——光熱示范項目供應(yīng)鏈關(guān)鍵產(chǎn)品設(shè)備系列報道之吸熱器篇
CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道:對塔式光熱發(fā)電技術(shù)來說,吸熱器是類似于槽式技術(shù)中的高溫真空集熱管一樣的核心裝備,其承擔(dān)著吸收太陽熱能的重要作用。
塔式吸熱器的技術(shù)含量很高,目前全球范圍內(nèi)擁有塔式吸熱器設(shè)計制造能力的企業(yè)為數(shù)不多。那么,吸熱器在加工制造過程中有哪些技術(shù)難點?運行工況較嚴(yán)苛的吸熱器管材應(yīng)如何選擇?光熱項目業(yè)主及EPC方在采購吸熱器時應(yīng)該考慮哪些因素?吸熱器在運行過程中應(yīng)注意哪些問題?吸熱器的供貨周期及成本下降空間如何?帶著上述問題,CSPPLAZA記者采訪了幾家業(yè)內(nèi)知名的吸熱器廠商。
吸熱管選材:普遍選用625與230材料
在塔式熔鹽光熱電站中,吸熱器的太陽能流密度大,且其要在高溫、腐蝕的工況下運行,這對吸熱器管材的選擇提出了非常高的要求。據(jù)了解,目前眾多吸熱器廠商普遍選用鎳基合金材料如625耐蝕合金鋼或Haynes230作為吸熱管材料。
那么,這兩種材料是否均能滿足吸熱器運行條件,兩者又有何不同呢?對此問題,東方鍋爐股份有限公司(簡稱“東方鍋爐”)相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人表示,二者都具有非常良好的耐高溫、耐腐蝕和抗疲勞特性,均可作為吸熱管材料,且均有一定的應(yīng)用先例。
杭州鍋爐技術(shù)人員援引了ASME材料數(shù)據(jù)表中的資料表示,二者在600℃以下的平均熱膨脹系數(shù)差異細(xì)微、高溫抗疲勞性能接近。在高溫強(qiáng)度方面,當(dāng)溫度大于750℃時,230的強(qiáng)度稍優(yōu),而在750℃以下,625的高溫強(qiáng)度優(yōu)于230;在耐高溫熔鹽的腐蝕方面,625材料的腐蝕速率略小于230;在焊接加工方面,230材料含鎢量高,切削焊接性能不如625。
來自北京巴布科克·威爾科克斯有限公司(簡稱“北京巴威”)的代表則表示,由于625材料的使用溫度通常不超過650℃,因此其對熔鹽吸熱器表面的熱流分布要求較高,需要較好地實施光斑控制策略。
此外,CMI太陽能公司(簡稱“CMI”)方面表示,其對230材料的耐腐蝕性及應(yīng)力情況等進(jìn)行了深入研究,并通過大量的檢驗和檢測確認(rèn)該材料是極佳的選擇。但是,該公司表示特定規(guī)格的625材料(并非所有的)應(yīng)可作為管材,但需要進(jìn)行進(jìn)一步研究,同時項目是否采用ASME標(biāo)準(zhǔn)也會影響材料的選型。
國內(nèi)外吸熱器產(chǎn)品均在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新
在熔鹽塔式光熱電站中,吸熱器正常工作時需要耐受600℃以上的高溫條件、2MPa左右的工作壓力,而吸熱器本身通常包含數(shù)以千計的吸熱管,數(shù)以萬計的焊接端口,每個焊接端口的質(zhì)量都會影響到吸熱器的可靠性,因此吸熱器對加工工藝提出了非常高的要求。
杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司(簡稱“杭州鍋爐”)技術(shù)人員告訴CSPPLAZA記者,在吸熱器加工制造過程中,各生產(chǎn)廠家普遍面臨薄壁鎳基管材的彎管、焊接、管屏的組裝和涂層的烘干等方面的技術(shù)難題,具體包括:小口徑薄壁彎管的彎制;薄壁管接頭和集箱對接;集箱、管接頭、管組制造和裝配精度的控制;薄壁管接頭與集箱的焊接變形的控制;薄壁且異種鋼管對接;熱處理變形的控制;管屏表面吸收涂層的噴涂工藝等。
