ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

Основные задачи и некоторые предварительные результаты эксплуатации первых СЭС

Все действующие на сегодня башенные станции, так же как и станций модульного типа, разрабатывались как эксперимен­тальные и предназначались для отработки различных техноло­гий и схем выработки электроэнергии, накопления опыта эксплуатации, анализа неполадок, т. е. комплекса проблем, ко­торый потребуется для проектирования и строительства про­мышленных станций значительно большей мощности.

Одной из главных целей является измерение параметров, определяющих работу станции в целом и ее подсистем - тех, от которых зависит энергетический баланс и выработка элект­роэнергии. В подсистеме приемника эго - входящая солнечная, радиация; потери радиации (отраженная часть, собственное инфракрасное излучение и конвективные потери), собранная до­ля тепла, температура поверхности, температурные напряжения; входные и выходные параметры рабочей среды (температура, Давление, скорость потока).

Характеристики подсистемы аккумулирования: входные и вы - • ходные параметры (давление, температура, скорость потока); параметры аккумулирующих баков (давление, уровень напол­нения, температурное распределение). В подсистеме выработки Мощности необходимо знание следующих параметров: входные Данные турбины (давление, температура, скорость потока); выходные данные турбины, т. е. характеристики конденсации (вакуум, температура конденсируемого пара, температура и скорость потока охлаждающей жидкости); расход энергии иа собственные нужды (насосы и вспомогательное оборудование); генерирование электрической мощности. Важность этой измери­тельной части проектов можно продемонстрировать на примере станции Solar -1. Распределение и общее количество датчиков в ней таково: измерение температуры - 632 точки, давления - 212, перепадов давления - 38, скорости потока - 58, положе­ния - 339, размещения - 11, производительности насосов - 31 электрических измерений - 135, химических измерений - 21, сбора метеорологических данных - 65, теплового потока - 75, системы определения характеристик лучистого потока - 16, механических напряжений - 128, вибраций - 12, уровней жид­кости - 69, нагрузки - 126, остальных типов - 10.

Таким образом, всего было установлено 197 8 датчиков, из них для метеорологических измерений - 68, на гелиостат­ном поле - 172, в подсистеме приемника - 536, в теплоакку­Муляторе - 431, в подсистеме выработки электроэнергии - 69І, во вспомогательных системах - 80.

Опыт эксплуатации первых СЭС показал необходимость об­ратить самое пристальное внимание на такие вопросы, как ра­бота станции при неустановившихся режимах и при пониженной инсоляции, циклические термонапряжения, время и технология запуска, надежность оборудования, эффективность аккумулиро­вания и др. '

Неустановившиеся режимы. Специальные эксперименты, проведенные на станции ЕигеНон, показали, что в пароводя­ных приемниках (в частности, прямоточного типа) возникают скачкообразные тепловые напряжения, приводящие к скачкам нагрузки, а также 'плавание' мест фазовых переходов как между водой и паром, так и между насыщенным и перегретым паром. Эти фазовые изменения сопровождаются скачками в значениях коэффициента теплопередачи, достигающих целого порядка: от 4000 в доне перегретого пара до 50 000 Вт/

/(м^ • К) в зоне влажного пара. Это перегружает систему ре­гулирования, что создает чрезмерно высокие температурные напряжения в металлических конструкциях, а иногда приводит к их разрушению. На работу приемника влияет как уровень, так и скорость изменений прихода солнечной радиации. Эти изменения, могут достигать 2% в секунду при уровне от 100 до.

800 Вт/м2 и вызывать как значительные изменения попоже - ния зоны испарения, так и длительно продолжающийся осцил­лирующий тепловой режим. Все это создает достаточные слож­ности в регулировке, которая в большинстве своем осуществля­ется еще в ручном режиме, требует введения специальных кпа-

панов и развернутой измерительной системы (89 термопар и 38 измерителей потока).

Циклические термонапряжения. Механические напряжения, связанные с воздействием периодических тепловых нагрузок, вызывали на станции Eurelios трещины и протечки в котле.

Дця их устранения пришлось изъять аварийные секции и улуч­шить крепление котельных труб, сделав' его "мягким" для обес­печения подвижности при тепловом расширении. На станции Solar -1 эти) проблемы были еще более жестки. Температур­ные напряжения также привели к протечке фланцевых соедине­ний и к пригоранню изоляции на контуре паровой турбины, что заставило остановить станцию в середине июля 1982 г. почти на месяц. В дальнейшем для ряда сосудов и клапанов пришлось применить эпектрообогрев, что снижало термические скачки и в то же время сокращало период запуска. Термические напря­жения во всей системе должны были уменьшиться после запуо - ка на полную мощность контура теплового аккумулирования, что позволяло поддерживать систему в подогретом состоянии в ночное время.

