青海盐湖热水工程太阳能集热方案探析

张新萍，郭琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

青海盐湖热水工程太阳能集热方案探析

张新萍，郭琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

青海盐湖集团蓝科锂业公司以开发碳酸锂为主，因生产工艺优化和改扩建要求，需要全天热水供给。根据太阳能热发电技术，结合当地太阳能资源条件以及气象条件，经过对太阳能集热方案与传统供热方案进行技术经济比较分析，确定选用传热介质为导热油的线性菲涅尔式太阳能集热方案为工业项目供给热水。太阳能集热方案的应用，可以减少燃煤消耗和二氧化碳排放，符合国家节能减排政策要求，为青海省节能减排工作起到示范作用。

太阳能集热；线性菲涅尔式集热方式；导热油

我国是太阳能资源非常丰富的国家之一，青海是潜在的太阳能热发电站候选地址，具有完备的太阳能热发电站基础条件。青海盐湖锂资源储量非常丰富。青海盐湖集团蓝科锂业公司以开发碳酸锂为主，因生产工艺优化和改扩建要求，全天24小时需要40℃热水，流量为600 t/h。基于国家节能减排政策要求，必须大力发展清洁能源。本文对太阳能集热供热方案进行探究和分析，以新的太阳能集热装置替代燃煤等传统供热设施，满足工业供给热水需求。

青海盐湖蓝科锂业公司太阳能集热加温供水工程，位于青海西部格尔木市察尔汗盐湖内的蓝科锂业公司厂区，距西宁市710 km，距格尔木市约60 km。原水水源取自格尔木市市政管网，工程任务为供热，无供暖、发电等其它需求。

1 集热方案的选择

由于工程所在地无天然气管道敷设，气源缺乏，加之天然气成本较高，采用天然气锅炉，会大大增加生产成本。采用电锅炉，对每天数亿大卡的用热规模来说，其运行成本价格会更高。因此，天然气及电锅炉对本项目不适合。目前只有继续扩建传统的燃煤锅炉或者采取其它节能环保措施才能保项目生产所用热水。

1.1 扩建燃煤锅炉

由于生产所需，项目现需要全年330天，全天24小时40℃热水供给[1]，若采用传统的燃煤锅炉供热，则需建设2台X29-1.6/150/90容量的热水锅炉，由于年供热水时间330d，几乎全年运行，因而还需增设1台备用锅炉，以保证正常的工业用水量，假定锅炉效率为90%，锅炉燃料消耗量（标准煤）见表1。

表1 锅炉燃料消耗量

1.2 太阳能集热方案

项目地处太阳能资源最丰富区，太阳辐射强，日照小时数高。加上海拔高、空气稀薄、大气透明度好、阳光穿透力极强，具有极好的自然条件（地区年辐射量6908 MJ/m2，年日照数3103 h）；且当地地广人稀，地势平坦，土地资源十分丰富；项目所在地有大片未利用荒地可供使用。我国太阳能光热技术，经过多年的发展，已日趋成熟。尤其是中低温集热技术，既无技术难题，也无工艺障碍，完全可用于工程实际。国内已有多个光热发电项目及热电联供项目建成或正在建设。对本工程来说，生产仅80℃的热水，现有的成熟技术完全可以保证工程需求。

1.3 方案对比分析

对于燃煤锅炉加热方案与太阳能集热方案，从年耗煤量、用电负荷、人员配置、使用年限、总投资及年运行成本等方面进行比较，见表2。

从表2可以看出，太阳能集热方案能够充分利用当地十分丰富的太阳能资源和土地资源，利用光热集热技术，以清洁、无污染、无排放、可再生的太阳能作为主力热源实现本工程的任务是经济可行的。

根据国家节能减排政策和项目要求，原有煤锅炉已不能满足长期生产需求的热水量。太阳能集热方案符合国家节能减排的相关政策。因此选用太阳能集热方案。

2 太阳能集热方式选择

2.1 太阳能集热方式比较

太阳能集热方式有塔式、槽式、碟式以及线性菲涅尔式共四种。

（1）塔式：塔式方案对高温工质（主要用于发电）有利，适用于规模化发电。由于塔式光热集热为点聚焦，集热器温度高，用于本项目需多次热交换，热能损失大，综合光热转换效率低。由于塔筒高度高、镜场面积大、施工难度大、集热场面积大，投资高，且运行维护复杂。

（2）槽式：槽式方案采用槽型抛物面反射镜，由于聚光比较低，集热管管线较长，运行难度较大、占地面积也较大、反射镜清洗复杂。由于本项目地春冬季风沙大，而抛物面反射镜抗风能力差。

（3）碟式：碟式方案通过旋转抛物面反射镜将太阳光聚集到焦点上的集热器集热，由于是点聚焦，聚光比比较大，但结构复杂成本较大；碟式光热集热方案只适用于分布式小型集热；抗风不宜解决，运行管理复杂。