由于設(shè)計和制造難度較大,準(zhǔn)入門檻較高,再加上商業(yè)化光熱項目目前還比較少,導(dǎo)致目前全球范圍內(nèi)擁有塔式吸熱器制造能力的企業(yè)較少,擁有商業(yè)化應(yīng)用案例的更是屈指可數(shù)。但得益于塔式光熱技術(shù)近幾年異軍突起,漸有超越槽式技術(shù)之勢,同時中國光熱發(fā)電市場也正式啟動,為了迅速適應(yīng)和占領(lǐng)市場,已進(jìn)入該領(lǐng)域的國內(nèi)外吸熱器廠商正在不斷對各自產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新。
圖:相關(guān)吸熱器廠商及業(yè)績統(tǒng)計
據(jù)CMI方面介紹,經(jīng)過多年研究和實踐,該公司已形成了一系列獨有的定制化的創(chuàng)新設(shè)計。以該公司智利ATACAMA項目上所制造的吸熱器為例,該吸熱器的表面由16個管屏排列組成,形成2個并聯(lián)的回路,每個回路由8個管屏組成,同時滿足熔鹽在不同管屏內(nèi)的流速和壓降的限制條件。
此外,為保障吸熱器的安全運行,CMI對吸熱器內(nèi)部的入口罐以及空氣罐進(jìn)行特殊設(shè)計,并結(jié)合該公司開發(fā)的紅外溫度以及應(yīng)力實時監(jiān)控系統(tǒng),從而避免出現(xiàn)吸熱器過熱現(xiàn)象。同時,CMI吸熱器的鋼結(jié)構(gòu)以及護(hù)板采用全螺栓式的結(jié)構(gòu),在現(xiàn)場組裝時,無需焊接,有助于減少現(xiàn)場安裝工作量;在進(jìn)行設(shè)備維修工作時,只要卸掉相應(yīng)位置的螺栓即可,便于對管屏進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。據(jù)悉,該公司保溫密封護(hù)板結(jié)構(gòu)、紅外溫度以及應(yīng)力實時監(jiān)控系統(tǒng)及吸熱器維護(hù)系統(tǒng)都已獲得專利。
圖:采用CMI吸熱器產(chǎn)品的南非Khi Solar One塔式光熱發(fā)電項目
中外合資企業(yè)北京巴威公司則通過引進(jìn)美國B&W公司完整的吸熱器技術(shù)授權(quán),完成了50MWe-100MWe大容量吸熱器的研發(fā),并成功參與了國內(nèi)多個項目投標(biāo)。北京巴威公司在執(zhí)行國際通用ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時,又針對國內(nèi)情況對于各種細(xì)節(jié)考慮都進(jìn)行了深入研究:吸熱器及剛性梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合了美方的工程設(shè)計經(jīng)驗,考慮了管子在各個方向上的膨脹及應(yīng)力;同時管屏的剛性可以抵御各種外來荷載,保證吸熱器管屏的穩(wěn)定性。此外,整個吸熱器系統(tǒng)采用三維軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,有效保證了各個部件之間的接口和裝配,避免發(fā)生碰撞,并預(yù)留出足夠的檢修操作空間。

圖:北京巴威向esolar加州Sierra塔式光熱電站交付的吸熱器
國產(chǎn)供應(yīng)商方面,經(jīng)過近年來積極參與一些試驗項目和首批光熱示范項目,東方鍋爐和杭州鍋爐、首航節(jié)能等企業(yè)也在逐步崛起,在積累了一定項目業(yè)績的同時,也研發(fā)出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的吸熱器制造技術(shù)并不斷進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。
截止目前,東方鍋爐已完成了300MWt與600MWt容量等級的熔鹽吸熱器的全面自主開發(fā)與詳細(xì)的技術(shù)設(shè)計,形成了系列化的技術(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及完整的運行控制策略。
圖:延慶1MW塔式光熱發(fā)電試驗項目選擇了東方鍋爐生產(chǎn)的吸熱器
