超聲波流量計在太陽(yáng)能光熱電站的應用
概述:
日常生活中,當人們提到太陽(yáng)能時(shí),總是首先想到很可能是自家屋頂上的太陽(yáng)能熱水器,然而家用的太陽(yáng)能熱水器只是對太陽(yáng)能的*簡(jiǎn)單應用。太陽(yáng)能利用主要分為低溫熱利用、中溫熱利用和高溫熱利用。太陽(yáng)能熱水器只是低溫利用,是太陽(yáng)能熱利用的很小部分。
在太陽(yáng)能利用中,太陽(yáng)能發(fā)電是比較**的一種。但是在中國國內提到太陽(yáng)能發(fā)電時(shí),對太陽(yáng)能略有了解的人士可能*先想到的還是使用“太陽(yáng)能硅板”或稱(chēng)為“太陽(yáng)能電池板”進(jìn)行發(fā)電,同時(shí)也可能聯(lián)想到“多晶硅”“單晶硅”“非晶硅”“產(chǎn)能過(guò)剩”“雙反調查”等關(guān)鍵詞。上述的發(fā)電方式稱(chēng)為“光伏發(fā)電”,那么“光伏”和“光熱”各有什么特點(diǎn)呢。
光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池板。它的優(yōu)點(diǎn)是對安裝場(chǎng)合限制小,分散性很大,只要有陽(yáng)光資源的地方都可以安裝,然后再并入電網(wǎng)。但缺點(diǎn)是對電網(wǎng)沖擊比較大,在陽(yáng)光燦爛和陰雨天時(shí),發(fā)電量差異巨大。為了減少對電網(wǎng)沖擊,那么勢必需要帶儲能系統——即使用蓄電池進(jìn)行充放電實(shí)現連續運行,這就大大增加了光伏發(fā)電的成本,且蓄電池的使用壽命有待考驗。另外光伏發(fā)電的原材料硅材,且不說(shuō)現在紛紛擾擾的“產(chǎn)能過(guò)剩”“雙反調查”“破產(chǎn)停產(chǎn)”等問(wèn)題,現在*熱門(mén)的多晶硅的生產(chǎn)就是一個(gè)高能耗高污染的行業(yè)。所以從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上來(lái)看光伏發(fā)電算不上是一個(gè)十分綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)。
而光熱發(fā)電是太陽(yáng)能的高溫熱利用的一種。光熱發(fā)電技術(shù)主要包括四種,槽式、塔式、菲涅爾式及碟式。其中,槽式和塔式太陽(yáng)能光熱電站均已實(shí)現了商業(yè)化運行,而碟式及菲涅爾式還處于小規模的試驗階段。光熱發(fā)電主要是采用聚光器將太陽(yáng)能聚集,形成高密度的能量,加熱工作介質(zhì),如水、導熱油或熔鹽等介質(zhì),*終產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機發(fā)電。與常規火電站相比,光熱發(fā)電系統的“熱—功—電”轉換環(huán)節所采用的熱力循環(huán)模式及設備基本是相同的,不同的只是在于“熱”的獲取方式。在輻照連續的條件下,太陽(yáng)能熱發(fā)電站可以直接產(chǎn)生與火電站完全相同的滿(mǎn)足電網(wǎng)品質(zhì)要求的交流電,保證電網(wǎng)的電壓和頻率穩定。但太陽(yáng)輻照受季節、時(shí)間和天氣的影響較大,因此“儲熱”對于光熱電站的規模化穩定運行是非常重要的。
塔式光熱電站
塔式光熱電站的原理很容易理解,在鏡場(chǎng)中有數千塊的鏡子面對著(zhù)中心的類(lèi)似于燈塔一樣的建筑,這些鏡面反射太陽(yáng)光線(xiàn)到塔頂上,以太陽(yáng)光照射地球的千倍強度傳輸能量。低溫(近300攝氏度)的熔鹽被泵送到塔頂,吸收太陽(yáng)的能量之后,達到500~600攝氏度的高溫,然后輸送回高溫的熔鹽罐,此高溫熔鹽就會(huì )用于產(chǎn)生蒸汽來(lái)轉動(dòng)渦輪和發(fā)電。同時(shí)熔鹽也作為儲能介質(zhì),保證電站在太陽(yáng)落山之后以及陰雨天的連續運行。
