太陽能光熱熔鹽發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心 （上海 200042）

工作研究

太陽能光熱熔鹽發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心 （上海 200042）

介紹了三元混合熔鹽和二元混合熔鹽的配方比例，對光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲能系統(tǒng)的工藝流程進行了設(shè)計開發(fā)，介紹了熔鹽設(shè)備和管道的制作材料，總結(jié)了熔鹽循環(huán)系統(tǒng)在開車啟動和停車過程中進行熔鹽預(yù)熱融化以及伴熱保溫的注意事項，分析了高溫熔鹽液下泵的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計方法。最后，對光熱發(fā)電站中熔鹽貯罐的設(shè)計進行了分析研究，討論了防止熔鹽凝固的電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計方案，分析了光熱發(fā)電站系統(tǒng)的整體與遠程溫度監(jiān)測和控制方法。

光熱熔鹽發(fā)電 蓄熱儲能系統(tǒng) 熔鹽液下泵 熔鹽貯罐 電伴熱系統(tǒng) 溫度監(jiān)控系統(tǒng)

0 前言

太陽能光熱熔鹽發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能集熱系統(tǒng)，太陽跟蹤系統(tǒng)，高溫熔鹽的蓄熱、傳熱、熱交換蒸汽發(fā)生器，冷卻系統(tǒng)，低壓汽輪機等發(fā)電系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)。塔式光熱熔鹽發(fā)電站設(shè)計開發(fā)的重點為太陽能光場系統(tǒng)，特別是定日鏡需要對每一面鏡子進行跟蹤控制，并根據(jù)光熱發(fā)電站發(fā)電出力確定光場的建設(shè)面積，同時根據(jù)光場的面積計算出集熱器的高度和接收器的位置。在熔鹽蓄熱儲能系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中，需要計算并設(shè)計出儲熱系統(tǒng)的儲熱時間，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，并從設(shè)計角度確保熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的安全運行，防止熔鹽的低溫凝固造成的管路堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

太陽能光熱熔鹽發(fā)電站可連續(xù)24 h為人們提供源源不斷的綠色能源，這將增強人們利用太陽能替代化石能源的信心。特別是對太陽能光熱熔鹽發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)，將會加深投資界對太陽能光熱熔鹽發(fā)電的認識，從而為光熱熔鹽發(fā)電站的開發(fā)建設(shè)吸引更多的投資商和開發(fā)資金。

1 熔鹽蓄熱儲能系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

1.1 熔鹽

光熱發(fā)電中使用的熔鹽是由KNO3，NaNO2和NaNO3組成的混合物。其中，三元混合熔鹽的組成為：KNO3，53%（質(zhì)量分數(shù)，下同）；NaNO2，40%；NaNO3，7%。二元混合熔鹽A型的組成為：KNO3，40%；NaNO2，60%。二元混合熔鹽B型的組成為：KNO3，55%；NaNO2，45%。目前，光熱發(fā)電中采用的熔鹽是二元混合熔鹽A型，該熔鹽在221℃時開始熔化，在600℃以下熱穩(wěn)定性非常好；采用加入添加劑的方法，可使二元混合熔鹽的熔點大幅度降低，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。

1.2 熔鹽蓄熱儲能系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

熔鹽蓄熱儲能系統(tǒng)以二元混合熔鹽作為工作介質(zhì)，將290℃的液態(tài)低溫熔鹽通過熔鹽泵從冷熔鹽貯罐送至塔頂?shù)娜埯}吸熱器，吸熱器在太陽光的聚焦輻射照射下將熱量傳遞給流經(jīng)吸熱器的熔鹽。熔鹽吸熱后溫度升高至約565℃，再通過管道被送至位于地面的熱熔鹽貯罐。隨后，來自熱熔鹽貯罐的高溫熔鹽通過熔鹽泵被送至熔鹽蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生的過熱蒸汽進入汽輪機內(nèi)做功發(fā)電，而熔鹽溫度降低后流回冷熔鹽貯罐[1]。光熱熔鹽發(fā)電站的雙貯罐結(jié)構(gòu)型式同時作為蓄熱系統(tǒng)，可滿足動力系統(tǒng)的啟停和發(fā)電機組在日照不足時的用汽需求。