Уменьшенная инсоляция. Работа системы приемника в усло­виях сниженного прихода излучения оказалась очень существен­ной проблемой. Снижение инсоляции приводит к уменьшению скорости потока рабочей жидкости через приемник, а этот ми­нимум не может стать недопустимо низким. В ряде случаев пришлось применить повторную и даже многократную рецирку­ляцию жидкости в теплообменных панелях приемника.

Время запуска. Желательно, чтобы время запуска станции после ночного перерыва было минимальным. Это позволяет доо - тиготь максимума выработки электроэнергии. На действующих станциях Eurelios Solar - 1 и Sunshine оно составляло ~2 ч. Желательно также, чтобы короткие перерывы в поступлении пря­мой солнечной радиации несущественно влияли на работу прием­ника. Уменьшение времени запуска достигается снижением скорости прокачки рабочей жидкости через приемник, сокраше­нием спины труб, а также введением рециркуляции рабочей жидкости. Параметры рабочего тела также очень существенны с этой точки зрения и будут играть первостепенную роль при полном сравнении работы станций с различными системами, ко­торые предполагается ввести в дальнейшем.

Эффективность теплового цикла. Достигнутый КПД нельзя рассматривать как удовлетворительный для станции промышлен­ного назначения. Более того, даже для действующих экспери­ментальных станций он невысок. На повестке дня-вопрос о его комплексном повышении с учетом работы ТАС.

Емкость системы аккумулирования. Для эксплуатационной гибкости нужна достаточна буферная емкость, однако опыт эксплуатируемых станций не дает возможности сформулировать этот критерий однозначно. Очевидно только, что слишком зани­женные емкости, такие, как у станции Eurelios (0,5 ч ра­боты на теплоаккумуляторе), явно недостаточны.

Надежность оборудования. Опыт работы станций Solar -1 и С RS показал наличие сложностей, связанных с подтеканием баков, разгерметизацией фланцевых соединений, насосов и помп Эти явления были множественными и связаны, по-видимому, с наличием тех же самых периодических тепловых напряжений и термических ударов, которые разрушительно действуют на при­емник радиации. Особое внимание приходится уделять качест­ву емкостей, находящихся под давлением.

Эффективность аккумулирования. Этот вопрос также важен с экономических позиций, особенно при использовании в качест> ве рабочего тела приемника пара высоких параметров. На Solar -1 непосредственно на приемнике генерируется пар 510 С/10, 3 МПа, а от системы аккумулирования только 273 С, 2,7 МПа. Общая эффективность термодинамического • преобразования падает при этом от 35 до 25%.

Аналогичная картина у станции CESA= 1:520 С, 10,0МПа от приемника, КПД 27,7% и'330°С, 1,53 МПа от аккумуля­тора, КПД 21%, а также и на других "пароводяных' станци­ях: Eurelios и Sunshine. Если же для аккумулирования по­пользуется та же однофазная рабочая жидкость, что и в прием­нике, например жидкий натрий или расплав сопи, этой пробле­мы не возникает и потерь КПД на стадии аккумулирования не происходит.

Теплоносители. Используемый в настоящее время на ряде ртанций пароводяной цикл обладает хорошими характеристиками и представляет значительный практический интерес. Тем не менее для мощных промышленных станций будущего наиболее вероятными кандидатами в качестве теплоносителей солнечного приемника являются расплавы солей и жидкий натрий. Так, после ввода в эксплуатацию СЭС в Барстоу рассматривается вопрос о целесообразности использования на СЭС второго по­коления контура теплоотвода от центрального приемника соле­вым теплоносителем [8б| . По предварительным оценкам, при­менение такого теплоносителя позволит добиться значительно­го снижения капиталовложений в оборудование СЭС и понизить стоимость отпущенного киловатт-часа на 25% по сравнению с СЭС в Барстоу. Наиболее пригодным для этих целей является

супесь 60% NaN03= 40% KNO3, термически стабильная до 600 С и имеющая невысокую стоимость. Несмотря на то что при высоких температурах имеет место частичное разложение этой смеси с образованием нитритов, данный процесс не оказы­вает заметного влияния на характеристики теплоносителя. Эксперимент по коррозионной активности показал, что взаимо­действие этой смеси с большинством конструкционных мате­риалов приводит к их окислению; в ряде случаев образуется устойчивая защитная оксидная пленка, препятствующая разви­тию коррозии. Перспективным материалом для элементов соле­ного контура является сплав Incolloy 360 [801.