光熱電廠(chǎng)常用的熔鹽主要是硝酸鹽,或亞硝酸鹽,如硝酸鈉、硝酸鉀、亞硝酸鈉。純物質(zhì)熔鹽通常具有高熔點(diǎn), 隨之而來(lái)的熱不穩定性和化學(xué)腐蝕性,限制了其作為傳熱蓄熱介質(zhì)的應用。混合熔鹽相對于純物質(zhì)熔鹽具有顯著(zhù)優(yōu)勢,改善了熔鹽的熱物性,適合太陽(yáng)能熱發(fā)電的需要,其中兩元太陽(yáng)鹽(Solar Salt)和三元傳熱鹽(HITEC:Heat Transfer Salt)的混合熔鹽使用較多,因為其具有熔點(diǎn)低、價(jià)格低、蒸汽壓低、熱容高、腐蝕性小、黏度低和熱穩定性好等一系列特點(diǎn)。兩元熔鹽通常是60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀,三元熔鹽配比為53%硝酸鉀、40%的亞硝酸鈉和7%硝酸鈉,有時(shí)候也會(huì )在三元熔鹽里面添加5%左右的添加劑。這些熔鹽的操作溫度可以在450~600攝氏度左右。
對這些熔鹽測量的*佳流量計可以說(shuō)是高溫超聲波流量計。超聲波流量計采用時(shí)差法的原理,測量管內沒(méi)有阻流或可動(dòng)部件,不會(huì )產(chǎn)生壓損和磨損,測量精度高,維護量小。從200多度開(kāi)始融化流動(dòng)到四五百度的工作溫度的范圍內,熔鹽的粘度會(huì )隨著(zhù)溫度的上升而降低,溫度較低時(shí)粘度不會(huì )超過(guò)10cp,高溫工作時(shí)粘度僅1~3cp左右,完全在超聲波流量計可測的范圍之內。而一些傳統的機械式儀表,如孔板、橢圓齒輪、刮板等流量計,有的無(wú)法應用于如此高的溫度,有的因為存在可動(dòng)部件,維護量大,非常不適合用于如此苛刻的工況,這種高溫的熔鹽管道一旦停工維護,那么將帶來(lái)非常大的損失。
另外還需要說(shuō)明的是,超聲波流量計分為管道式和外夾式兩種,推薦用于測量熔鹽的**是管道式流量計。外夾式超聲波流量計是在工廠(chǎng)生產(chǎn)完成之后再夾裝到現場(chǎng)的管道上的,也就是說(shuō)它在出廠(chǎng)時(shí)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)流標定的,測量精度無(wú)法保證,安裝的水平會(huì )很大程度上影響測量精度。在如此重要的測量環(huán)節,沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)流標定保證精度的儀表是無(wú)法令人信服的。況且外夾式超聲波流量計需要定期在超聲波換能器上涂抹耦合劑幫助超聲波透過(guò)管道,在如此高溫的管道上經(jīng)常需要人工操作本身就是非常危險的工作。而且所有的熔鹽管道都需要進(jìn)行保溫,外夾式超聲波流量計的安裝形式會(huì )對保溫層的鋪設造成極大的困擾,如果將儀表包裹在保溫材料內,會(huì )因為高溫的聚集對儀表造成損壞,如果儀表安裝的管段不鋪設保溫材料,會(huì )造成能量極大的浪費。而管道式超聲波流量計可以完全采用不銹鋼或者耐高溫不銹鋼打造,可以與管道焊接成一體,不影響保溫材料的鋪設,是測量熔鹽的理想選擇。
位于西班牙的世界上**個(gè)商業(yè)化運行的塔式光熱電站GEMASOLAR就是使用的德國科隆公司的高溫型超聲波流量計UFM530 HT來(lái)測量熔鹽的。在世界范圍內塔式的太陽(yáng)能電廠(chǎng)遠遠少于下面章節要說(shuō)的拋物面槽式太陽(yáng)能電廠(chǎng),這個(gè)可能與塔式的技術(shù)含量更高,建設難度更大及投資金額更多有關(guān)。但是因為熔鹽可以達到的溫度比下面槽式中的導熱油更高,因此塔式光熱電站的工作能效會(huì )更高,雖然前期的建設難度大,但是建成后的效率會(huì )很高。除了GEMASOLAR,在意大利的ENEA Priolio和ENEA Casaccia(ENEA: European Nuclear Energy Agency 歐洲核能機構)都采用了科隆的超聲波流量計做為熔鹽流量計,用于他們研究機構的新能源研究裝置。另外中國國內某個(gè)在建的一期10MW塔式光熱電站也采用了科隆的超聲波流量計,建成之后將成為中國**個(gè)商業(yè)化運行的塔式太陽(yáng)能電廠(chǎng)。
槽式光熱電站
