太陽能光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設計開發(fā)

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

（上海熱油爐設計開發(fā)中心)

0 前言

熔鹽蓄熱儲能技術可以解決光熱發(fā)電中的能源儲存難題。相比光伏發(fā)電和風力發(fā)電而言，光熱發(fā)電具有電網友好性，更易于被電網所接納。目前光熱發(fā)電的聚光反射裝置主要分為槽式、塔式、菲涅爾式和碟式等四種，而已大規(guī)模使用的是槽式和塔式；槽式在技術上最為成熟，但從成本下降的潛力來看，塔式更具有優(yōu)勢。

槽式系統(tǒng)是利用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內的熱載體 （熔鹽或導熱油）加熱，熔融鹽釋放的熱能用來產生蒸汽，推動蒸汽渦輪機發(fā)電；而其中有些熱能被儲存在高溫熔融鹽貯罐內，以便在夜晚或者陰雨天釋放出來產生電力。塔式系統(tǒng)是利用定日鏡將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫熔鹽集熱器上，加熱后的熔融鹽可以在更高溫度下儲存熱量，通過熔鹽蒸汽發(fā)生器產生過熱蒸汽，驅動蒸汽渦輪發(fā)電機組發(fā)電。

1 熔鹽蓄熱儲能技術

光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲能技術早在20世紀80年代就已經出現(xiàn)了，當時建造的塔式太陽能光熱發(fā)電站中采用三元無機熔鹽做為蓄熱儲能材料，它是由硝酸鉀、硝酸鈉、亞硝酸鈉混合而成，采用53%KNO3∶7%NaNO3∶40%NaNO2的比例進行配制?，F(xiàn)在光熱發(fā)電中采用的熔鹽是二元混合熔鹽，它是由60%NaNO3∶40%KNO3混合而成，該熔鹽在221℃時開始熔化，在600℃以下熱穩(wěn)定性非常好。采用添加劑可以使二元混合熔鹽的熔點大幅度降低，但同時不改變混合熔融鹽的熱穩(wěn)定性，甚至還能夠進一步提高熔鹽的最高使用溫度。未來的光熱發(fā)電尋找一種更好的熔鹽混合物做為傳熱和蓄熱載體，這種熔鹽混合物能在更高的溫度下儲存熱能，從而提高發(fā)電量；同時能在較低溫度下保持液態(tài)，進而減少用于避免其固化的能源消耗。

美國光環(huán)技術公司 （Halotechnics）采用資源充足而且成本低廉的鹽類物質替換掉了80%日益昂貴的硝酸鉀。該公司的Saltstream 565的第一款產品將至少比現(xiàn)有的存儲系統(tǒng)價格便宜20%，因為該系統(tǒng)利用較為便宜的鹽類混合物來獲得與原有系統(tǒng)相同的操作運行溫度565℃。目前在565℃以下的溫度存儲熱能技術是比較成熟的，但是如果有一種熔鹽混合物能使光熱發(fā)電中的操作運行溫度提高50～150℃，那么在進行熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設計時將會非常有利，因為這樣就可以在同樣質量的熔鹽混合物中儲存更多的能量，同時可以將熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的建造成本減少10%～20%，而操作運行溫度更高，這意味著太陽能光熱發(fā)電站可以采用更高效的渦輪發(fā)電機組來發(fā)電。

對于空間動態(tài)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，常用的熔鹽混合物是SiC和氟化鹽相變蓄熱材料，其中一種SiC和共晶LiF-CaF2(摩爾分率分別為80.5%、19.5%)的混合鹽，可以用于入口溫度高達727～827℃的閉環(huán)傳統(tǒng)汽輪機上。對于太空中太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有更高使用溫度的蓄熱材料是采用SiC和MgF2的混合鹽。通常情況下氟化混合鹽LiF-NaF-KF(摩爾分率分別為46.5%、11.5%、42%)的熔點為454℃，在高溫條件下其熱穩(wěn)定性更好[1]，能在更高的操作運行溫度下蓄熱儲能，從而產生更多的電力。

