需(xu)要說明的(de)是(shi),上(shang)述只是(shi)水/蒸汽(qi)工(gong)質傳熱混凝土固態儲熱運行(xing)的(de)原理性描述,實際運行(xing)管控邏輯設計中需(xu)要對(dui)各類工(gong)況及(ji)電(dian)網調度需(xu)求特點進行(xing)綜合考慮,對(dui)儲熱系(xi)統進行(xing)針對(dui)性設計,以確保實現(xian)各項設計目標。
混凝土固態儲熱系統的基本優點有哪些?
混凝土固態儲(chu)熱(re)(re)系統(tong)從(cong)建設成本上看,儲(chu)熱(re)(re)工質主(zhu)體為混凝土,原材料為水泥、砂(sha)石和其他少量添加材料,不需(xu)要昂貴(gui)且不可靠的(de)密閉罐體,一體化的(de)換熱(re)(re)通(tong)道為普通(tong)水蒸氣管道,整體成本穩定可控(kong),較熔鹽(yan)系統(tong)有很大比例(li)的(de)成本優勢。
從運行安全(quan)(quan)上看,混(hun)(hun)凝(ning)土(tu)儲(chu)熱(re)系統不(bu)會(hui)出(chu)現凍(dong)堵或超溫(wen)、超壓現象;整個系統不(bu)會(hui)出(chu)現過燒現象,基本(ben)上就像是一(yi)個永遠不(bu)會(hui)過溫(wen)、沒有煙(yan)氣侵(qin)蝕的鍋爐,簡單安全(quan)(quan);并且實際(ji)投入運行后混(hun)(hun)凝(ning)土(tu)儲(chu)熱(re)體每天工(gong)作運行溫(wen)度波動范圍可以(yi)控制在(zai)40℃以(yi)內,溫(wen)度變化速率極(ji)低,對(dui)結構強(qiang)度影響(xiang)較(jiao)小。
從運(yun)行穩定(ding)(ding)性(xing)上(shang)看,混凝土(tu)儲熱(re)材(cai)料沒有冷凝凍結風險,對(dui)(dui)多云陰雨(yu)雪天氣極(ji)不敏感(gan);混凝土(tu)體積質量(liang)巨大,其顯(xian)(xian)熱(re)比熱(re)容(rong)量(liang)巨大,溫(wen)度(du)(du)難(nan)以(yi)突變,能夠對(dui)(dui)與(yu)之相連接的(de)(de)DSG傳熱(re)體系起到顯(xian)(xian)著的(de)(de)穩定(ding)(ding)和調節作用,提(ti)供汽(qi)輪(lun)機運(yun)行所需的(de)(de)高穩定(ding)(ding)參(can)數蒸汽(qi);由于儲熱(re)系統自(zi)身的(de)(de)基(ji)礎溫(wen)度(du)(du)高,即使連續(xu)(xu)陰雨(yu)雪天氣,汽(qi)輪(lun)機仍可(ke)保持至少連續(xu)(xu)超過7日(ri)不間斷運(yun)行,有非常大的(de)(de)安全穩定(ding)(ding)性(xing)優(you)勢(shi)。
兆陽光熱混凝土固態儲熱系統的性能指標
兆陽光熱(re)(re)(re)(re)混凝土儲熱(re)(re)(re)(re)體系(xi)(xi)經歷多年(nian)研(yan)發,主要解(jie)決了(le)(le)(le)經濟性(xing)環保配方(fang)、高(gao)低溫循(xun)環強(qiang)(qiang)度、高(gao)導熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)數及高(gao)比熱(re)(re)(re)(re)容等系(xi)(xi)列關鍵問題,同(tong)時進(jin)行(xing)配套的增強(qiang)(qiang)換熱(re)(re)(re)(re)結(jie)構研(yan)發,通過大量的實際(ji)產品(pin)測試(shi)檢驗(yan),在技術的經濟性(xing)和可靠性(xing)得到初步驗(yan)證后,先(xian)后建(jian)(jian)設(she)了(le)(le)(le)5m3的電儲熱(re)(re)(re)(re)試(shi)驗(yan)平(ping)臺(tai)(tai)進(jin)行(xing)儲熱(re)(re)(re)(re)試(shi)驗(yan)以及20m3試(shi)驗(yan)平(ping)臺(tai)(tai)與菲涅耳(er)聚光鏡(jing)場(chang)聯合運行(xing)測試(shi),在充分分析測試(shi)數據(ju)并改(gai)進(jin)完善(shan)后,確(que)定(ding)了(le)(le)(le)各技術參數,完成了(le)(le)(le)720MWh(th)的光熱(re)(re)(re)(re)電站儲熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)統設(she)計與建(jian)(jian)設(she)工作。
圖4:混凝土樣塊
兆(zhao)陽光熱(re)(re)對(dui)研發的配(pei)方混凝土進行了抗壓、強度、導熱(re)(re)、比熱(re)(re)、膨脹(zhang)系數等一系列的第三方綜(zong)合性能測試,各項指(zhi)標均達到(dao)或優于國(guo)外資(zi)料公布(bu)的數據。