采用二元混合熔鹽作為吸熱、傳熱、蓄熱介質(zhì)，可使熔鹽循環(huán)系統(tǒng)在低壓下運行，安全性非常高。另外，熔鹽在整個吸熱、傳熱循環(huán)中都處于液相強制循環(huán)狀態(tài)，且熔鹽熱容較大，吸熱器可承受較高的熱流密度，從而可使吸熱器的設(shè)計更加緊湊，減少了制造成本，降低了熱損耗。但由于熔鹽存在高溫分解和腐蝕問題[2]，因此，熔鹽設(shè)備和管道的材料必須耐高溫和耐腐蝕，通?？梢赃x用0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti，12Cr1MoV，12CrMoVG等作為熔鹽設(shè)備和管道的制作材料。

在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)運行初始時，需要將粉末狀的熔鹽加熱到其熔點以上，使其在熔融流動狀態(tài)下循環(huán)使用。首先，將粉末狀的熔鹽放入熔融槽內(nèi)，通過槽內(nèi)安裝的蒸汽加熱管或電加熱管對其進行加熱[3]，一直加熱到槽內(nèi)熔鹽的黏度適合用熔鹽泵打循環(huán)為止；然后，用熔鹽泵將熔鹽送到熔鹽循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)進一步循環(huán)升溫，使整個系統(tǒng)成為流動的可循環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)溫度達到可以正常使用的生產(chǎn)工藝溫度。

由于熔鹽在常溫下為固體，所以在啟動開車前必須對其進行預(yù)熱，停車時系統(tǒng)中的熔鹽必須全部回流到冷熔鹽貯罐中?？紤]到熔鹽的低溫凝固特點，必須對高溫、低溫熔鹽貯罐采取保溫措施，以防止熔鹽凝固；對于熔鹽管道，則需要進行預(yù)熱和電伴熱，采用絕緣發(fā)熱電纜，即利用合金電阻絲進行通電發(fā)熱，并與熔鹽管道換熱以達到保溫的效果。

1.3 熔鹽液下泵

由于臥式熔鹽泵軸封難度大，有熔鹽泄露的危險，故一般采用液下泵。由于熔鹽泵的下軸承組合長期浸于高溫熔融鹽溶液中，而高溫液下泵與常溫液下泵的主要區(qū)別在于，高溫液下泵需著重解決與熱膨脹、高溫機械強度和剛度有關(guān)的一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。因此，在選取熔鹽泵中各種零件的材料時，需保證材料的熱膨脹系數(shù)盡量相同或接近，而在設(shè)計選型時需選用耐高溫、耐腐蝕和線脹系數(shù)小的材料。

在結(jié)構(gòu)型式上，熔鹽泵采用常規(guī)液下泵的結(jié)構(gòu)，即用一根出液管。熔鹽泵運行時，出液管內(nèi)充滿高溫熔鹽，而中央支撐管僅下部接觸熔鹽，出液管的溫度比支撐管的高，導(dǎo)致二者的熱膨脹量不同；由于熱膨脹量不同產(chǎn)生的熱膨脹力很大，易使泵體偏斜，縮短底軸承使用壽命，或使葉輪與泵體密封環(huán)相碰，致使密封環(huán)偏磨，內(nèi)泄漏量增大。所以，如果高溫熔鹽液下泵在設(shè)計上采用雙出液管的結(jié)構(gòu)型式，就可以消除軸向的不均勻膨脹。

熔鹽液下泵有液下底軸承，由于熔鹽的潤滑性不好，且高溫下滑動軸承的間隙值很難選得合適，故下軸承的壽命較短。另外，軸套的磨損使得葉輪偏斜，徑向離心力增大，從而進一步加劇了軸套和葉輪密封環(huán)的磨損。所以，這種有底軸承結(jié)構(gòu)的熔鹽液下泵檢修頻繁，而合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)是采用懸臂式的結(jié)構(gòu)型式。

