需(xu)要說明的是(shi),上述只是(shi)水/蒸汽工質傳(chuan)熱(re)混(hun)凝土固(gu)態儲熱(re)運行(xing)的原(yuan)理性(xing)描述,實(shi)際運行(xing)管控邏輯設計(ji)(ji)中(zhong)需(xu)要對(dui)各類工況及電網調度需(xu)求(qiu)特點(dian)進行(xing)綜合考慮,對(dui)儲熱(re)系統(tong)進行(xing)針對(dui)性(xing)設計(ji)(ji),以確保實(shi)現各項設計(ji)(ji)目標。
混凝土固態儲熱系統的基本優點有哪些?
混(hun)凝(ning)(ning)土固態儲(chu)熱(re)系(xi)統從建設成本(ben)上看,儲(chu)熱(re)工質主體為混(hun)凝(ning)(ning)土,原(yuan)材(cai)料(liao)為水泥、砂石和(he)其他少量添(tian)加材(cai)料(liao),不需要昂貴且不可靠的密閉罐體,一體化(hua)的換熱(re)通道(dao)為普通水蒸(zheng)氣管道(dao),整(zheng)體成本(ben)穩(wen)定(ding)可控,較熔鹽系(xi)統有(you)很(hen)大比例(li)的成本(ben)優勢。
從運(yun)行(xing)安全上看,混凝土儲(chu)熱(re)系統(tong)不(bu)會出現(xian)凍堵(du)或超溫(wen)(wen)、超壓(ya)現(xian)象(xiang);整(zheng)個系統(tong)不(bu)會出現(xian)過燒現(xian)象(xiang),基本上就像是一(yi)個永(yong)遠(yuan)不(bu)會過溫(wen)(wen)、沒(mei)有(you)煙氣侵蝕的鍋(guo)爐,簡單安全;并且實際投(tou)入運(yun)行(xing)后混凝土儲(chu)熱(re)體每(mei)天工作運(yun)行(xing)溫(wen)(wen)度波動范圍(wei)可以控制(zhi)在40℃以內(nei),溫(wen)(wen)度變化速率極低,對結構(gou)強(qiang)度影響較小。
從(cong)運行(xing)穩定(ding)性(xing)上看(kan),混(hun)(hun)凝土(tu)儲熱(re)材(cai)料(liao)沒有(you)冷凝凍(dong)結風險,對多云(yun)陰雨(yu)雪(xue)天氣極不(bu)敏感(gan);混(hun)(hun)凝土(tu)體(ti)積質量巨大,其顯熱(re)比熱(re)容量巨大,溫(wen)度難以突變,能(neng)夠對與之相連(lian)接的(de)DSG傳熱(re)體(ti)系(xi)起(qi)到顯著的(de)穩定(ding)和調節(jie)作用,提(ti)供(gong)汽(qi)輪(lun)機運行(xing)所(suo)需的(de)高(gao)穩定(ding)參數蒸汽(qi);由于儲熱(re)系(xi)統自身的(de)基礎溫(wen)度高(gao),即使連(lian)續陰雨(yu)雪(xue)天氣,汽(qi)輪(lun)機仍可(ke)保(bao)持至少連(lian)續超(chao)過7日不(bu)間斷(duan)運行(xing),有(you)非常大的(de)安全穩定(ding)性(xing)優(you)勢。
兆陽光熱混凝土固態儲熱系統的性能指標
兆(zhao)陽光(guang)熱(re)(re)混凝土儲熱(re)(re)體系經(jing)(jing)歷多年研(yan)發,主要解(jie)決(jue)了(le)經(jing)(jing)濟(ji)性環(huan)保配方、高(gao)低(di)溫循環(huan)強度、高(gao)導熱(re)(re)系數(shu)(shu)(shu)及(ji)高(gao)比熱(re)(re)容等(deng)系列關鍵問題(ti),同時進行配套(tao)的增強換熱(re)(re)結構研(yan)發,通過(guo)大量(liang)的實際產品測試(shi)檢驗(yan)(yan)(yan),在(zai)技(ji)術(shu)的經(jing)(jing)濟(ji)性和可靠性得到初步(bu)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)后(hou),先后(hou)建設(she)了(le)5m3的電儲熱(re)(re)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)平(ping)臺(tai)