Отмечаются следующие преимущества расплава селитр как рабочего тела: очень высокие теплоаккумупирующие характе­ристики; относительно низкая цена, слабая химическая актив­ность при рабочих температурах (по 450°С), а отсюда и вы­сокая безопасность эксплуатации; достаточно высокий КПД по термодинамическому циклу; принципиальная возможность экстраполяции системы на станции больших мощностей (до со­тен мегаватт).

Экономический анализ СЭС башенного типа электрической мощностью 100-300 МВт с натрием в качестве теплоносите­ля первого контура показал, что при 13-часовом аккумулиро­вании СЭС данного типа могут быть конкурентоспособными со вновь создаваемым» ТЭС [80].

Применение натрия дает существенные преимущества перец водяным теплоносителем: элементы приемника и трубопроводы не работают под высоким давлением, что позволяет уменьшить толщину стенок; СЭС не надо останавливать для удаления на­кипи из трубок приемника, расположенного на большой высоте, и др. [ 99 ].

Для небольших солнечных установок (70-1000 кВт), ра­ботающих по циклу Решта при температурах 575-657 К, ре­комендуют в качестве теплоносителя толуол, который с уче­том стабильности, доступности и стоимости обеспечивает Наилучшие показатели (КПД 24%Д1187. Однако пожароопас­ность этого теплоносителя, безусловно, должна учитываться при проектировании и эксплуатации оборудования. В качестве теплоносителя первого контура предложено также использовать стабильное до 400 С Масло на кремнийоргамической основе,

SYLTHERM 800 [1Й1].

Разработчики СЭС ищут пути повышения их эффективности н в направлении совершенствования параметров термодинами— ческого цикла. Так, например, в [117] предложена и рассмот-

рена схема термодинамического преобразования солнечной энер гии, заключающаяся в использовании двух гелиосистем, первая из которых обеспечивает'4’ 40% подводимого в цикл тепла на уровне температуры испарения рабочего тела, а вторая выраба­тывает тепло более высокого потенциала для пароперегревате­лей. Эксплуатация элементов преобразования лучистого потоке на оптимальном уровне температур должна способствовать сне же шло потерь в окружающую среду и повышению эксергетичео - кого КПД. Сравнительная оценка показателей различных типов1 СЭС с циклом Пенкина позволила сделать вывод о неделе се, образности повышения температуры подвода тепла в цикл боль­ше 500 С при отсутствии топливного дублера вследствие рез­кого снижения КПД ЦП. Здесь же отмечена перспективность ва­рианте» с солевыми теплоносителем в первом крнтуре.

Каждая из тепловых схем действующих СЭС обладает свои­ми отличительными признаками и особенностями. На пяти из ; них применена одноконтурная схема с водяным паром в качест ве теплоносителя и рабочего тела. Режимы работы таких ста» ций, как и двухконтурных, будут иметь между собой много общего.

Режим работы СЭС. Возможные режимы работы СЭС с ис­пользованием в качестве теплоаккумулирующей среды расплав­ленной сопи (как наиболее перспективного, на наш взгляд, теплоносителя) проиллюстрированы на рис. 12 на примере ста» romCE'SA-l. В варианте 1 весь пар, вырабатываемый в при­емнике, направляется в турбину. В варианте 2 весь получае­мый пар используется для нагрева соли в системе аккумули­рования. В варианте 3, когда уровень инсоляции недостаточен для выработки пара в приемнике, турбина работает от пара пониженных параметров, получаемого в теплообменнике за счет отвода тепла от расплавленной соли. В варианте 4 при достаточном уровне солнечной радиации вырабатываемый пар частично подается на турбину, частично в АТ на нагрев рао - плава соли. В варианте 5 зарядки ТАС не происходит, а на турбину подается пар одновременно из солнечного парогене­ратора и из теплообменника системы аккумулирования. В ва­рианте 6 часть пара расходуется на разогрев солевого расппвг - ва, часть - подается на турбину. Одновременно с зарядкой ак­кумулирующей системы происходит ее разрядка с подачей па­ра пониженных параметров в турбину. И наконец, вариант 7 - при пониженном уровне инсоляции весь вырабатываемый пар идет на разогрев теплоаккумупируюшей "среды с одновременным разрядом аккумулятора,

42

Описанные выше возможные режимы работы будут характе­рны для любой "чисто солнечной" электростанции с системой аккумулирования. Их основные отличия будут заключаться в па раметрах рабочего тела и теплоаккумулирующей среды, а так­же во временных характеристиках процесса заряд/разряд ак­кумулятора.

Ниже кратко рассмотрены некоторые отличительные особен­ности тепловых схем действующих СЭС.