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      這一中國人獨創的光熱技術體系瞄準平價上網的最終目標
      時間:2018-02-08 17:07:06

      ——兆陽光熱創新型光熱技術體系系列深度報道之二


      CSPPLAZA光熱發電網報道:一切看起來都是那么地與眾不同。在華強兆陽張家口一號15MW光熱示范電站,這一由中國人獨創的新型光熱技術完成了商業化驗證,徹底革新了傳統的光熱技術體系。


      剛剛過去的2017年,是北京兆陽光熱技術有限公司(以下簡稱兆陽光熱)為此奮斗的第12年,對兆陽光熱的技術負責人李維而言,則是他個人堅持不懈致力于此的第10年。


      革故鼎新,需要智慧、勇氣與堅持。10余年來,是什么在支撐著兆陽光熱不忘初心的理想和信念?是什么讓兆陽光熱逐步構建了完整的獨特的新型光熱技術體系?CSPPLAZA日前對李維進行了深度采訪,以尋求這一問題的答案。


      CSPPLAZA:兆陽光熱為何要獨辟蹊徑開發如此獨特的一套全新光熱技術體系?


      李維:能夠實現長時間穩定輸出、可按照調度指令進行調節、能夠作為基荷能源大規模發展的新能源技術中,光熱發電非常具有競爭力,但必須看到的是,長期依賴補貼的能源技術路線是行不通的,除了清潔安全以外,還必須在經濟性上優于燃氣發電、實現平價上網。


      這是可持續的能源發展必由之路,在基于對未來能源大形勢的判斷下,我們堅持研發安全可靠、不需補貼的清潔能源技術,將可靠性和經濟性作為核心評價標準和追求目標。


      圖:華強兆陽張家口一號15MW光熱示范電站


      從頭開發具有完整自主知識產權的獨創技術體系是一項漫長、充滿挑戰和風險的艱巨任務,只有具備自主完整技術體系的堅實基礎,才可能持續不斷進行完善提高,鞏固和保持核心競爭力。今天的這套全新的光熱發電技術體系正是在清潔安全、可實現平價上網的最終設計目標指引下完成的,我們對其可靠性和經濟性充滿信心。


      CSPPLAZA:那您如何看待目前主流的槽式和塔式技術?難道這兩種技術無法實現平價上網嗎?


      李維:槽式技術的商業化發展已經30余年,有著數量眾多的成功案例,這充分證明了槽式技術的可行性以及槽式技術的高度成熟性,因此,我們認為在中國建設槽式電站的技術風險不大。雖然由于我國特殊的地域、氣候和光照資源特點會帶來很多工程設計及運行維護方面的挑戰,但這些應該都是可以通過強化設計、建設及運維工作解決的。


      但是,槽式技術數十年的發展形成的高成熟度恰恰證明了其進一步簡化設計、降低成本的空間很小,經濟性指標也基本固定,難有大幅改善,特別是在相對全球光照資源豐富地區要差很多的中國西北地區,其成本競爭力非常有限。


      塔式技術作為一大發展方向,我們也進行了多年的研發和實際測試。根據廣泛調研及我們近幾年的實際試驗測試結果,從可靠性和經濟性兩方面看,我們認為塔式的聚光、集熱、傳熱及儲熱系統的設計、建設、調試及運行維護管理策略等都還有非常大的改進發展空間及相當多的不確定因素,這些都需要大量的時間及資金投入,繼續進行深入研究。


      在三四年的較短時間內,我們認為塔式技術迅速實現可靠、經濟的商業化運行目標困難較大。國際上目前只有兩個熔鹽塔式電站實際運行,而其經濟性尚未優于同等條件下槽式光熱電站的運行指標,且在運行初期一般都出現了較多問題。這也在一定程度上說明了塔式技術尚處于發展的初期階段。我們認為塔式技術或許能夠成為較長時間段內的研發熱點,但在三五年內難以擔當光熱發電產業化推廣的主要角色。當然,我們對塔式技術的研究較少,認識還很膚淺,以上只是我們在選擇技術路線時的一個判斷。