進行儲熱(re)(re)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)以及(ji)20m3試(shi)驗(yan)(yan)(yan)平(ping)臺(tai)與菲涅(nie)耳聚光(guang)鏡場(chang)聯合運行測試(shi),在(zai)充(chong)分分析測試(shi)數(shu)(shu)(shu)據并(bing)改進完善后(hou),確定了(le)各技(ji)術(shu)參(can)數(shu)(shu)(shu),完成了(le)720MWh(th)的光(guang)熱(re)(re)電站儲熱(re)(re)系統設(she)計與建設(she)工作。
圖4:混凝土樣塊
兆陽(yang)光熱對研發的配(pei)方混凝土進行(xing)了(le)抗(kang)壓、強(qiang)度(du)、導熱、比熱、膨脹系(xi)數等(deng)一系(xi)列的第三(san)方綜(zong)合性(xing)能測試(shi),各項(xiang)指標均達(da)到或(huo)優于國外資料公布的數據。
圖a:抗壓強度隨循環次(ci)數(shu)的變化曲線
圖b:兆(zhao)陽光熱與DLR混(hun)凝土樣塊(kuai)測試結果對比
圖:配方混(hun)凝土第三方認證
根據混(hun)凝土試塊經(jing)過(guo)600-300℃高低(di)溫循(xun)環60次的抗(kang)壓(ya)強(qiang)度曲線(xian)可以看出,初始抗(kang)壓(ya)強(qiang)度達(da)到了近60MPa,經(jing)過(guo)5次循(xun)環后(hou)強(qiang)度大幅下降,達(da)到35MPa左右(you),后(hou)期雖然經(jing)過(guo)60次循(xun)環加熱(re),試塊強(qiang)度趨于(yu)穩定,基(ji)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)混凝土固(gu)態儲(chu)熱(re)系(xi)統研(yan)發以及性能(neng)測試驗證成功的(de)基礎上,兆陽(yang)(yang)光(guang)熱(re)設計建造了(le)華(hua)強(qiang)兆陽(yang)(yang)張(zhang)家口一號15MW光(guang)熱(re)電(dian)站的(de)混凝土固(gu)態儲(chu)熱(re)系(xi)統,設計儲(chu)熱(re)時間為14h,最(zui)高工作壓力為16MPa,長期運行條件下最(zui)高可耐550℃高溫。
該(gai)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)系(xi)統采(cai)用(yong)(yong)兆陽光(guang)熱(re)(re)(re)專有的配方混(hun)凝(ning)土(tu),采(cai)用(yong)(yong)的主(zhu)體材料(liao)(liao)均為建筑常規使用(yong)(yong)材料(liao)(liao),無(wu)高(gao)(gao)成本的骨料(liao)(liao)。另外該(gai)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)系(xi)統中還(huan)采(cai)用(yong)(yong)了(le)(le)匹配增強換熱(re)(re)(re)設計(ji)以(yi)大(da)幅度改善換熱(re)(re)(re)性能(neng),提(ti)高(gao)(gao)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)系(xi)統的大(da)功率儲(chu)(chu)放熱(re)(re)(re)能(neng)力。由于該(gai)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)系(xi)統采(cai)用(yong)(yong)了(le)(le)常規的建筑使用(yong)(yong)的混(hun)凝(ning)土(tu)材料(liao)(liao)(如水泥、粉煤灰等)以(yi)及火電行(xing)業通用(yong)(yong)管(guan)材,大(da)量消耗了(le)(le)社會的過(guo)剩產能(neng),推動(dong)了(le)(le)當地的經濟發(fa)展(zhan),提(ti)高(gao)(gao)了(le)(le)當地居民(min)收(shou)入,起到(dao)了(le)(le)很好的扶貧(pin)效果(guo)。