圖(tu)a:抗壓強度隨循環次數的變化曲(qu)線
圖b:兆(zhao)陽光熱與(yu)DLR混凝土樣(yang)塊(kuai)測試結(jie)果對比
圖:配(pei)方混凝土第三方認(ren)證
根據混凝土試塊(kuai)經過600-300℃高低溫循環60次(ci)的抗(kang)壓強(qiang)度(du)曲線可以看出,初始(shi)抗(kang)壓強(qiang)度(du)達到(dao)了近60MPa,經過5次(ci)循環后(hou)強(qiang)度(du)大幅下降,達到(dao)35MPa左右,后(hou)期雖(sui)然經過60次(ci)循環加熱,試塊(kuai)強(qiang)度(du)趨于穩(wen)定,基本不再下降。
兆陽光熱混凝土固態儲熱系統的實際應用
在多年的(de)(de)混凝(ning)土固態儲(chu)(chu)熱系統研發以(yi)及性能測試驗證成功的(de)(de)基礎上,兆陽光熱設計建造了(le)華強兆陽張家口一號15MW光熱電站的(de)(de)混凝(ning)土固態儲(chu)(chu)熱系統,設計儲(chu)(chu)熱時(shi)間(jian)為14h,最高(gao)(gao)工作壓(ya)力為16MPa,長期運行條件下最高(gao)(gao)可耐550℃高(gao)(gao)溫。
該(gai)儲(chu)熱(re)系統(tong)(tong)采(cai)用(yong)(yong)兆陽光(guang)熱(re)專(zhuan)有的(de)配(pei)方混(hun)(hun)凝(ning)土,采(cai)用(yong)(yong)的(de)主體材(cai)料(liao)(liao)均(jun)為建(jian)筑(zhu)常(chang)規(gui)使(shi)用(yong)(yong)材(cai)料(liao)(liao),無高成本的(de)骨料(liao)(liao)。另外(wai)該(gai)儲(chu)熱(re)系統(tong)(tong)中還采(cai)用(yong)(yong)了匹配(pei)增強換熱(re)設(she)計以(yi)大(da)(da)幅度改善換熱(re)性能,提(ti)(ti)高儲(chu)熱(re)系統(tong)(tong)的(de)大(da)(da)功率儲(chu)放(fang)熱(re)能力。由于該(gai)儲(chu)熱(re)系統(tong)(tong)采(cai)用(yong)(yong)了常(chang)規(gui)的(de)建(jian)筑(zhu)使(shi)用(yong)(yong)的(de)混(hun)(hun)凝(ning)土材(cai)料(liao)(liao)(如水(shui)泥、粉煤灰(hui)等)以(yi)及火電行業通用(yong)(yong)管材(cai),大(da)(da)量消耗了社會的(de)過剩產能,推(tui)動了當地(di)的(de)經濟發(fa)展,提(ti)(ti)高了當地(di)居民收入,起(qi)到了很(hen)好的(de)扶(fu)貧效果。
該混凝土固態儲(chu)熱(re)系統分為若干單元,在儲(chu)熱(re)過(guo)(guo)程中(zhong),能夠儲(chu)存(cun)聚光(guang)鏡場(chang)產生的(de)熱(re)量,同時有效穩定聚光(guang)鏡場(chang)DSG系統的(de)運(yun)行參(can)數(shu);在取熱(re)過(guo)(guo)程中(zhong),穩定輸(shu)出過(guo)(guo)熱(re)蒸(zheng)汽推動汽輪(lun)機發電,保(bao)證電能穩定輸(shu)出。
實際測試表明各項性能滿足設計要求
固態儲熱系(xi)統的(de)儲熱容量(liang)由儲熱材(cai)料的(de)比熱容、使用溫差(cha)和總質量(liang)決定(ding),在儲熱材(cai)料性能測試結果基本(ben)準確的(de)情況(kuang)下,根據所需儲熱容量(liang)及有效(xiao)使用溫差(cha)基本(ben)可(ke)以確定(ding)儲熱材(cai)料的(de)體積(或質量(liang))。同(tong)時(shi),為了(le)滿(man)足存入和取(qu)出熱量(liang)時(shi)的(de)功(gong)率要求,儲熱系(xi)統配備的(de)換熱能力必須達到相應(ying)存取(qu)功(gong)率水平。
根據(ju)圖3可(ke)(ke)知,混凝(ning)土固(gu)態儲(chu)熱(re)(re)(re)系統的(de)實(shi)際儲(chu)熱(re)(re)(re)容量(liang)(liang)是與存熱(re)(re)(re)取熱(re)(re)(re)工作點相變溫差減去存熱(re)(re)(re)換熱(re)(re)(re)溫差和取熱(re)(re)(re)換熱(re)(re)(re)溫差后的(de)剩余有效使(shi)用溫差是成比(bi)例(li)的(de),因此如何經濟可(ke)(ke)靠地增強換熱(re)(re)(re)能力、降低(di)換熱(re)(re)(re)溫差、增大儲(chu)熱(re)(re)(re)容量(liang)(liang)就成為改(gai)善固(gu)態儲(chu)熱(re)(re)(re)系統性能的(de)重(zhong)要因素,是該領域工程研究的(de)關鍵環節。