      另一方面,從進化論角度看,優勝劣汰后存活下來的物種往往不是最大最強最聰明的,比如恐龍,而是最能夠適應環境變化特點的。中國光熱電站開發的環境有很大的特殊性,行業人士對此都有深刻認知。相比美國加州,國內的DNI資源約差30%~40%,同時面臨大風頻發、低至-30℃到-40℃的極寒、沙塵等惡劣自然條件。這決定了適宜于中國自然環境的光熱發電技術必須能夠適應這些環境特點。


      目前,國際上成功的光熱電站大都建設在DNI資源富集區、風小、全年幾乎無冰凍、空氣清潔,國內的自然條件是對傳統光熱技術路線可靠性和經濟性的巨大挑戰,我們認為很難通過對某種既有技術體系的局部改良達成顯著效果。


      因此,要在中國實現光熱電站的可靠運行、實現平價上網,我們只能嘗試全新的技術路線,充分適應國情特點,尋找出路。經過10多年的潛心研發和實踐,這才有了目前的兆陽光熱技術體系。


      CSPPLAZA:導熱油或熔鹽為當前主流的傳熱工質,兆陽光熱技術體系為何選擇非主流的DSG技術?


      李維:不用導熱油或熔鹽是基于安全性和成本考量,主要有以下幾點原因:


      從運行風險角度來看:據商業化電站公開的信息,導熱油的超溫裂解、老化劣化使其需要不斷進行循環處理,安全運行管理良好的情況下大約7年左右就等效更新了一遍,且時刻存在泄漏燃燒爆炸的風險;熔鹽也同樣可能出現超溫分解、泄漏爆炸風險;而當一個電站同時含有導熱油和熔鹽系統時,運行風險則更大。


      這兩種工質的降解、分解、泄漏、燃燒、爆炸風險都意味著高昂的設計、采購及建設運行管理成本。特別是這兩類工質屬于易燃易爆物品或強氧化劑管制品,光熱電站領域適用的安全標準及設計規范目前還比較欠缺或較模糊,但在日益強調安全生產的背景下,估計設計、采購、施工及運行管理等各部門都將會承擔巨大而又不確定的安全責任風險,這都會大幅增加成本。


      從成本角度看,水的成本要遠低于導熱油和熔鹽的采購成本,導熱油和熔鹽原料均屬于成熟產品,價格基本穩定,很難有較大下降空間,目前甚至還面臨著價格上漲的壓力;另外,導熱油和熔鹽在正常運行狀態都有一個相對較高的最低運行溫度,系統防凝保溫成本高昂,而水工質的防凝方案簡單且成本低廉。


      從配套產品角度看,光熱電站的水工質系統使用的所有設備都類同于常規火電行業,包括泵、閥門、儀器儀表、伴熱、保溫、輔機系統等,有著成熟的產業鏈和成熟的配套產品,替代和更換成本低廉;而導熱油和熔鹽系統的配套產品很多需要進口,而且材料的兼容性、穩定性未經過長年的驗證,存在很大問題隱患。


      從運行經驗角度看,常規火電行業通用水/蒸汽工質體系,使得該行業的大量建設、調試和運行人員可以在水/蒸汽工質光熱電站無縫對接,規章制度和運行條例等成功經驗可以得到有效延續,具備運行能力的人員選擇范圍很寬,容易大規模推廣。而導熱油、熔鹽工質的光熱發電技術體系目前在國內顯然屬于新生事物,國內根本沒有任何有實際商業化運行經驗的人員,也很難長時間依靠國際人才資源進行實際商業運行,一個素質很好的學員估計最少也需要一兩年的理論學習、光熱電站實習過程才有可能實現獨立當值操作,這在目前的光熱發展階段顯然是遠水不解近渴的,而未經專業系統訓練就貿然運行安全風險極高的油鹽類電站,后果無法想象。


      CSPPLAZA:行業內普遍認為,線聚焦DSG技術的主要困難是對集熱管提出了更高的技術要求,且水蒸氣系統儲熱難度大、經濟性不足,你們現在已經完全克服了這兩大難題嗎?