（4）线性菲涅尔式：线性菲涅尔式方案是一种利用线性菲涅尔式反射聚光集热器，将太阳能收集，产生所需热的技术。工作原理类似槽式，只是采用线性菲涅尔结构的聚光镜阵列替代抛物面反射镜作为一次反射镜。反射镜将太阳光聚焦到二次双抛物面反射镜，在反射镜焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能。此方案结构更为简单，反射镜面靠近地面放置，反射镜为平面镜，具有占地面积小、抗风能力强、施工难度低、投资成本低、运行可靠、维护保养方便等突出优势。

2.2 太阳能集热方案选择

根据项目所在地气象条件，选用线性菲涅尔式集热方案。原因如下：

（1）全年大风以西风、西偏南风为主，年平均最大风速21.2 m/s。槽式电站聚光系统抗风性能差。线性菲涅尔系统一次反射镜离地仅1 m左右，顶部二次聚光器截面积小，受风速影响小。

（2）地质条件承载能力较差，其它方案将增加基础费用。

（3）线性菲涅尔系统具有二次反射镜，可有效抵消由于跟踪误差造成的系统效率损失。

经过对以上4种集热方式进行比较，结合盐湖地区具有风沙大、干旱、少雨及特殊地质条件特点，采用线性菲涅尔式集热方式是合适的。

3 传热介质选择

太阳能典型的传热介质有导热油、水及熔盐三种[2]。

（1）导热油：真空集热管中用导热油做介质，该技术具有最长的市场运营经验，美国加州太阳能发电系统（SEGS）电厂从上世纪80年代起，已经运行20多年，目前运行良好。该技术也称作“HTF”（导热油）技术。目前有90%的已建、新建商业电厂的管道均采用该技术。

（2）水：真空集热管中用水做介质的技术，较导热油技术有以下优点：①导热油系统有400℃的最高温度限制，直接蒸汽系统（DSG）的最大温度可超过400℃，提高了蒸汽的参数，进而可提高换热效率同时也取消了辅助热油系统。②减少了运行维护费用。③降低了热油引起的环境风险（火灾和泄漏）。

缺点在于：①因运行压力高，必须配备液压元件，成本会增加。②由于真空集热管内的双相流及水汽热动力特性，控制系统更复杂、造价更高。③昼夜温差大，容易造成结冻导致管路堵塞，系统无法正常运行。④水质条件较差，钙镁离子含量高，易结垢。会影响集热效率，清洗频率提高，成本增加。⑤目前没有采用该技术的商业运营模式。

（3）熔盐：真空集热管中用熔盐做介质，该技术基本上是ENEA（意大利政府能源研发中心）的专项研发产品。在开发完成所有的专业性元件（集热器架、镜板、接收器等）后，在ENEA位于罗马（意大利）附近Casaccia的实验基地进行了试验回路的运行。优点是熔盐液体的黏度小、导热性好、常压下是液态、不易燃烧和储热量大，缺点是：凝固点太高，一般为90℃~230℃，必须对相关设备进行保温和伴热，成本会增加很多。

表2 热源方案比较表

目前已运行传热介质有很多种，但技术最为成熟、商业化最广、经历时间最长的是导热油技术。因此本项目采用导热油作传热介质。

4 系统方案

通过技术经济比选，选用线性菲涅尔式集热方案作为热源，以导热油为传热介质。设2000 m3调节水罐一个，将原水引至调节水罐，利用2台变频水泵（一用一备）以600 m3/h的流量输送至油水换热器，导热油作为传热工质，在导热油循环泵的作用下，经集热场将导热油加热至260℃左右后，进入换热器，加热原水至80℃。再通过管路输送到现场两座3000 m3的热水罐中，经热水泵输送至蓝科锂业厂区，由电动阀门与原水混合至40℃，满足24 h的14400 m3用量。

工程采用太阳能集热方案，采用白天供热+蓄热模式。方案为白天满负荷运行，将多余热水储存起来，夜晚用白天储存的热水进行生产供给。

5 结语

目前鉴于环保方面的压力，国家对燃煤锅炉的使用和建设进行了严格的管控，这也为太阳能热利用技术提供了新的市场突破口。本工程采用太阳能集热方案，集热面积超过10万m2，集热厂总功率超过40MW，总投资1.2亿元。年产热水432万t以上，基本满足蓝科锂业公司1万t碳酸锂生产对热水的需求，替代其现有及将新建的65吨级燃煤锅炉，每年可降低煤耗约6万t，减排二氧化碳15万t，该项目成为我国甚至全球最大的线性菲涅尔太阳能集热供热站，也是首个将太阳能集热技术应用于大工业供热的项目。为青海甚至中国太阳能热利用技术发展起到良好的示范。为青海省节能减排工作起到示范。

[1]陕西省水利电力勘测设计研究院编制.青海盐湖佛照蓝科锂业股份有限公司太阳能集热加温供水工程初步设计报告[R]，2015.7

[2]黄素逸、黄树红等编著.太阳能热发电原理及技术[R].中国电力出版社，2012.8

TU822

B

1673-9000（2017）03-0152-03

2017-02-07

张新萍（1965-），女，陕西泾阳人，高级工程师，主要从事水力水电工程设计工作。