2 熔鹽蓄熱儲能的太陽能光熱發(fā)電站

1981年在意大利西西里的Adrano附近建成了Eurelios塔式太陽能熱電站，該電站采用三元無機熔鹽做為蓄熱載體。1983年西班牙的CESA-1電站也采用三元無機熔鹽做為蓄熱載體。1984年在美國新墨西哥州Albuquerque建立了0.75 MW熔鹽發(fā)電試驗電站，采用硝酸鹽做為傳熱和蓄熱載體，并使用了冷熔鹽貯罐和熱熔鹽貯罐的循環(huán)系統(tǒng)。

1996年在美國加利福尼亞的Mojare建成了Solar Two太陽能試驗電站[2]。Solar Two是美國能源部在莫哈韋沙漠建造的一套太陽能熱發(fā)電站原型設施，一排排日光反射裝置將太陽能聚焦于塔頂?shù)募療崞鳎療崞骼镅b有在高溫下會液化的熔鹽；熔鹽釋放的熱能用來產生蒸汽，驅動蒸汽渦輪機發(fā)電。其中有一部分熱能可以儲存在一罐罐熔鹽貯罐里，以便在需要時釋放出來產生電力。該電站采用二元混合熔鹽做為傳熱和蓄熱載體，是由美國聯(lián)合科技公司United Technologies旗下的洛克達因Rocketdyne火箭發(fā)動機研究部開發(fā)了熔鹽存儲技術。該電站采用了冷熔鹽貯罐和熱熔鹽貯罐的循環(huán)系統(tǒng)，共存放熔鹽1440 t，蓄熱能力為105 MWh,可以供蒸汽輪機滿負荷運行3 h。該電站1997年投入運行，顯示出熔鹽做為傳熱和蓄熱載體的巨大優(yōu)勢，集熱器的集熱效率達到88%，系統(tǒng)自身耗能量減少了27%，系統(tǒng)運行具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

2001年意大利啟動了ENEA聚光太陽能熱電計劃，準備在意大利南部建一個28 MW的太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)采用熔融鹽作為傳熱和蓄熱載體[3]。2003年意大利建成了太陽能槽式集熱器熔融鹽循環(huán)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)中熔融鹽貯罐裝有熔融鹽0.95 t，最大的傳熱功率為0.5 MW，集熱器中熔融鹽出口溫度可達550℃。該系統(tǒng)2003年12月進行了將鹽熔化的操作，經過初步測試后于2004年4月開始運行，已經有約2000 h的運行經驗，大約經歷了200個充鹽和排鹽循環(huán)。

2007年西班牙的安達索爾 （Andasol）聚光太陽能熱發(fā)電工程建立了一個50 MW、采用熔融鹽做為蓄熱載體的太陽能塔式熱電站，采用的熔鹽達到35000 t。2011年安達索爾-I熱電站開始發(fā)電，并已經上電網投入商業(yè)運行；同時計劃在2015年之前再建造兩個這樣的太陽能熱發(fā)電站，即安達索爾-Ⅱ、Ⅲ。安達索爾聚光太陽能發(fā)電站是歐洲第一個拋物槽式太陽能熱電站，共計劃組裝7296個拋物槽式太陽能集熱器組，整體設備質量超過18000 t。安達索爾-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ熱電站的太陽能聚光裝機面積達到150萬m2表面積，相當于210個足球場的面積之和。50 MW的蒸汽渦輪機專門設計了高壓和低壓模塊組，與傳統(tǒng)的發(fā)電機組相比，太陽能熱發(fā)電機組必須被專門設計成能夠根據(jù)蒸汽的供應情況每天啟動和關閉。安達索爾聚光太陽能發(fā)電站將每年為大約50萬人提供清潔的可再生能源，同時實現(xiàn)45萬t的二氧化碳減排。安達索爾-Ⅲ熱電站利用210000個拋物反射鏡捕捉太陽能，捕捉到的太陽能用于加熱熔鹽，并通過熔鹽蒸汽發(fā)生器產生過熱蒸汽，推動蒸汽渦輪發(fā)電機運轉。安達索爾-Ⅲ熱電站還包含一個由28500 t熔鹽組成的熱能存儲系統(tǒng)，在全速運行下可以運轉發(fā)電機組7.5 h，這將使該太陽能發(fā)電站在無日照情況下和夜晚進行發(fā)電，從而實現(xiàn)全天候連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)電。