      李維:我們對集熱系統及DSG系統已經進行了近一年的測試運行、改進和驗證,初期確實發現了常規集熱管無法適用于我們的集熱系統,但經過詳細的測試試驗后發現,并非真空集熱管主體存在問題,只是集熱管附件設計未考慮HLIACS聚光系統的實際使用條件而已,經過和集熱管廠商的共同努力,現在這一問題已經得到很好的解決,目前可以證明在HLIACS聚光系統200倍的光強環境下,多家國產的真空集熱管產品均可初步滿足我們的使用要求,經過改進的集熱管已經批量安裝并有超過3個月的連續運行,目前沒有再發現爆管現象,質量表現穩定,集熱管的彎曲程度、失真空比例等指標遠遠優于一些槽式電站案例的披露信息。目前可以說,兆陽HLIACS聚光集熱系統中的水工質傳熱部分已經達到了類似常規蒸汽鍋爐的成熟度,能夠穩定可靠地生產13MPa、450℃的高品質過熱蒸汽,并且系統經濟性遠遠優于導熱油或熔鹽聚光集熱體系。


      對于DSG技術儲熱難這一問題,我們則通過獨有的固態混凝土儲熱技術成功地予以解決。


      CSPPLAZA:當前主流的儲熱技術為熔鹽儲熱,你們為何選擇了固態混凝土儲熱技術?是否太過大膽超前?


      李維:我認為熔鹽儲熱系統反而是一個較為大膽的技術路線選擇,從建設成本和運行風險上看,并不符合我們追求的安全可靠、平價上網的長遠發展目標。


      圖:華強兆陽張家口一號15MW示范電站配套的14h混凝土儲熱系統


      熔鹽儲熱系統的建設成本較大受限于熔鹽使用量、鋼材用量及專業泵閥組件等等。鋼材和熔鹽均屬工業基本原料,成本下降空間極為有限。一個50MW級、帶有長時間儲熱能力的槽式電站的熔鹽采購成本往往就高達上億元,并且配套設備中如熔鹽泵等目前只能進口,成本高昂。


      再者,熔鹽系統的運行風險相對較大,除了每天都有一定的溫度變化外,高溫狀態下,高溫熔鹽罐和低溫熔鹽罐的反復充滿和排空會對罐體帶來較大的交變應力,對罐體材料的高溫抗疲勞和結構設計、焊接組裝施工等各方面的要求將非常之高。一旦出現泄露,可能就要整罐甚至整個電站退出運行進行維修,時間動輒數月,損失巨大難以承受。目前國際上已經發生了多起熔鹽罐泄漏事故,造成了巨大損失,給這種儲熱技術的產業化大規模發展蒙上陰影。

      我們也是對熔鹽儲熱系統進行了一些研究及試驗后,感到風險較大不敢冒進,才決定另辟新路,最后選擇了混凝土儲熱。


      混凝土儲熱系統從建設成本上看,儲熱工質主體為混凝土,原材料為水泥、砂石和其他少量添加材料,一體化的換熱通道為普通水蒸氣管道,整體成本穩定可控,較熔鹽系統有很大比例的成本優勢。


      從運行安全上看,混凝土儲熱系統不會出現凍堵或超溫、超壓現象;整個系統不會出現過燒現象,基本上就像是一個永遠不會過溫、沒有煙氣侵蝕的鍋爐,簡單又安全;換熱介質中間添加增強換熱結構能顯著改善導熱能力和匹配膨脹效果,并且實際投入運行后混凝土儲熱體每天工作運行溫度波動范圍僅僅在40℃以內,且溫度變化速率極低,對混凝土來說基本屬于正常工況,經過長期系統疲勞循環實驗,強度指標依然良好,遠遠滿足使用要求,并通過了權威機構測試。


      即使在長期運行后在軸向長度上出現部分裂縫,也完全不影響徑向傳熱效果,并且混凝土儲熱塔的整體強度依然穩定,安全性遠遠超過一般建筑物標準。就算在極端的大波動范圍的高低溫循環后,也不會出現坊間擔心的混凝土“碎了”的情況。


      從運行穩定性上看,混凝土儲熱材料沒有冷凝凍結風險,對多云陰雨雪天氣極不敏感;且因自身基礎溫度高,即使連續陰雨雪天氣,汽輪機仍可保持至少連續超過7日不間斷運行,有非常大的安全穩定性優勢;而熔鹽儲熱系統遇到陰雨天則需要外部能源加熱,以保持在最低安全運行溫度之上,運維代價很大,對多變天氣的適應能力不足。


      CSPPLAZA:兆陽光熱技術體系中類似土地綜合利用、鏡面清洗及雨水收集等很有特點,這些實用化設計的出發點在哪里?