雙蝸殼泵體可以大幅度地減小熔鹽泵在非設(shè)計工況下運行時的徑向力，減少懸臂端撓度。采用雙蝸殼泵體與雙出液管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，就可以取消單出液管雙蝸殼泵體中180°的隔板，從而簡化了鑄造方法。

大多數(shù)高溫熔鹽液下泵底座上方的下軸承處都設(shè)有水冷夾套，從而加強了軸承冷卻措施。如果熔鹽液下泵用軸上自帶的風(fēng)扇進行冷卻，則效果不如水冷夾套的冷卻效果好。高溫熔鹽液下泵的軸承用稀潤滑油強制循環(huán)潤滑，潤滑油依靠軸承下方的小葉輪進行循環(huán)，軸承座側(cè)面須設(shè)置油箱，內(nèi)部應(yīng)設(shè)置冷卻盤管。軸承的密封采用非接觸式折流罩密封，從而解決了高溫熔鹽液下泵的漏油問題。

熔鹽泵軸封方式的選擇要考慮高溫下的壽命問題和更換的方便性。熔鹽液下泵的軸封是針對氮氣的密封，制造廠都采用填料密封，向填料腔中部的燈籠環(huán)處通入氮氣。填料腔四周應(yīng)設(shè)置水冷夾套以延長填料壽命。

為了使高溫熔鹽液下泵能夠正常工作，熔鹽泵的出液管路重量絕對不能作用在泵體上，這就要求熔鹽液下泵應(yīng)有專門的支承鋼架，否則會出現(xiàn)熔鹽泵出液管破裂的現(xiàn)象。這是因為，如果熔鹽液下泵沒有專門的支承鋼架，就會導(dǎo)致作用力不能完全作用在熔鹽泵上，從而會產(chǎn)生額外的壓力，這些壓力有可能導(dǎo)致熔鹽泵的泵軸和電機軸不對中，進而引起出液管、定子變形和應(yīng)力過大，發(fā)生破裂，最終導(dǎo)致熔鹽液下泵的壽命縮短。因此，為了保證熔鹽液下泵的安全可靠運行，在結(jié)構(gòu)型式設(shè)計時，熔鹽液下泵必須設(shè)有專門的支承鋼架，同時在設(shè)計中還應(yīng)考慮出液管重量的支撐方式和熱膨脹的消除方法。

2 熔鹽蓄熱儲能的光熱發(fā)電站設(shè)計

2.1 國外光熱發(fā)電站

2007年，西班牙Andasol建造了50 MW的光熱電站，采用熔融鹽作為蓄熱載體，包含一個由35000 t熔鹽組成的熱能存儲系統(tǒng)，可儲熱7.5 h發(fā)電量，這將使該太陽能發(fā)電站可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。

2012年，美國加州Ivanpah建造了392 MW的塔式光熱電站，最高工作溫度為550℃，采用干式冷卻方式，年度轉(zhuǎn)化效率為18%，年發(fā)電量為1079 GW·h，建造成本為3.4美元/瓦，合同電價為0.11美元/千瓦時。

2013年，美國亞利桑那州Solana建造了280 MW的槽式光熱電站，可儲熱6 h發(fā)電量，最高工作溫度為371℃，采用濕式冷卻方式，年度轉(zhuǎn)化效率為15%，年發(fā)電量約為903 GW·h，建造成本約為3.57美元/瓦，合同電價為0.14美元/千瓦時。

2011年，美國Mojave Solar的250 MW槽式光熱電站、Genesis Solar的250 MW槽式光熱電站、Crescent Dunes的110 MW塔式光熱電站等也建造完成。隨著熔鹽蓄熱儲能技術(shù)的不斷進步，未來的光熱電站將會具有巨大的市場潛力。

