太陽能光熱電站電伴熱系統設計

(內蒙古電力勘測設計院有限責任公司,內蒙古 呼和浩特 010010)

太陽能熱發電技術從20世紀80年代發展至今,對充當傳熱介質的材料進行了多種嘗試,包括水和蒸汽、空氣、液態金屬、導熱油及熔鹽等。熔鹽具有較高的使用溫度、高熱穩定性、高比熱容、高對流傳熱系數、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價格等“四高三低”的優勢,成為目前光熱發電領域中認可度最高的傳儲熱介質之一。

由于槽式及塔式太陽能光熱電站的運行特點,集熱和儲熱系統的主要傳熱工質(導熱油和熔鹽)管道、設備不同程度上面臨著凍堵的風險。目前,國內外光熱發電領域工程公司普遍采用電伴熱方式對工藝系統進行預熱及保溫。為保證太陽能光熱電站運行的可靠性,必須認真對待電伴熱系統的選型、設計及安裝。本文從設計咨詢方的角度對太陽能光熱電站的電伴熱運行工況進行了分析,并在電伴熱系統的材料選型、設計思路以及現場安裝等方面提出了建議。

1 電伴熱系統應用情況概述

在太陽能光熱電站的總體規劃中,電伴熱系統雖然不是前期設計工作關注的重點,卻是集熱和儲熱系統的關鍵配套系統,可以避免因工質凍堵而造成重大損失。國外已投運和在建的太陽能光熱電站,如美國Solana (槽式)、西班牙Andasol (槽式)、摩洛哥NOOR I&Ⅱ(槽式 )及 NOOR Ⅲ (塔式 )、智利 Atacama I (塔式 )、南非Xina Solar One (槽式)、美國TONOPAH (塔式)等工程,其集熱和儲熱系統的設備及管道均采用電伴熱系統進行預熱和溫度維持。電伴熱帶在各工程中的用量約為20 (槽式)～55(塔式)km,合同額在300萬～600萬美元之間,電伴熱系統的安裝周期約在16～45周之間。由于電伴熱系統應用效果依賴于高水平的工藝設計、產品質量、安裝細節以及調試經驗,多數光熱電站業主都采用“交鑰匙”工程模式,由電伴熱產品供應商提供詳細設計、供貨、安裝、調試等一系列專業服務。

目前,我國光熱發電產業處于起步階段,許多工程公司以及設計單位都缺少實際項目操作經驗,不同技術路線的光熱電站對電伴熱的需求也會明顯不同。首先,為滿足不同項目的實際需求,相應配置的電伴熱方案在總投資成本上會差別較大。其次,用電成本過高的問題不容忽視,一個光熱電站廠用電的比例約在10%左右,其中電伴熱就占去了2%～3%。最后,電伴熱產品質量及壽命、現場安裝工藝對于能否長期安全穩定運行至關重要,需要多個工程的實際應用檢驗。

2 電伴熱的運行工況

2.1 主要工質參數

2.1.1 導熱油

在槽式光熱發電項目中,多選用高溫油VP－1作集熱工質。高溫油VP－1是73.5%二苯醚和26.5%的聯苯的共晶混合物,其熱物理性質見表1。

表1 高溫油VP－1熱物理性質

高溫油VP－1作集熱工質主要存在以下問題：

(1)凝固點溫度較高：為了防止凝結,要求在管線中配置輔助加熱系統。

(2)高溫下存在安全風險：VP－1運行在高于其沸騰溫度時,需要用氮、氬或其他惰性氣體加壓,避免高壓高溫油霧與空氣形成爆炸性混合物。

(3)制約熱力循環效率：VP－1的工作溫度不得超過395℃,以VP－1作集熱工質,熱力循環初始溫度較低,制約了汽輪發電機組的熱效率。

2.1.2 熔鹽

太陽能光熱電站常見的熔鹽品種有二元鹽(40% KNO3+ 60%NaNO3)、三元鹽(53%KNO3+7%NaNO3+ 40%NaNO2)和低熔點熔鹽產品等。二元鹽熱物理性質見表2,三元鹽熱物理性質見表3。

