内较早开展吸热器设计与制造的厂商,拥有多项吸热器方面的发明专利。2011年研制的1 MW腔式吸热器应用在中科院北京延庆光热示范电站,采用强迫循环技术,呈六棱形,腔式布置有预热受热面、蒸发受热面和过热受热面,汽包布置在吸热器顶部。2016年,东方锅炉厂相关光热技术应用在山西国金电厂350 MW煤电机组上,首次进行了1 MW光煤互补示范。2017年,东方锅炉厂获得哈密熔盐50 MW光热发电项目聚光集热系统和蒸汽发生器合同。

表2 在建大型塔式光热电站

杭州锅炉厂拥有中控德令哈10 MW发电功率水工质吸热器和熔盐吸热器的设计与运行经验。2017年,获得中控德令哈50 MW和中电建共和50 MW项目的熔盐吸热器订单。

敦煌首航节能公司10 MW熔盐塔式光热电站采用自行设计生产的吸热器,已于2016年并网发电。此外,在100 MW项目上也使用了自行设计生产的吸热器,预计两年内投运。

3.2 国外

美国Solar Reserve公司通过美国联合技术公司旗下Pratt & Whitney Rocket dyne公司的独家授权,获得了30年使用权限的熔盐储热塔式光热发电技术,奠定了其在熔盐塔式技术领域的领先地位。Solar Reserve公司在Crescent Dune项目中使用的吸热器是目前全球运行中最大的熔盐吸热器,吸热塔高度为195 m,吸热器由14个面板组成,每个面板由66个薄壁管组成。

美国B&W公司在2008年开始塔式吸热器的研发工作,2009年向eSolar交付了一台热功率为10 MW的小型吸热器。B&W公司在我国的合资厂家北京巴威通过技术授权,也参与了多个项目的投标。B&W公司旗下的Riley Power公司为Ivanpah电站供应三个水工质吸热器,且已经商业运行,这也是目前应用的最大外置式吸热器。

比利时CMI公司设计的腔式吸热器,应用在南非Khi Solar One项目50 MW塔式光热发电站上,已于2016年2月投入商业运行。该公司为Abengoa公司设计的100 MW熔盐吸热器,应用在智利Atacamal项目上。

美国GE公司在收购了Alstom后,也拥有了熔盐吸热器的设计能力,产品已在以色列Ashalim1电站中安装。

西班牙Sener公司同样具有强大的吸热器设计能力。全球首个24 h发电的光热电站Gemasolar项目的熔盐吸热器就是由Sener公司和西班牙环境能源技术研究中心联合开发的。此外,摩洛哥NoorⅢ电站采用了该公司的100 MW吸热器。

丹麦Aalborg公司和法国Saint-Gobain公司在塔式吸热器方面也有研究,并各有项目业绩。西班牙20 MW的PS20塔式电站采用了Aalborg公司的腔式接收器,德国宇航中心的塔式实验电站采用了Saint-Gobain公司的腔式吸热器。

4 熔盐吸热器关键技术

熔盐吸热器体积庞大,工作温度高,对材料要求苛刻,因此其关键技术要求较高。熔盐吸热器的关键技术主要有四项,以下分别进行介绍。

4.1 全镜场下吸热器表面瞬时热流分布

吸热器接收来自定日镜场的聚光辐射,其表面的瞬时热流与太阳辐射情况、镜场布置等影响聚光传热的因素密切相关。太阳光作为一种辐射传播能量,其在吸热器表面的聚光传热过程是一个复杂的光热聚集、转换及耦合传热过程。获得吸热器表面瞬时热流分布是吸热器设计的基础,着重解决吸热器吸收多少热量的问题,是设计的基本输入条件,也是一个难点问题。目前国内外开发的一些先进聚光集热系统分析软件有UHC、DELSOL、HFLCAL、MIRVAL、HELIO、SOLTRACE等[4],其中通用性较好的软件有HFLCAL和采用蒙特卡罗光线追踪方法的SOLTRACE。HFLCAL软件的计算模型由德国宇航中心提出,采用圆形高斯通量密度函数计算吸热面上的热流密度分布,其思路是先计算一面反射镜的成像光斑在吸热面上的热流密度,然后将镜场里所有镜子形成的光斑叠加在吸热面上,以此来计算热流密度。

蒙特卡罗光线追踪方法通过追踪入射方向和反射方向上一定样本数量的光线,由反射光线与吸热器表面的交点及反射光线所携带的能量来确定吸热器表面的热流分布[5]。HFLCAL软件的计算模型较为简单,模拟精度没有蒙特卡罗光线追踪方法高,所以计算速度较快。采用蒙特卡罗光线追踪方法,计算精度很高,但是计算需要较长时间[6-7]。相同模拟条件下,HFLCAL软件计算模型的计算时间是蒙特卡罗光线追踪方法的几百分之一。