在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,東方鍋爐吸熱器采用獨立的模塊化成套管屏結(jié)構(gòu),便于廠內(nèi)設(shè)計制造、整體運輸、現(xiàn)場組裝及后期的更換與維護(hù);合理的流速選取、流程設(shè)置及管屏數(shù)量,減小了吸熱器的沿程阻力損失;適當(dāng)?shù)墓芷翆挾?,保證了受熱均勻,減小了流量偏差與熱偏差;選用耐腐蝕、耐高溫及抗熱沖擊的薄壁高鎳合金管材料,可滿足吸熱器高熱流、非均勻受熱及頻繁啟停需求,同時減小散熱面積,提高效率及降低成本;獨立的限位固定管夾設(shè)置,允許管子軸向自由膨脹,限制其徑向變形出列,保證吸熱器安全運行及減小露光損失;專用的熱套管結(jié)構(gòu),減小了集箱管接頭熱沖擊所產(chǎn)生的局部高熱應(yīng)力,延長使用壽命。完整的吸熱器運行控制策略,保證了吸熱器在各工況尤其是突發(fā)狀況下的安全穩(wěn)定運行。
而杭州鍋爐在塔式吸熱器產(chǎn)品的研發(fā)歷程已有8年多的時間,其已完成了水工質(zhì)吸熱器及熔鹽工質(zhì)吸熱器產(chǎn)品的設(shè)計與供貨,并成功實施了從數(shù)值模擬到小型試驗(200kWt)再到10MWe級光熱示范項目。在上述研究的基礎(chǔ)上已經(jīng)完成了300MWt、600MWt熔鹽吸熱器的研制工作(分別對應(yīng)于50MW、100MW電功率,約10h儲熱時長的塔式電站)。
今年4月18日,杭州鍋爐順利拿下了青海中控太陽能德令哈50MW項目的熔鹽吸熱系統(tǒng)訂單,供貨范圍包括吸熱器本體、管道閥門儀表伴熱和輔機(jī)系統(tǒng)(空壓系統(tǒng)、電梯和塔吊等)。

圖:杭州鍋爐吸熱器應(yīng)用于中控太陽能10MWe塔式光熱發(fā)電項目
另外,首航節(jié)能在其敦煌10MW和100MW光熱發(fā)電項目上,則統(tǒng)一采用了其自己生產(chǎn)的吸熱器。

圖:首航節(jié)能敦煌10MW熔鹽塔式光熱電站吸熱器正在工作中
運行過程易出現(xiàn)問題及應(yīng)對措施
鑒于運行溫度高、太陽能熱源的間歇性和系統(tǒng)介質(zhì)熔鹽的腐蝕性等因素,吸熱器在運行過程中可能會面臨熔鹽泄漏、凍堵及超溫等問題,如不能妥善處理,可能造成人身傷害或危及相關(guān)設(shè)備,最終影響電站的正常運行及經(jīng)濟(jì)收益。
對此,東方鍋爐方面表示,為防止熔鹽泄漏,應(yīng)根據(jù)實際情況,在可能發(fā)生熔鹽泄漏、濺射的地方,要設(shè)置防止熔鹽濺射的裝置,或設(shè)置防火墻、防爆墻等隔離裝置。針對熔鹽凝固,可采用成熟、可靠的伴熱系統(tǒng)設(shè)計及快速疏鹽系統(tǒng)設(shè)置,同時避免次日系統(tǒng)重啟時產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力。如果某處溫度過低,可使用輔助熱源。為防止熔鹽超溫,可采用多目標(biāo)點鏡場調(diào)度策略,實現(xiàn)吸熱器表面能量的低溢化與熱流均勻化,同時可聯(lián)合運用紅外熱像儀及壁溫測點對受熱壁面進(jìn)行實時在線監(jiān)測,防止管屏超溫。
在吸熱器運行過程中,其表面的熱流變化通常會受到來云的影響,容易造成對吸熱器的熱沖擊。而為控制好吸熱器表面的熱流分布,杭州鍋爐方面認(rèn)為可以用可靠的鏡場算法及快速的調(diào)度方案防止吸熱器表面超溫,并定期檢查吸熱管外表面的涂層和吸熱管的變形情況。
同時,杭州鍋爐方面表示,冷鹽泵故障或失去電源對吸熱器是一個潛在的威脅,如果在上述情況下沒有可靠的安全措施(目前通常采用帶壓縮氣體儲能的進(jìn)口罐作為事故安全措施),吸熱器會因為失去熔鹽的冷卻而導(dǎo)致超溫甚至燒毀。
北京巴威方面表示,應(yīng)對吸熱器的閥門和可能發(fā)生熔鹽泄露的部位進(jìn)行經(jīng)常性檢查,并采取正確的措施保證人員和設(shè)備安全。此外,在吸熱器設(shè)計時應(yīng)做好周全考慮,以良好的設(shè)計方案為基礎(chǔ),完備的啟動與運行策略作保證,確保吸熱器及整個光熱電站的可靠性。
供貨周期長和成本高問題如何解決?