當熔鹽主要作為儲熱工質應用在槽式及塔式太陽能光熱發電項目中,安全溫度約為270℃,其中槽式儲熱最高工作溫度約為390℃,塔式儲熱最高工作溫度約為565℃。

表2 二元鹽熱物理性質

表3 三元鹽熱物理性質

2.2 主要運行工況

太陽能光熱電站設置電伴熱系統,主要用于熔鹽介質空管預熱、熔鹽介質設備及管道防凝、導熱油系統泵、閥門、管道集中區域等的溫度維持工況,以及極端氣候和設備故障等情況下保證設備安全和系統正常運行。太陽能光熱電站熔鹽管道、設備電伴熱的主要工況有兩種：(1)預熱空載熔鹽管道,升溫至熔鹽安全工作溫度區間(290～550℃),稱為預熱功能；(2)維持熔鹽管道溫度位于熔鹽安全工作溫度區間(約275℃以上),稱為伴熱功能。

2.2.1 預熱功能

熔鹽管道預熱是在機組運行初期,儲熱系統熔鹽管道充鹽前,需要對熔鹽管道、設備進行預熱,使管道溫度升高至熔鹽安全工作溫度,即在一定時間內對管道、設備內空氣和保溫材料預熱。采用國家標準《工業和商業用電阻式伴熱系統第2部分：系統設計安裝和維護應用指南》(GB/T 32348.2－2015)4.3.6節中的傳熱學公式可以計算出升溫時間,此處不再進行詳細說明。

對預熱時長的需求不同直接影響了電伴熱的投資,在整個電站壽命周期內,需要預熱的次數較少,多花些時間完成預熱雖然拖慢了啟動速度,但在電伴熱的投資成本上會有顯著下降。同時,伴熱帶鋪設得越多越密,施工難度也將大大增加。

2.2.2 伴熱功能

對充滿熔鹽的管道要保證其管道溫度不得低于熔鹽安全工作區間,當溫度低于系統設定的安全值時,系統需啟動對熔鹽管道、熔鹽及管道保溫材質進行加熱。電伴熱主要用來補償設備及管道因外界環境引起的熱損失,該損失由于保溫層得以減少而不是消除。采用GB/T 32348.2－2015標準4.3.4節中的傳熱學公式可以計算出伴熱功率值,此處不再進行詳細說明。

2.2.3 安全系數

上述兩種功率值(預熱和伴熱),以電伴熱功率為主,核算預熱時間。由于理論熱損失計算未考慮實際工作現場安裝的缺陷造成的偏差,計算當中要考慮安全系數。這個安全系數需要根據實際的工況需求去設定,熱損失通常要增加10%～25%。

3 電伴熱系統介紹

3.1 電伴熱帶

電伴熱行業能滿足較高維持溫度和暴露溫度要求的產品主要是恒功率伴熱帶“金屬護套礦物絕緣MI (Mineral Insulated)伴熱線”,見圖1。

圖1 金屬護套礦物絕緣MI伴熱線

目前,主流進口電伴熱品牌的金屬護套礦物絕緣MI伴熱線均可滿足以下要求：

(1)高功率輸出：最高提供82 W/ft(269 W/m)的輸出功率,可將溫度最高保持在1022°F(550℃ )。

(2)高暴露溫度：最高暴露溫度為1200°F(650℃),提供SS321和Inconel 825合金等護套選擇。

(3)耐環境腐蝕能力較強。

(4)機械強度較高。

(5)可以用于爆炸危險區域。

存在的缺點主要包括：(1)每個電伴熱回路都需要預先設計,工廠制作；(2)安裝要求嚴格,伴熱線不允許交叉敷設。

3.2 電伴熱附件

太陽能光熱電站高溫熔鹽管道整套電伴熱系統包括：電源接線盒、電子溫控器、供電電纜、不銹鋼金屬網、電伴熱控制、監測及配電系統等。電伴熱系統內所有的電氣設備可根據布置區域選擇相應隔爆等級的產品。