該混凝土固態儲熱(re)系統分為若干單元,在儲熱(re)過(guo)程(cheng)中,能夠儲存(cun)聚光鏡場產生的(de)熱(re)量(liang),同時(shi)有效穩定(ding)(ding)聚光鏡場DSG系統的(de)運行參數;在取熱(re)過(guo)程(cheng)中,穩定(ding)(ding)輸(shu)出(chu)過(guo)熱(re)蒸汽推動汽輪機發(fa)電,保證電能穩定(ding)(ding)輸(shu)出(chu)。
實際測試表明各項性能滿足設計要求
固態(tai)儲(chu)(chu)熱(re)(re)系統的(de)(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)容(rong)(rong)量(liang)由儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)比熱(re)(re)容(rong)(rong)、使(shi)用(yong)(yong)溫(wen)差和總(zong)質量(liang)決定,在儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)性能測試結果(guo)基本準確的(de)(de)情況下,根據所(suo)需儲(chu)(chu)熱(re)(re)容(rong)(rong)量(liang)及有效使(shi)用(yong)(yong)溫(wen)差基本可以確定儲(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)體積(或質量(liang))。同時,為了滿(man)足存入和取出熱(re)(re)量(liang)時的(de)(de)功率(lv)要求,儲(chu)(chu)熱(re)(re)系統配備的(de)(de)換熱(re)(re)能力必須達到相應存取功率(lv)水平。
根據(ju)圖3可知,混凝土固(gu)態儲(chu)熱系統的實際儲(chu)熱容量是與存(cun)熱取熱工作點相(xiang)變溫差減去存(cun)熱換(huan)熱溫差和取熱換(huan)熱溫差后的剩余(yu)有(you)效(xiao)使用(yong)溫差是成(cheng)比(bi)例的,因此如何經濟可靠地增(zeng)強(qiang)換(huan)熱能力、降低換(huan)熱溫差、增(zeng)大儲(chu)熱容量就成(cheng)為改善固(gu)態儲(chu)熱系統性能的重要(yao)因素,是該領域工程研(yan)究的關鍵(jian)環節。
增(zeng)強(qiang)(qiang)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統換(huan)熱(re)(re)能力的(de)一(yi)般(ban)方(fang)(fang)法是在儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統內部添加增(zeng)強(qiang)(qiang)換(huan)熱(re)(re)裝(zhuang)置,目前(qian)國際(ji)上(shang)已開發(fa)的(de)增(zeng)強(qiang)(qiang)換(huan)熱(re)(re)裝(zhuang)置,結(jie)構相對(dui)復雜,材(cai)料(liao)使用量(liang)偏大(da),性(xing)價比(bi)不(bu)高(gao)(gao)。兆(zhao)陽光(guang)熱(re)(re)經(jing)過(guo)多年研究(jiu),創造(zao)性(xing)地(di)開發(fa)出(chu)一(yi)套經(jing)濟(ji)(ji)實(shi)(shi)用、高(gao)(gao)效(xiao)可(ke)靠(kao)的(de)混(hun)凝土(tu)(tu)固態儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統匹(pi)配(pei)增(zeng)強(qiang)(qiang)換(huan)熱(re)(re)方(fang)(fang)案,經(jing)過(guo)對(dui)數(shu)十種具體(ti)設計(ji)方(fang)(fang)案的(de)分析比(bi)選,充(chong)分考慮了(le)(le)最佳熱(re)(re