2.2 熔鹽貯罐的設(shè)計分析

熔鹽貯罐分為冷熔鹽貯罐和熱熔鹽貯罐，其內(nèi)徑和高度的大小取決于熔鹽存儲容量，貯罐壁厚的計算采用薄壁圓筒的壁厚計算公式。另外，在設(shè)計貯罐壁厚時，還要考慮地震力、風(fēng)壓力等短時期荷載的影響，即因地震而造成壁板的失穩(wěn)、因風(fēng)壓而造成壁板的局部失穩(wěn)，故在防止對策的設(shè)計上，采用在貯罐外周設(shè)置安裝加強圈或增加壁板厚度的方法。貯罐壁板采用雙面對接焊，縱向接頭采用全焊透型式，圓筒形立式貯罐的頂部包邊角鋼規(guī)格，要根據(jù)貯罐的內(nèi)徑大小來確定。

熔鹽貯罐的罐頂通常采用圓錐頂，當貯罐內(nèi)徑小于10 m時，采用以頂板本身支承整個罐頂?shù)闹С惺綀A錐頂，頂板的排列方式則根據(jù)罐頂坡度和貯罐內(nèi)徑來確定，一般是對應(yīng)任意的直徑平行排列；但當坡度較大時，自支承式圓錐頂應(yīng)按射線方式排列。當熔鹽貯罐內(nèi)徑大于10 m、但小于30 m時，采用有柱式圓錐頂；在強度計算中，柱應(yīng)按梁的彎曲理論來設(shè)計，使之能充分承受罐頂自重的靜載荷、附加的動載荷與積雪偏心載荷，并具有足夠的穩(wěn)定性；另外，為了防止頂板支承構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)，需要采用拉桿將最外圈支柱互相連接。當熔鹽貯罐內(nèi)徑大于30 m時，采用桁架式圓錐頂；在強度計算中，梁應(yīng)按梁的彎曲理論來設(shè)計，使之能充分承受罐頂自重的靜載荷、附加的動載荷與積雪偏心載荷，并具有足夠的穩(wěn)定性；而對于桁架各構(gòu)件的材料，應(yīng)根據(jù)受力情況，計算出作用于該構(gòu)件材料的力后再進行設(shè)計；另外，為了防止因橫向載荷的作用而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，需要采取裝入斜撐等措施，而且頂角的設(shè)計必須能充分承受來自桁架的載荷。

通常為了防止熔鹽的熱量損失，需要采用保溫材料對熔鹽貯罐進行隔熱保溫。首先，應(yīng)根據(jù)外部環(huán)境氣溫和貯存熔鹽溫度之間的差值，以及所采用的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，計算出保溫材料的厚度。熔鹽貯罐所采用的保溫材料，由硅酸鋁纖維保溫材料和石棉保溫材料疊加組合而成，對于熔鹽貯罐的側(cè)壁，要用類似于罐壁徑向形狀的保溫板或保溫氈，沿著貯罐外壁的曲面進行保溫。對于直徑較小的貯罐，保溫層要用鍍鋅鐵絲網(wǎng)和Y型錨釘進行固定；對于直徑較大的貯罐，保溫層要用鍍鋅鐵絲網(wǎng)和支承環(huán)鋼帶進行固定。最后，采用鍍鋅鐵皮或彩色薄鋼板作為貯罐的外防護層。

2.3 熔鹽電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計分析

光熱發(fā)電站中通常采用NaNO3和KNO3組成的二元混合熔鹽，其熔點為221℃，當溫度低于熔點時，熔鹽就會發(fā)生凝固，而凝固的熔鹽將堵塞管道系統(tǒng)，并造成整個發(fā)電站系統(tǒng)停運。另外，熔鹽管道或熔鹽貯罐中的熔鹽凝固后，其內(nèi)部壓力將變小，而在外界大氣壓作用下，將可能使熔鹽貯罐因受外壓而損壞。所以，熔鹽的溫度應(yīng)當維持在270℃以上，光熱發(fā)電站正常運行時，將270℃的熔鹽加熱至565℃，再通過熔鹽蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，推動蒸汽渦輪發(fā)電機發(fā)電。為了保證熔鹽能夠長期處于270℃以上的熔融狀態(tài)，光熱發(fā)電站應(yīng)當采用伴熱系統(tǒng)對熔鹽進行保溫。通常，電伴熱系統(tǒng)裝置的成本較低，蒸汽伴熱系統(tǒng)裝置的成本較高，而熱風(fēng)伴熱系統(tǒng)裝置的成本居中。電伴熱系統(tǒng)設(shè)計選用的設(shè)備即為發(fā)熱電纜，發(fā)熱電纜以電力為能源，利用合金電阻絲進行通電發(fā)熱，通過與被保溫熔鹽進行熱交換來達到保溫的效果。在光熱發(fā)電站的設(shè)計開發(fā)中，應(yīng)根據(jù)熔鹽管道和熔鹽貯罐的位置及結(jié)構(gòu)，進行電伴熱系統(tǒng)裝置的設(shè)計，而設(shè)計的主要目標是以最小化的投資額和最小化的耗電量，來實現(xiàn)最優(yōu)化的熔鹽保溫效果。