3.2.1 電源接線盒

電源接線盒用于連接供電電纜和伴熱線,應盡量布置在人行步道和操作平臺附近,以方便安裝、檢查和維護,見圖2。

圖2 電伴熱電源接線盒

3.2.2 電子溫控器

電子式表面感應溫控器為伴熱線提供精確的溫度控制。為保證測量的可靠性,每個電伴熱回路應設置2只溫度傳感器或電子溫控器。

3.2.3 不銹鋼金屬網

在做管道和設備的外保溫之前,所有電伴熱線都應使用不銹鋼金屬箔或金屬網覆蓋(見圖3),目的是保證伴熱線沿管道和設備緊貼敷設以及溫度傳導均勻,特別是避免伴熱線嵌入保溫層內。

圖3 閥體的電伴熱線覆蓋不銹鋼金屬網

3.2.4 電伴熱控制、檢測及配電系統

電伴熱控制、檢測及配電系統擁有多個部件包括小型可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、觸摸屏、固態繼電器、隔離開關等,滿足從單一溫度檢測到接地故障、電壓及電流測量的需求,并且將電伴熱回路的運行狀況等重要信息通過工業以太網從現場傳遞到分散控制系統(Distributed Control System,DCS)。

4 電伴熱系統設計思路

4.1 初步設計階段

在初步設計階段,總體工程的設計咨詢方應根據工藝專業的系統流程圖、管道布置圖等資料,確定需要電伴熱的管道、設備等系統,以清單的型式詳細統計相關參數。以下表4中工藝系統及電氣參數將作為產品招標時電伴熱供應商的設計輸入條件：

保溫層通常被設計用于防止伴熱系統在補充熱量過程中的大部分熱量流失。因此,保溫材料的選型和安裝直接影響到電伴熱系統的整體性能[7]。有實際應用業績的電伴熱供應商建議：如果投資和實際應用效果達到平衡狀態,冷態啟動熔鹽系統的預熱時間至少應為24 h。如果預熱時間要求縮短為12 h,電伴熱投資將有較大的增幅。

表4 設計輸入條件

為了保證電伴熱系統招標的準確性,設計咨詢方在初步設計中應規劃需要冗余配置電伴熱的設備、各控制柜及配電柜的布置位置、供電電源等設計?？紤]到電伴熱功率計算誤差、電壓降低、熱量損失等情況,建議電伴熱帶最小設計安全系數(安裝功率/理論功率)為1.5。

4.2 產品招標階段

設計咨詢方在招標前應為工藝系統中不同的伴熱需求確定滿足條件的伴熱帶類型,如自調控伴熱帶、礦物絕緣伴熱帶等。伴熱線外護套選型的最大可承受溫度要大于最高可能發熱的溫度(可能大于正常的工作溫度),并且應能保證在規定的環境下安全穩定運行,如低溫或爆炸性危險區域。某些大型閥門的供應商為其閥門提供獨立的電伴熱系統(包括電伴熱線、接線盒、電子溫控器及外保溫材料),而絕大多數與管道直徑相近的閥門需要和管道一同進行電伴熱,這些都需要在電伴熱系統招標前進行詳細統計。

供應商應提供電伴熱系統設計的初步要求,包括基本的熱損耗(負載)、電氣控制和檢測設備的安裝說明,以及大的復雜工業設施的電伴熱系統布置圖等。每個零部件的設計都需要單獨進行,系統最終需要對各部件作一個整體綜合的評估。這通常是用理論公式計算,然后根據電伴熱供應商以往的經驗數據做出必要的調整。

為了保證電伴熱系統最終運行的可靠性,建議電伴熱供應商不僅應負責提供所有的產品及附件,還應負責詳細設計、文件編制、工廠測試、安裝指導、試運、調試、現場培訓等工作。如果業主采取“交鑰匙”工程模式,供應商還應提供專業的安裝服務。設計咨詢方作為工程總體設計和業主顧問,應全程跟蹤配合供應商的各項工作,并且負責對設計成品及文件進行審查。電伴熱系統的設計要求應該符合IEC國際電氣設備標準,應考慮電伴熱系統的維護以保證系統的能源效率和例行試驗的安全性和正確操作。電伴熱系統的設計和安裝人員,應接受過所需專業技術的培訓。