增(zeng)(zeng)強(qiang)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)系統(tong)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)(neng)力的(de)一(yi)(yi)般(ban)方(fang)(fang)(fang)法是在儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)系統(tong)內部添加增(zeng)(zeng)強(qiang)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)裝置,目(mu)前國(guo)際上已開(kai)發(fa)的(de)增(zeng)(zeng)強(qiang)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)裝置,結構相對(dui)復雜(za),材料使(shi)用量(liang)偏大(da)(da),性(xing)價比不高。兆陽光熱(re)(re)(re)(re)經(jing)過多年研究,創造性(xing)地(di)(di)開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)(yi)套(tao)經(jing)濟實(shi)用、高效(xiao)可靠的(de)混凝(ning)土固態儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)系統(tong)匹(pi)配增(zeng)(zeng)強(qiang)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)方(fang)(fang)(fang)案,經(jing)過對(dui)數十(shi)種具體設計方(fang)(fang)(fang)案的(de)分(fen)析(xi)比選,充(chong)分(fen)考慮了最(zui)佳熱(re)(re)(re)(re)擴散(san)形狀(zhuang)、原材料用量(liang)、高效(xiao)加工組裝及(ji)澆(jiao)筑施工方(fang)(fang)(fang)便性(xing)等各方(fang)(fang)(fang)面(mian)因素后,選擇(ze)出(chu)一(yi)(yi)種綜合最(zui)佳方(fang)(fang)(fang)案,并(bing)開(kai)發(fa)出(chu)專(zhuan)用的(de)大(da)(da)規模加工制造及(ji)檢(jian)驗專(zhuan)用裝備(bei),實(shi)現了經(jing)濟高效(xiao)自動(dong)化生產。該方(fang)(fang)(fang)案很(hen)好地(di)(di)兼(jian)顧(gu)了成本與(yu)(yu)性(xing)能(neng)(neng)兩個方(fang)(fang)(fang)面(mian),在保(bao)持足(zu)(zu)夠經(jing)濟性(xing)的(de)前提(ti)下,實(shi)現了換(huan)熱(re)(re)(re)(re)功率滿足(zu)(zu)系統(tong)運行(xing)需要(yao)的(de)目(mu)標要(yao)求;同時,能(neng)(neng)夠對(dui)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)金(jin)屬管路與(yu)(yu)混凝(ning)土材料之間的(de)溫(wen)差(cha)膨脹差(cha)異起到有(you)效(xiao)緩沖匹(pi)配,確(que)保(bao)系統(tong)運行(xing)可靠性(xing);兆陽光熱(re)(re)(re)(re)增(zeng)(zeng)強(qiang)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術成果的(de)成本性(xing)能(neng)(neng)綜合指標遠(yuan)優(you)于目(mu)前披(pi)露的(de)其它國(guo)際技(ji)術方(fang)(fang)(fang)案。
大量的(de)實際(ji)管(guan)路級測(ce)試(shi)驗證了該匹配增強換熱設計的(de)有(you)效性并交叉驗證標定了各項基本系數。為進一(yi)步準確(que)評估大規模(mo)應用情況下(xia)的(de)實際(ji)參(can)數,對15MW電站配套混凝土(tu)固(gu)態(tai)儲(chu)熱系統的(de)模(mo)塊單(dan)元進行了詳細(xi)測(ce)試(shi),測(ce)試(shi)結(jie)果曲線如(ru)下(xia):
圖(tu):不(bu)同換(huan)熱(re)溫差/管內(nei)對流換(huan)熱(re)系數對應的取(qu)熱(re)功(gong)率