槽式光熱電站的工作原理如下:利用拋物面形狀的鏡子對陽(yáng)光進(jìn)行聚焦,根據電站的功率不同,通常會(huì )有幾百到幾千片拋物面式的鏡子組成鏡場(chǎng)。真空集熱管就恰好位于拋物面槽的焦點(diǎn)的位置,管中的導熱介質(zhì)是一種特殊的合成導熱油——聯(lián)苯聯(lián)苯醚導熱油。在集熱管中導熱油*高可能被加熱到400攝氏度左右,然后從收集能量的鏡場(chǎng)泵送到釋放能量的熱交換器,將水加熱成水蒸汽,從而推動(dòng)汽輪機發(fā)電。
導熱油在太陽(yáng)能光熱發(fā)電中作為儲熱介質(zhì),需在高溫300~400℃之間長(cháng)期穩定運行。聯(lián)苯聯(lián)苯醚導熱油是一種共熔共沸混合物,因苯環(huán)上沒(méi)有烷基側鏈連接,在導熱油中耐熱性*佳,積碳傾向小,使用壽命長(cháng),因此是槽式光熱電站中**適用的導熱油。它*突出的特性是熱穩定性?xún)?yōu)良、使用溫度高,以保證在槽式光熱電站設計使用壽命(25年或更久)內,所用的導熱油不需進(jìn)行更換。在世界范圍內主要還是使用美國陶氏化學(xué)生產(chǎn)的Dowtherm A和美國首諾生產(chǎn)的Therminol VP-1聯(lián)苯聯(lián)苯醚導熱油,這兩個(gè)品牌長(cháng)期在市場(chǎng)上占據壟斷性地位。另外國內也有一些廠(chǎng)家可以生產(chǎn),比如江蘇中能化學(xué)有限公司。
鑒于上述的導熱油的重要性,選擇合適的導熱油流量計就成了計量的關(guān)鍵。首先導熱油的高溫限制了很多流量計的應用,其次導熱油隨著(zhù)溫度的變化,其密度、粘度、聲速等數據都會(huì )隨之發(fā)生變化,一些測量會(huì )受密度等物理參數影響的流量計也無(wú)法使用。經(jīng)過(guò)很多現場(chǎng)的實(shí)際使用證明,科隆的高溫型超聲波流量計UFM530 HT是測量這種導熱油的*佳選擇。從歐洲**個(gè)商業(yè)化運行的槽式光熱電站ANDASOL一期二期三期,到位于美國的去年剛剛投運的世界*大槽式光熱電站SOLANA電站,全球多達20多個(gè)槽式光熱電站都使用了科隆的高溫型超聲波流量計UFM530 HT來(lái)測量高溫導熱油,幾乎涵蓋了世界上所有的商業(yè)化運行的槽式光熱電站。針對這種導熱油的應用,科隆特殊設計了焊接式的結構,以應對白天到夜晚導熱油巨大的溫差變化。同時(shí)轉換器有特殊的高能設計,應對導熱油的特殊工況。在這些電廠(chǎng)的實(shí)際安裝應用中,科隆公司累積了豐富的經(jīng)驗。
在槽式光熱電站中除了導熱油作為導熱介質(zhì)外,往往還有熔鹽介質(zhì)做為儲熱材料,熔鹽的熱容量要遠遠高于導熱油,因此可以維持太陽(yáng)落山后電站的運行。熔鹽的測量與之前所述的塔式光熱電站是相同的,這里就不做累述了。
總結
太陽(yáng)能光熱電站做為綠色環(huán)保的新能源,比其他幾種可再生能源及燃煤、天然氣電廠(chǎng),其單位容量電站在其生命周期內所排放的溫室氣體CO2量是*低的,因此相對來(lái)說(shuō)是*綠色環(huán)保的能源。幾年前,光熱電站在國內就有熱議,但是因為種種原因,比如技術(shù)和政策等,現在在國內還沒(méi)有**展開(kāi)建設。但是可以預見(jiàn)的是,在中國西北部光照資源豐富的地區,光熱電廠(chǎng)的發(fā)展前景是非常廣闊的,一方面可以獲得綠色環(huán)保的能源,另一方面在光熱電廠(chǎng)建設的區域有助于減少土地的熱吸收量,起到給地表遮陽(yáng)的功能,對防治土地沙漠化有重要的意義。另外據2014年3月*新的報道來(lái)看,光熱發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)有望在*近確定,這也將大大推動(dòng)光熱發(fā)電的發(fā)展。
根據上文分析在光熱電站中會(huì )使用到的兩種重要介質(zhì),熔鹽和導熱油,采用超聲波流量計測量是*佳的解決方案。德國科隆公司做為專(zhuān)業(yè)的儀表供應商,在光熱電廠(chǎng)中有著(zhù)豐富的應用經(jīng)驗,除了本文詳細介紹的超聲波流量計為首的流量系列產(chǎn)品之外,還可以提供物位測量?jì)x表,分析儀表和溫度儀表等產(chǎn)品,如在世界*大槽式光熱電站SOLANA電站中科隆就提供了1000多塊溫度變送器和傳感器用于全廠(chǎng)的溫度測量。所以在太陽(yáng)能光熱電廠(chǎng)中,科隆是值得信賴(lài)的專(zhuān)業(yè)合作伙伴。