電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計方案確定后，將開始在光熱發(fā)電站的熔鹽管道和熔鹽貯罐周圍鋪設(shè)發(fā)熱電纜，同時安裝集散控制系統(tǒng)（DCS），該系統(tǒng)與發(fā)熱電纜相互連接，以實現(xiàn)對各部位的溫度監(jiān)控，并配備相關(guān)的溫度檢測設(shè)備；當某處溫度降至設(shè)定的溫度點時，溫度檢測設(shè)備將發(fā)出信號，電伴熱系統(tǒng)會立刻啟動運行，對其進行加熱以保證熔鹽不會凝固。另外，采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)則可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體與遠程溫度檢測和控制，并可以與操作人員的移動電腦進行互聯(lián)，實現(xiàn)遠程操作，整個系統(tǒng)看起來就像是一個移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，方便隨時隨地對光熱發(fā)電站系統(tǒng)的溫度進行監(jiān)控和調(diào)整。

3 結(jié)語

將熔鹽蓄熱儲能循環(huán)技術(shù)應(yīng)用在光熱發(fā)電中，使太陽能熱發(fā)電站實現(xiàn)了24 h持續(xù)發(fā)電，從而使太陽能的利用不再受夜間乃至多云天氣的影響，由此，太陽能光熱發(fā)電就成為一種可控的優(yōu)質(zhì)綠色電力生產(chǎn)方式。目前，在熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的光熱電站設(shè)計上，采用了一些新的設(shè)計方法和設(shè)計理念，以優(yōu)化光熱電站的整體設(shè)計，提高光熱電站的工作溫度，進而提高發(fā)電效率，降低熔鹽用量，削減發(fā)電成本；同時，采用先進的熔鹽蓄熱儲能循環(huán)技術(shù)來降低光熱電站的投資成本，使光熱發(fā)電更加具有成本優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。

[1]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.太陽能光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā) [J].化工裝備技術(shù),2014,35(1): 11-14.

[2]汪琦,俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熔鹽過熱的研究[J].化工裝備技術(shù),2012,33(5):39-42.

[3]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(shù),2000,21(2):40-43.

Research and Development of Molten Salt Solar Thermal Power Generation Technology

Wang Qi Yu Hongxiao Zhang Huifen

The proportion of ternary mixed molten salt and binary mixed molten salt was introduced.The technological process of molten salt heat storage and energy storage system in solar thermal power generation was designed and developed.The materials of molten salt equipment and pipeline were introduced.The molten salt preheating melting process and the precautions of heat tracing during the process of starting and stopping of the molten salt circle system were summarized.The structure type and design of the high temperature molten salt submerged pump were analyzed.Finally,the design of molten salt storage tank in the solar thermal power station was analyzed and discussed.The design scheme of the electric heat tracing system to prevent molten salt solidification was discussed.The whole and remote temperature monitoring and control methods of the solar thermal power station were analyzed.

Solar thermal molten salt power generation;Thermal energy storage system;Molten salt submerged pump;Molten salt storage tank;Electric heating system;Temperature monitoring system

TM615

2016年2月

汪琦 男 1961年生 碩士 高級工程師 現(xiàn)從事熱載體加熱技術(shù)與新能源技術(shù)的研究設(shè)計開發(fā)工作