實測(ce)結果表(biao)明:如左圖(tu)所示,在液態水工(gong)(gong)質換熱(re)(re)(re)條件時,混(hun)凝土儲熱(re)(re)(re)體平均溫度(du)與流體工(gong)(gong)質溫度(du)差越大(da),單位(wei)長(chang)度(du)下換熱(re)(re)(re)功(gong)率(lv)越大(da);當溫差為(wei)10℃時,單位(wei)長(chang)度(du)換熱(re)(re)(re)功(gong)率(lv)為(wei)92W/m。如右(you)圖(tu)所示,換熱(re)(re)(re)溫差為(wei)10℃情況下,不同(tong)管(guan)內對(dui)(dui)(dui)流換熱(re)(re)(re)系(xi)(xi)數對(dui)(dui)(dui)應有不同(tong)的單位(wei)長(chang)度(du)換熱(re)(re)(re)功(gong)率(lv),當管(guan)內對(dui)(dui)(dui)流換熱(re)(re)(re)系(xi)(xi)數為(wei)8000W/m2/k時,單位(wei)長(chang)度(du)換熱(re)(re)(re)功(gong)率(lv)為(wei)106W/m。
該測試結果與(yu)系(xi)統(tong)工程設計的仿真(zhen)結果一致,使得該儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)系(xi)統(tong),在(zai)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)時,能夠滿足將(jiang)DSG傳熱(re)(re)系(xi)統(tong)在(zai)各工況時段所產生的過熱(re)(re)蒸汽(qi)全部冷(leng)凝為水,滿足儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)功率(lv)所需,基本(ben)無棄熱(re)(re)現象(xiang);取熱(re)(re)時,在(zai)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)系(xi)統(tong)基本(ben)儲(chu)(chu)(chu)滿情(qing)況下,能夠實現3h晚高(gao)峰滿負(fu)荷輸出及等效汽(qi)輪機滿功率(lv)14h的總儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)發電量輸出。
增強(qiang)換熱(re)技(ji)(ji)術與配方混凝土(tu)技(ji)(ji)術共同(tong)構成了(le)(le)兆陽光(guang)熱(re)混凝土(tu)固態儲熱(re)技(ji)(ji)術,目前已經從系統計算、工程設計、組件制造、澆筑施工、養護蒸干脫水、保溫防護、模(mo)塊(kuai)分組、故障檢測、泄漏處置、運行方式等各(ge)個方面得(de)到基(ji)本驗(yan)證(zheng),初步形成了(le)(le)一整套設計、建設和運行維護技(ji)(ji)術體系。
通過(guo)對該大(da)規模混凝土固態儲熱(re)系統(tong)的(de)(de)設計、建設及(ji)調(diao)試(shi)過(guo)程的(de)(de)實(shi)際(ji)數(shu)據分析可知,兆(zhao)陽光(guang)熱(re)混凝土固態儲熱(re)技術具有(you)經濟可靠、安全環保的(de)(de)突出特點,在光(guang)熱(re)電站規模的(de)(de)推廣(guang)應用(yong)條件下能夠比目前(qian)廣(guang)泛采用(yong)的(de)(de)熔鹽冷熱(re)罐技術方(fang)案降(jiang)低四成(cheng)甚至更多(duo)的(de)(de)建設成(cheng)本(ben),運維管理簡(jian)單、無任何(he)污(wu)染(ran)性(xing)材(cai)料、不存在凍堵泄漏風險、具備顯著競爭優勢。
該混凝土(tu)固態儲(chu)熱技術還能夠(gou)進一步深(shen)度開發(fa),在其它例如工(gong)業熱儲(chu)存利用領域、民用儲(chu)熱供(gong)暖領域、棄電消納(na)供(gong)熱領域等多個方面展(zhan)現出巨大潛力,目前已經展(zhan)開部分工(gong)作,能夠(gou)在不遠的將來通過(guo)實際(ji)業績(ji)驗證。
綜(zong)上所述,兆(zhao)陽(yang)光熱具(ju)有完(wan)整(zheng)自(zi)主知(zhi)識產權的(de)混凝土固態儲熱技(ji)術體系,經(jing)(jing)過多(duo)年(nian)研究、開發完(wan)善,已通過規模(mo)化建(jian)設和初步經(jing)(jing)濟技(ji)術指標驗證,能夠(gou)滿足光熱電(dian)站在各類工況下的(de)技(ji)術要求(qiu),具(ju)有經(jing)(jing)濟可(ke)靠、環(huan)保安全的(de)顯著(zhu)優(you)勢(shi)(shi),能夠(gou)與兆(zhao)陽(yang)光熱DSG技(ji)術體系有效結合,充(chong)分保障(zhang)兆(zhao)陽(yang)光熱發電(dian)技(ji)術的(de)可(ke)靠性(xing)(xing)和經(jing)(jing)濟性(xing)(xing)優(you)勢(shi)(shi),為實現(xian)光熱發電(dian)平價上網目標打下了(le)堅(jian)實基礎。