4.3 詳細設計階段

在詳細設計階段,電伴熱供應商應根據最終工藝系統及電氣參數完成電伴熱系統的施工詳圖設計。設計圖紙應該描述具體的物理位置、配置和相關數據、以及相關的管道系統。圖紙或者設計資料應該包括表5中的這些信息。

表5 圖紙或設計資料的信息

管道及容器上的每套儀表(例如超聲波流量計、雷達物位計等)應根據儀表供應商的要求,獨立設計電伴熱回路。所選控制器、溫控器、傳感器及相關裝置應滿足工作溫度、IP等級以及當地和國家法規等整體系統方面的要求。

電氣設計方面：電伴熱系統的總電源應來自兩路互為備用的AC 380 V / 220 V(三相四線制)。電伴熱控制裝置需要額外提供一路UPS AC 220 V電源。電流保護裝置的級別和特性應該適合于伴熱帶在低溫條件下啟動的情況。電伴熱供應商應在說明書中給出低溫環境下啟動的詳細說明和建議。

控制和檢測系統設計方面：電伴熱控制、檢測及配電系統允許本地(現場)或遠程(DCS)操作,可以按照運行及維護人員的設定,通過就地控制配電箱內PLC等電器元件完成數據記錄、事件規劃、規則處理、連鎖、報警等操作,避免當PLC與DCS之間通訊出現故障時,電伴熱系統出現大面積癱瘓的情況。電伴熱回路監控PLC與DCS之間采用冗余的通訊方式,實現伴熱系統的集中監視,DCS組態畫面應由電伴熱供應商配合完成。

4.4 現場安裝注意事項

現場安裝注意事項主要包括以下六個方面：

(1)參與電伴熱系統的安裝和測試的人員應接受適當的特殊技術培訓。安裝應在受過電伴熱系統培訓的工程師監督下實施。只有受過專門訓練的人員才能實施關鍵的工作,例如連接部分和終端的安裝。

(2)電伴熱系統的安裝應該在所有的管道和設備都通過壓力檢測,以及所有相關的儀表已經完成安裝后才能開始。應用于加熱表面的所有涂料和表面材料應該符合設計要求。

(3)為了確保安裝工作完成日期,電伴熱系統的安裝應該是與管道、保溫層和儀表的安裝工作相協調。保溫材料的安裝應在電伴熱系統完成全部安裝和測試之后才能進行。

(4)冗余/備用電伴熱帶可以在故障情況下保證電伴熱系統的可靠性。冗余/備用電伴熱帶和傳感器的電線可以暫時不被接線,但必須已安裝并準備好連接。

(5)應將電伴熱電源接線盒和電源接頭安裝在遠離管道/容器的位置,以及盡量避免接頭暴露在高溫環境中,以便于維護檢修。

(6)有實際應用業績的電伴熱供應商建議：在爆炸危險區域,電伴熱設計的維持溫度應該低于介質的最高設計溫度。電伴熱產品的危險區域隔爆認證應滿足國際認證標準(ATEX、IECEx、CSA、CSAus、TSTR 等 )。

5 結語

在太陽能光熱電站工程中,電伴熱是集熱和儲熱系統的關鍵配套系統。電伴熱系統運用精確優化的設計,通過將電能轉化為熱能,補償管道和設備對周圍環境的熱損失,用來防止管道和設備內的熔鹽、導熱油等傳熱工質的凝固結晶,以及0℃時的水工質防凍保護,以保障其工藝系統內介質的流動性,同時,電伴熱系統還用于機組啟動階段預熱工藝管道和設備。設計完善、產品可靠、安裝嚴格的電伴熱系統,不僅可以使光熱電站的集熱和儲能過程更加安全、平穩,還可以避免因工質凍堵而造成重大損失。