      李維:這類實用化設計在兆陽光熱技術體系中有很多,都是在充分分析中國自然環境、資源及市場特點后進行針對性開發的成果,目的就是規避、解決甚至充分利用客觀存在的外部不利條件,提高項目的可靠性和經濟性,以實現經濟效益、環境效益、社會效益的全面豐收。


      首先,聚光集熱系統傾斜布置的架空結構除了聚光集熱效果好以外,地面光照強度減弱、風速低、蒸發少,實踐發現非常有利于植被生長,同時也可以實現幾乎全部鏡場土地的綜合利用開發,例如進行種植、養殖等農業生產,鏡場區域的光照減弱并不太多,可以保障一般作物生長,特別是可以充分利用汽輪機乏汽熱量,搭載鏡場支撐結構建設經濟型溫室大棚,不需燃料投入就能實現大棚內四季溫暖如春,特別適合現代高效農業項目開發。這項設計使得采用這種技術體系的光熱電站可以和農牧業并行發展,避免工業和農業爭地的窘境出現。


      我國光熱電站開發的沙塵問題嚴峻,我們的測算及實際測試結論是如果不能解決低成本高頻次可靠的鏡面清潔問題,在中國大部分區域根本無法經濟性運行光熱電站,清掃間隔不應超過十天,這部分投資及運行的成本折算最多不要超過0.03元/kWh,因此只有與系統結構通盤考慮、聯合設計及自動運行才可能達到,經過多年多個版本的改進完善,我們研制的清洗車目前已經可以達到可靠經濟的實用水平。


      鏡面雨水收集系統與鏡場融合設計則可以解決一定比例甚至全部的電站運行需水量,增加投資很少且基本不需增加運行成本。雨水中的雜質鹽分很少,遠低于一般地下水源,不但可以大大降低化水工序的成本,還可能將化水工序排出的低濃度濃水進行灌溉利用,而不會造成鹽堿化,針對嚴重缺水的客觀環境特點,雨水收集系統的投資非常有價值,這項投資使光熱電站對水資源的依賴度大大降低,電站長期運行過程中對地下水的影響由負面轉為中性,甚至正面。


      兆陽光熱這些獨特的實用性設計在國內外其它光熱技術體系中很少見,經過多年的開發積累、改進完善及實際運行測試,基本上都已經達到實用化水平,在保障運行穩定安全、改善提高投資回報率、實現環境改良及資源綜合開發利用、保持長期有效的扶貧就業效果等方面能夠發揮非常重要的作用,是兆陽光熱技術體系的亮點之一。


      CSPPLAZA:兆陽光熱技術體系有如此多的創新特點,您對其未來發展和應用有何期待?


      李維:整體來看,兆陽光熱深入研究中國光熱發電環境的特點,將可靠、經濟、可持續大規模發展作為核心目標,通過實際運行測試及一定規模的商業化項目建設驗證,創造完成了一套具有完整自主知識產權的光熱發電技術體系。此原創技術能夠不斷深入完善,達到與天然氣發電相當的建設運行成本水平和技術成熟度,并且蘊含巨大的環境效益和社會效益,從而成為能源建設產業升級、環境改善及西部扶貧開發增加就業的重要選項,希望獲得政府部門及相關各企業機構的關注和支持,全面廣泛合作發展,為促進投資、發展經濟和實現能源升級、環境改善作出貢獻。


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      堅持可靠性和經濟性的評價標準,以實現平價上網為最終目標,這是兆陽光熱技術體系構建的兩大指引方針,也正是兆陽光熱十余年來堅持更適應國內電站開發環境的自主化光熱技術研發的初心。無論是水工質的選擇,還是其HLIACS鏡場集熱系統、混凝土儲熱系統、鏡面清洗、雨水收集等的獨特設計,無一不以上述兩大標準和最終目標為核心原則。


      方向是沒有問題的,光熱發電要獲得大規模推廣應用必須解決可靠性和經濟性兩大問題,本文簡單說明了兆陽光熱為何選擇DSG技術和混凝土儲熱系統,但另辟蹊徑的兆陽光熱要回答的問題還有很多,HLIACS鏡場集熱系統是如何實現200倍高倍聚光的?兆陽光熱技術體系是如何解決鏡面清洗和冬季結霜問題的?……請關注我們的后續報道。

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