3 熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設計開發(fā)

太陽能光熱發(fā)電站采用冷熔鹽貯罐和熱熔鹽貯罐存放熔鹽。循環(huán)系統(tǒng)工作時，冷熔鹽貯罐內的熔融鹽經熔鹽泵被輸送到太陽能集熱器內，吸收熱能升溫后進入熱熔鹽貯罐中，隨后高溫熔融鹽從熱熔鹽貯罐流進熔鹽蒸汽發(fā)生器，加熱冷水產生過熱蒸汽，驅動蒸汽渦輪機運行發(fā)電，而熔融鹽溫度降低后流回冷熔鹽貯罐。

圖1 光熱發(fā)電熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程

筆者設計開發(fā)的光熱發(fā)電熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)包括下述設備：聚光反射裝置、聚光吸熱器、冷熔鹽貯罐、熱熔鹽貯罐、熔鹽泵、熔鹽蒸汽發(fā)生器、熔鹽預熱器、熔鹽過熱器、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預熱保溫裝置、熔鹽防凍抗凍和解凍加熱裝置、熔鹽安全防泄漏裝置以及配套輔機和閥門儀表、電控柜等。在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)內還設置了熔融鹽中間回路，使得太陽能集熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)相互獨立運行，以避免發(fā)電機組出現(xiàn)頻繁啟停的情況。

冷熔鹽貯罐容積大小的確定必須充分考慮到粉狀鹽熔融操作時體積的增加，以及停止運行時高溫熔鹽的排放量。首先將粉狀的二元混合鹽 （60%NaNO3+40%KNO3）放入冷熔鹽貯罐內，通過安裝在貯罐內的間接式熱風加熱裝置或者以電加熱的方法將其加熱融化。當冷熔鹽貯罐內的熔鹽被加熱到合適的黏度后，就可以用熔鹽泵打循環(huán)，將熔融鹽輸送到聚光吸熱器中。在聚光吸熱器中，熔融鹽被加熱升溫。升溫后的熱熔鹽進入熱熔鹽貯罐，然后被輸送到熔鹽蒸汽發(fā)生器中放熱，加熱冷水產生過熱蒸汽，推動蒸汽渦輪機發(fā)電。蒸汽冷凝后通過水泵返回到熔鹽蒸汽發(fā)生器內再吸收熱量，而熔融鹽溫度降低后流回冷熔鹽貯罐。上述過程不斷循環(huán)，構成熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。當運行停止時，熔融鹽應排到冷熔鹽貯罐內。

在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)運行初始時，所有熔鹽設備和熔鹽循環(huán)管路都是處于常溫狀態(tài)，需要采用間接式熱風加熱裝置或者電加熱方法進行預熱，以防止熔鹽進入后在管路內發(fā)生固化堵塞[4]。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的配管設計、熔鹽蒸汽發(fā)生器的結構設計都很重要，如果熔融鹽在管路內滯留固化，則可引起管路堵塞并發(fā)生事故。

熔鹽系統(tǒng)停止運行時，循環(huán)系統(tǒng)內的全部熔融鹽都要排入冷熔鹽貯罐，所以在配管設計時必須有合理的彎曲度，使之不至于有殘余熔鹽滯留。冷熔鹽貯罐必須安置在最低處，在循環(huán)系統(tǒng)緊急停車或停止運行時，為了防止冷熔鹽貯罐內熔鹽固化，可以使用間接式熱風加熱裝置或者電加熱方法將熔鹽的溫度保持在融熔點以上。因為冷熔鹽貯罐體積通常比較大，所以一旦冷熔鹽貯罐內出現(xiàn)熔鹽固化現(xiàn)象，再進行熔融就非常耗時了。

熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中的熔鹽流量不能過大，否則熔鹽泵的功耗和造價會增大；熔鹽流量也不能過小，如果流量過小了，熔鹽的溫度將會被迫升高，導致系統(tǒng)中的熔鹽過熱現(xiàn)象發(fā)生[5]。在熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)設計開發(fā)時，應該保證熔鹽設備和熔鹽管路內熔鹽的流速合理、準確。如果熔鹽流速過高，設備和管道內阻力降過大，熔鹽泵的動力消耗將增多，并沖刷磨損設備和管路的內壁面。熔鹽流速過低時，熔鹽會呈現(xiàn)出層流狀態(tài)，這不僅會影響傳熱效果，也會造成熔鹽流體傳熱不均勻。熔鹽膜壁溫度增高，尤其是當設備和管路內熔鹽膜壁溫度達到630℃時，熔鹽過熱會造成熔鹽發(fā)生分解反應，鹽膜變黑并粘附在高溫壁面上，形成一層硬殼，該硬殼色黑而且堅硬、質脆。如果熔鹽膜壁溫度超過了630℃的危險溫度，并繼續(xù)上升，則分解反應將繼續(xù)進行，黑色分解物將繼續(xù)增厚，而且溫度越高，分解反應就越加劇烈。劇烈反應的分解物是一種黑色固體，下部密實、上部疏松，而且不具有流動性，以沉積物的形態(tài)出現(xiàn)，沉淀在設備和管路的內壁面上，嚴重時會導致某一段管路堵死。所以在熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)設計開發(fā)時，計算出準確合理的熔鹽流量和流速十分重要。

熔鹽的熱穩(wěn)定性好，導熱系數(shù)較高，而且在600℃以下時幾乎不產生蒸氣。但熔鹽屬于危險品，高溫熔鹽如果與有機化合物接觸，易發(fā)生劇烈的反應，引起著火、爆炸，因此在循環(huán)系統(tǒng)中熔鹽絕不允許與有機物質接觸。為了防止空氣進入熔鹽系統(tǒng)，應盡可能將熔鹽循環(huán)系統(tǒng)密封好，并在熔鹽貯罐內充入一定量的惰性氣體或者氮氣進行氣體密封保護，且處于正壓狀態(tài)。熔融鹽與水接觸也容易出現(xiàn)水蒸氣爆炸，因此在打開檢修孔時必須十分注意安全保護。

4 結束語

光熱發(fā)電能夠直接產生交流電，并且可以連續(xù)發(fā)電，不像光伏和風力為間歇發(fā)電。如果采用蒸汽渦輪發(fā)電機，光熱發(fā)出的電符合供電系統(tǒng)的要求，適合并入電網使用，屬于電網友好型電源。目前西班牙Andasol光熱電站采用熔融鹽蓄熱儲能可儲熱7.5 h發(fā)電量，意大利Archimede光熱電站可儲熱15 h發(fā)電量，該兩座電站均已經投入運行，可連續(xù)24 h發(fā)電。熔鹽蓄熱儲能技術的研究和發(fā)展使得太陽能光熱發(fā)電在晝夜變化和天氣陰晴變化時的發(fā)電應變能力大大提高，并且隨著熔鹽蓄熱儲能技術的不斷進步，未來的光熱發(fā)電將具有成為主要替代能源的潛在優(yōu)勢。

[1] Williams D F,Wilson D F,et al.Research on molten fluorides as high temperature heat transfer agents[A].Global 2003.New Orleans，2003： 16-20.

[2] Reilly H E,Kolb G J.An evaluation of molten-salt power towers including results of the solar two project[R].Sandia National Laboratories Report，2001.

[3] Vignolini M.ENEA research activities solar collector assembly test loop and laboratory studies[R].Italian nationalagency for new technologies.Energy and Environment Research and Development Unit,2003.

[4] 汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統(tǒng)的開發(fā) [J].化工裝備技術，2000，21 （2）： 40-43.

[5] 汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結構設計和熔鹽過熱的研究 [J].化工裝備技術，2012，33（5）：39-42.