)擴散形(xing)狀、原材(cai)料(liao)用量(liang)、高(gao)(gao)效(xiao)加工(gong)組裝(zhuang)及(ji)澆筑施工(gong)方(fang)(fang)便性(xing)等各方(fang)(fang)面因素后,選擇出(chu)一(yi)種綜合(he)最佳方(fang)(fang)案,并開發(fa)出(chu)專(zhuan)用的(de)大(da)規模(mo)加工(gong)制(zhi)造(zao)及(ji)檢(jian)驗專(zhuan)用裝(zhuang)備,實(shi)(shi)現了(le)(le)經(jing)濟(ji)(ji)高(gao)(gao)效(xiao)自動化生產(chan)。該方(fang)(fang)案很好地(di)兼顧了(le)(le)成本(ben)與性(xing)能兩個(ge)方(fang)(fang)面,在保持足夠經(jing)濟(ji)(ji)性(xing)的(de)前(qian)提下,實(shi)(shi)現了(le)(le)換(huan)熱(re)(re)功(gong)率滿足系(xi)統運(yun)行(xing)(xing)需(xu)要(yao)的(de)目標(biao)要(yao)求(qiu);同(tong)時,能夠對(dui)換(huan)熱(re)(re)金屬(shu)管路與混(hun)凝土(tu)(tu)材(cai)料(liao)之間的(de)溫差膨(peng)脹差異起到有效(xiao)緩沖匹(pi)配(pei),確保系(xi)統運(yun)行(xing)(xing)可(ke)靠(kao)性(xing);兆(zhao)陽光(guang)熱(re)(re)增(zeng)強(qiang)(qiang)換(huan)熱(re)(re)技術(shu)(shu)成果的(de)成本(ben)性(xing)能綜合(he)指標(biao)遠優于目前(qian)披露的(de)其它國際(ji)技術(shu)(shu)方(fang)(fang)案。
大量的(de)實際管路級測(ce)(ce)試(shi)驗(yan)證了(le)該匹配(pei)增強換熱(re)設計的(de)有效性并交叉驗(yan)證標定了(le)各項基本系(xi)數。為進(jin)一步(bu)準(zhun)確評估大規模應用情況下(xia)的(de)實際參數,對(dui)15MW電(dian)站配(pei)套混凝土固態儲熱(re)系(xi)統的(de)模塊單元進(jin)行了(le)詳細測(ce)(ce)試(shi),測(ce)(ce)試(shi)結果曲線如下(xia):
圖:不(bu)同(tong)換熱(re)(re)溫差/管內對流換熱(re)(re)系數對應(ying)的(de)取(qu)熱(re)(re)功率
實測結果(guo)表明:如左圖所(suo)示(shi),在液態水工質換(huan)熱(re)(re)條件時(shi)(shi),混凝土儲熱(re)(re)體平均溫(wen)度(du)(du)與流體工質溫(wen)度(du)(du)差(cha)越(yue)大,單位(wei)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)下(xia)換(huan)熱(re)(re)功(gong)(gong)率(lv)越(yue)大;當溫(wen)差(cha)為(wei)10℃時(shi)(shi),單位(wei)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)換(huan)熱(re)(re)功(gong)(gong)率(lv)為(wei)92W/m。如右圖所(suo)示(shi),換(huan)熱(re)(re)溫(wen)差(cha)為(wei)10℃情況下(xia),不同管(guan)內對(dui)流換(huan)熱(re)(re)系數對(dui)應有不同的(de)單位(wei)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)換(huan)熱(re)(re)功(gong)(gong)率(lv),當管(guan)內對(dui)流換(huan)熱(re)(re)系數為(wei)8000W/m2/k時(shi)(shi),單位(wei)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)換(huan)熱(re)(re)功(gong)(gong)率(lv)為(wei)106W/m。