據(jù)吸熱器供應(yīng)商普遍反映,目前吸熱器材料供貨方的供貨周期通常在6-9個月之間,加上吸熱器的制造及運輸通常需要3-4個月的時間,因此吸熱器整體供貨周期大約在9-12個月之間。
對此問題,東方鍋爐方面表示,隨著光熱行業(yè)的規(guī)?;l(fā)展及關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化推進(jìn),吸熱器供貨周期將大大縮短。杭州鍋爐方面則表示,吸熱器制造周期的瓶頸在于原材料及配套件的采購周期。目前,塔式熔鹽光熱項目吸熱器通常采用進(jìn)口材料,而不同項目對吸熱器管材的規(guī)格要求多樣,這樣就導(dǎo)致材料采購周期較長。
而針對吸熱器整體成本目前仍較高的問題,東方鍋爐方面表示,就國產(chǎn)吸熱器而言,其現(xiàn)階段的成本下降空間關(guān)鍵在于吸熱器原材料價格,同時也受制于國內(nèi)相關(guān)配套件產(chǎn)業(yè)鏈不完善或經(jīng)驗欠缺等因素;從中長期來看,要推動吸熱器設(shè)備的價格進(jìn)一步下降,還需要在設(shè)備結(jié)構(gòu)定型、制造工藝提升、生產(chǎn)自動化、材料性能進(jìn)步等多方面進(jìn)行努力。
CMI也表達(dá)了類似的觀點,并認(rèn)為由于吸熱器技術(shù)的發(fā)展歷史較短,其成本下降是一個長遠(yuǎn)的話題,目前各個廠商應(yīng)從設(shè)備研發(fā)、確保產(chǎn)品質(zhì)量及積累項目經(jīng)驗等方面著手,不斷提高產(chǎn)品競爭力。
北京巴威則補(bǔ)充道,隨著一些新的吸熱介質(zhì)如固體粒子的出現(xiàn)及超臨界CO2技術(shù)的日益完善,吸熱器的成本也會不斷降低。
如何采購高性價比的吸熱器產(chǎn)品?
隨著中國首批光熱示范項目的推進(jìn),部分項目的采購工作已經(jīng)大規(guī)模展開。而在開發(fā)經(jīng)驗極少和可參考信息非常有限的前提下,如何采購到高性價比的關(guān)鍵裝備無疑是業(yè)主與EPC方極為關(guān)切的重點問題。
目前已有多個采用塔式技術(shù)的首批示范項目都已經(jīng)完成或正在進(jìn)行吸熱器設(shè)備的招標(biāo)工作,那么,對于吸熱器的采購,供應(yīng)商們會提出哪些建議呢?
東方鍋爐方面建議,業(yè)主及EPC方在進(jìn)行吸熱器設(shè)備采購時,應(yīng)選擇品牌和規(guī)模都相對較好的大型熱能動力裝備制造企業(yè),綜合考慮廠商在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、制造工藝、及質(zhì)量控制等方面的水平。另外,對國內(nèi)品牌應(yīng)給予一定的信任與支持,促進(jìn)光熱產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與完善,降低光熱發(fā)電成本,推動光熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
杭州鍋爐方面也表達(dá)了類似的觀點,其認(rèn)為業(yè)主和EPC方除了考慮價格因素,還應(yīng)考慮設(shè)備的運行成本、維護(hù)速度及服務(wù)質(zhì)量等因素。此外,由于吸熱器的供貨周期較長,業(yè)主或EPC方進(jìn)應(yīng)做好統(tǒng)籌安排,以免影響項目的整體進(jìn)展。
目前,業(yè)主和EPC方大多將吸熱器和鏡場合成一個采購包開展招標(biāo)工作,這樣有利于設(shè)備和系統(tǒng)的內(nèi)部優(yōu)化,提高整體效率和可靠性。但是,從目前已招標(biāo)項目的付款條件來看,制造商前期墊資負(fù)擔(dān)過重。對此,北京巴威呼吁道:“在鎳基材料非常昂貴的前提下,我們希望項目的付款方式更為合理,在獲得必要的資金投入的前提下確保合同的順利執(zhí)行?!?/p>
而在談及國內(nèi)外吸熱器產(chǎn)品的差異時,受訪企業(yè)大都表示,光熱發(fā)電事業(yè)在國外的起步與發(fā)展較早,因此國外廠商主要在設(shè)計、制造及運行經(jīng)驗方面相對較為成熟,大容量的投運業(yè)績更容易贏得業(yè)主信賴。但就國內(nèi)項目而言,進(jìn)口吸熱器在設(shè)備成本、制造周期、海關(guān)運輸、現(xiàn)場服務(wù)、備品備件等方面會存在諸多不便,國內(nèi)廠商在這一方面相對具有優(yōu)勢。