4.2 吸热管材质及抗腐蚀抗疲劳特性

吸热管暴露在1 000 ℃以上的高温光斑区域内,采用硝酸盐系熔盐工质做导热流体,在如此高温下会分解,造成金属管壁面腐蚀。另外,吸热器在云层飘过时,表面光斑迅速消失,瞬间的辐射热流又降至极低,这些高温波动情况对吸热管材质提出了很高的要求。

目前国外吸热管材质采用美国机械工程师学会(ASME)标准的特殊镍基合金钢Inconel625、Incoloy800H,或采用应用于尖端航天发动机中的哈氏合金Haynes230。为降低材料成本,一些学者对替代材料做了抗腐蚀研究。段洋等[8]使用321SS、Inconel600和Incoloy825在530 ℃的60%NaNO3+40%KNO3二元熔盐中,经过3 000 h静置试验,得出三种材料的年腐蚀性厚度依次为7.29μm/a、3.04μm/a和2.4μm/a。Trent等[9]比较了316SS和347H两种不锈钢在600 ℃时在硝酸盐中的腐蚀情况,通过线性拟合得出两者的年腐蚀厚度分别为8.4μm/a和8.8μm/a。Kruizenga等[10]认为347SS和321SS不锈钢在400～500 ℃时呈现的是一种保护性的低腐蚀。数据表明,在去除熔盐后的样品上观察到321SS不锈钢倾向于线性氧化行为,500 ℃时在能量分散光谱扫描中观察到明显的铬耗竭,600 ℃腐蚀层主要是氧化铁,在外面有明显的钠铁酸盐。

国内吸热器厂家目前也采用了进口的镍基合金。另一方面,宝钢特钢与首航节能通过合作,于2018年3月研制成功SHBG-2难变形镍基合金超场薄壁管,以替代进口的Incoloy825材料。

抗疲劳特性也是吸热管在高温及环境突变情况下的特殊要求,吸热管在交变应力的作用下,经过多次应力循环后最终因疲劳破坏而失效。

通过ASME code Case N47可计算出适应427～760 ℃的吸热管疲劳周期。文献[11]认为,吸热管轴向和周向的温度梯度相比径向温度梯度要小很多,因此在三个方向上,吸热管主要的热应力是由径向热流分布不均导致的。校对计算中,要求吸热管最大热应力必须低于极限抗拉强度的40%～50%,这样才能避免疲劳失效。

4.3 选择性吸收涂层技术

吸热器表面温度高达650～750 ℃,在如此高温下,既需要有较高的吸收率,又要求热发射率低,这对黏附力强的耐高温涂层要求极高。目前,大多数塔式吸热器厂家使用了美国Tempil公司生产的Pyromark 2500系列高温漆[12]。该涂层漆原用于航天器外层保护涂层,耐温达1 250 ℃,是目前最好的高温太阳吸收涂层漆之一。Maria等[13]研究了光热电站吸热器涂层Pyromark 2500光学性质对热效率的影响,认为对使用熔盐工质的外置式吸热器而言,在正常工作温度下,吸收率对热效率的影响较大,提高2%的吸收率能提高4%的热效率,而发射率对热效率的影响较小,如发射率从0.9降至0.5时,热效率仅增大0.6%。使用蒸汽工质的腔式吸热器,则对发射率较为敏感。Antoine等[14]通过均化发电成本计算,对Pyromark 2500、LSM和氧化钴三种涂层的耐用年限和成本效率进行了分析,得出Pyromark 2500具有明显优异的成本效率。国内尚无替代进口涂层的技术。有企业研制了一种参杂钼和钴的Ni-Cr尖晶石型氧化物作为高吸收层底层,并将Ni-Cr-Al2O3用作高透过低发射表层,得到选择性吸收涂层,但尚无工程应用实例。

4.4 熔盐防凝固与快速疏盐技术

为防止熔盐泄漏,需要在可能发生熔盐泄漏、溅射的地方,设置防止熔盐溅射装置,或设置防火墙、防爆墙等隔离装置。针对熔盐凝固,采用成熟、可靠的伴热系统,并设置快速疏盐系统,可以避免吸热器系统在停机后重启时产生严重的热应力。如果某处温度过低,可使用辅助热源。为防止熔盐超温,可采用多目标点镜场调度策略,实现吸热器表面能量的低溢化与热流均匀化,同时联合应用红外热像仪及壁温测点对受热壁面进行实时在线监测,防止管屏超温。

5 结束语

笔者概述了塔式光热电站使用的熔盐吸热器,列举了国内外已投入商业运行和在建的塔式光热电站项目。笔者同时对熔盐吸热器的结构进行了介绍,分析了国内外吸热器厂家的技术成熟度,并归纳了吸热器设计制造中的四项关键性技术。