該測試結果與系(xi)統(tong)工程(cheng)設計的仿真(zhen)結果一致,使得該儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統(tong),在(zai)儲(chu)熱(re)(re)時(shi),能夠滿(man)足將DSG傳熱(re)(re)系(xi)統(tong)在(zai)各工況(kuang)時(shi)段所產(chan)生的過熱(re)(re)蒸汽全部冷(leng)凝為水(shui),滿(man)足儲(chu)熱(re)(re)功率(lv)所需,基(ji)本無棄(qi)熱(re)(re)現象;取熱(re)(re)時(shi),在(zai)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統(tong)基(ji)本儲(chu)滿(man)情況(kuang)下,能夠實現3h晚高峰(feng)滿(man)負荷輸(shu)出及等效汽輪機滿(man)功率(lv)14h的總儲(chu)熱(re)(re)發電量輸(shu)出。
增(zeng)強(qiang)換熱(re)技(ji)術與配(pei)方(fang)混(hun)凝土技(ji)術共同(tong)構成了兆陽光熱(re)混(hun)凝土固態儲熱(re)技(ji)術,目(mu)前已(yi)經從系(xi)統計算、工程設計、組件制(zhi)造、澆筑施工、養(yang)護蒸(zheng)干(gan)脫(tuo)水、保溫防護、模(mo)塊分組、故障(zhang)檢測、泄漏(lou)處置、運(yun)行(xing)方(fang)式等各個方(fang)面得到基(ji)本(ben)驗證(zheng),初(chu)步形成了一(yi)整套設計、建設和運(yun)行(xing)維(wei)護技(ji)術體系(xi)。
通過對該大(da)規(gui)模混(hun)凝土固態儲(chu)熱(re)(re)(re)系(xi)統(tong)的設(she)計(ji)、建(jian)設(she)及(ji)調試過程的實際數(shu)據(ju)分析(xi)可知,兆陽光(guang)熱(re)(re)(re)混(hun)凝土固態儲(chu)熱(re)(re)(re)技術(shu)具(ju)有經濟可靠(kao)、安(an)全環保的突出特(te)點,在光(guang)熱(re)(re)(re)電站規(gui)模的推(tui)廣應(ying)用(yong)條件下能夠比目前廣泛采用(yong)的熔鹽冷熱(re)(re)(re)罐(guan)技術(shu)方(fang)案(an)降低四成(cheng)甚至更多(duo)的建(jian)設(she)成(cheng)本,運維(wei)管理簡(jian)單、無任何污染(ran)性(xing)材料、不存在凍堵泄(xie)漏(lou)風險、具(ju)備顯著競爭優勢。
該混凝土固態儲(chu)(chu)熱(re)(re)技術還能夠進一步深度(du)開(kai)發,在(zai)其它例如工業熱(re)(re)儲(chu)(chu)存利用(yong)(yong)領(ling)域、民用(yong)(yong)儲(chu)(chu)熱(re)(re)供暖領(ling)域、棄電(dian)消納供熱(re)(re)領(ling)域等(deng)多個方面展(zhan)現(xian)出巨大潛力,目前已(yi)經展(zhan)開(kai)部分工作,能夠在(zai)不遠的將來通過實際業績驗證。
綜上(shang)所(suo)述,兆(zhao)陽光熱(re)(re)具有完整自主知識產(chan)權的混凝土固態儲熱(re)(re)技術體系,經(jing)過多年研究、開發(fa)完善,已通(tong)過規模化建設(she)和初(chu)步經(jing)濟(ji)技術指標驗證(zheng),能(neng)(neng)夠(gou)滿足光熱(re)(re)電站在各類工(gong)況下(xia)的技術要求,具有經(jing)濟(ji)可(ke)靠、環(huan)保安(an)全的顯著優(you)勢,能(neng)(neng)夠(gou)與(yu)兆(zhao)陽光熱(re)(re)DSG技術體系有效結合,充分保障兆(zhao)陽光熱(re)(re)發(fa)電技術的可(ke)靠性和經(jing)濟(ji)性優(you)勢,為實(shi)(shi)現光熱(re)(re)發(fa)電平(ping)價上(shang)網目(mu)標打下(xia)了堅實(shi)(shi)基礎。