光熱電站熔鹽傳熱儲熱技術(shù)應(yīng)用

王鵬，羅塵丁，巨星

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)新能源有限公司，北京 100120；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

光熱電站熔鹽傳熱儲熱技術(shù)應(yīng)用

王鵬1，羅塵丁1，巨星2

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)新能源有限公司，北京 100120；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

綜述了當(dāng)前國內(nèi)外熔鹽工質(zhì)的研發(fā)進(jìn)展，包括熔鹽的熱物性改進(jìn)需求，熔鹽配制發(fā)展過程及趨勢等。分析歸納熔鹽傳熱儲熱技術(shù)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，探討不同集熱形式、不同工質(zhì)下的儲熱、放熱流程，熔鹽的組分、熱鹽需達(dá)到的溫度等，熔鹽工質(zhì)在不同類型光熱電站系統(tǒng)中具備不同的運行方式。

熔鹽；光熱發(fā)電；儲熱；傳熱。

光熱電站的儲熱發(fā)電能力使其具備極大的發(fā)展?jié)摿?，有望兼顧基荷、調(diào)峰功能。在光熱發(fā)電系統(tǒng)中，熔鹽工質(zhì)得以廣泛應(yīng)用：不僅被視作較理想的儲熱工質(zhì)，還被用作吸熱工質(zhì)，應(yīng)用于塔式電站集熱系統(tǒng)，甚至在某些槽式電站集熱系統(tǒng)中，低溫熔鹽正逐步被用來嘗試取代傳統(tǒng)導(dǎo)熱油工質(zhì)。熔鹽傳熱儲熱技術(shù)已成為光熱發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點。本文基于國內(nèi)外研究文獻(xiàn)資料，總結(jié)概述了當(dāng)前國內(nèi)外熔鹽工質(zhì)的研發(fā)進(jìn)展，分析歸納熔鹽傳熱儲熱技術(shù)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，同時探討了熔鹽儲熱系統(tǒng)容量配置的分析模型。

1 熔鹽種類及特點

熔鹽是無機鹽在高溫下熔化形成的液態(tài)鹽，是一種不含水的高溫液體，主要特征是熔化時解離為離子，正負(fù)離子靠庫侖力相互作用，可用作高溫下傳熱儲熱介質(zhì)。常見的熔鹽按陰離子不同可劃分為硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、碳酸鹽或者混合熔鹽等；按主要組成成分的種類數(shù)量可分為二元鹽、三元鹽或者多元鹽等。

光熱電站中，相比導(dǎo)熱油工質(zhì)，熔鹽具有以下優(yōu)點：① 液體溫度范圍寬。如二元混合硝酸鹽，其液體溫度范圍為240～565℃，三元混合碳酸鹽其液體溫度范圍450～850℃。②飽和蒸汽壓低。熔鹽具有較低飽和蒸汽壓，特別是混合熔鹽，飽和蒸汽壓更低，接近常壓，保證了高溫下熔鹽設(shè)備的安全性。③ 密度大。液態(tài)熔鹽的密度一般是水的2倍。④黏度較低。⑤具有化學(xué)穩(wěn)定性。⑥ 價格較低。高溫導(dǎo)熱油價格30000～50000元/t，常用混合熔鹽的價格一般小于10000元/t(中廣核德令哈50 MW光熱項目，40%kNO3∶60%NaNO3二元熔鹽采購單價為3386元/t)。但熔鹽在實際應(yīng)用中也存在著諸多缺點：熔點較高、導(dǎo)熱性能較差、腐蝕性較突出等。如碳酸鹽液態(tài)時黏度大且易分解，氯化鹽對容器的腐蝕性較強，硝酸鹽熔解熱較小、熱導(dǎo)率較低。在長時間雨雪天氣等特殊環(huán)境下，熔鹽極易在設(shè)備、管道中凝固堵管。

3 熔鹽研發(fā)

單一組分的熔鹽熔點較高，熱穩(wěn)定性較差，無法滿足各領(lǐng)域?qū)Ω邷貍鳠醿岬囊?。不同熔鹽混合后，可形成共晶的混合熔鹽具有較低的熔點和較高的分解溫度，故國內(nèi)外研究人員常采用同類酸根離子鹽之間混合的方式，將常見的硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽等按照不同組分、比例混合，以配制滿足熱物性要求的混合熔鹽。但由于配制共晶混合熔鹽尚無統(tǒng)一理論指導(dǎo)，故實際工作主要依據(jù)對熔鹽熱物性進(jìn)行準(zhǔn)確測量、推算，建立熱物性數(shù)據(jù)庫及預(yù)測計算方法，最終篩選出性能優(yōu)良的熔鹽配方。

工業(yè)應(yīng)用中常見的三元熔鹽、二元熔鹽熱物性參數(shù)見表1。世界上商業(yè)化運行的光熱電站大規(guī)模使用二元熔鹽Ⅰ(Solar Salt)。該熔鹽熔點約為220℃，最高使用溫度約為565℃，價格低、穩(wěn)定性好，在光熱發(fā)電早期就已受到重視并用于實驗和示范項目，如1996年建成的美國加州Solar Two塔式電站等。對Solar Salt有關(guān)性能，如流動特性、液態(tài)溫度范圍、比熱容和腐蝕性等的實驗研究和分析已較為深入。目前，Solar Salt在商業(yè)化電站中得到了廣泛應(yīng)用，如西班牙的Andasol，Arcosol 50和Arenales等光熱電站。Solar Salt的缺點主要是熔點較高，必須采取電伴熱和保溫防止熔鹽在儲熱系統(tǒng)和管道內(nèi)凝固，使得系統(tǒng)運行和維護(hù)成本提高。三元熔鹽，如Hitec(見表1)、HitecXL(48%Ca(N O3)2∶45%KNO3∶7%NaNO3)等，相對于Solar Salt熔點明顯降低至150℃以下，系統(tǒng)運行更為安全并減少了啟動停機過程的能耗和運行維護(hù)成本。但低熔點熔鹽價格較高，在溫度過高或與空氣接觸情況下易產(chǎn)生分解、沸騰、氧化等問題，目前還未進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段。使用低熔點熔融鹽的電站包括意大利Eurelios塔式光熱電站，西班牙CESA-1，和法國的THEMIS塔式實驗系統(tǒng)等。

表1 常見混合熔鹽熱物性參數(shù)

當(dāng)前熔鹽配制的發(fā)展趨勢是通過加入添加劑，降低熔鹽熔點，提高熔鹽最高使用溫度、比熱容，增大儲能密度，減弱腐蝕性。早在2009年，Sandia National Laboratory的Bradshaw等研究者開發(fā)的新型混合硝酸鹽，熔點即降到100℃以下。Raade等開發(fā)的新型五元混合硝酸鹽熔點為65℃，最高使用溫度為500℃。國內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)馬重芳教授、吳玉庭教授等配制的熔點在100℃左右的低溫熔鹽，最高使用溫度超過600℃。Fernandez等開發(fā)的新型Ca(NO3)2- NaNO3- kNO3- LiNO3熔鹽降低了對鋼材料的腐蝕性，利用LiNO3提高了熔鹽熱穩(wěn)定性，利用Ca(NO3)2降低了熔鹽熔點、成本。近年來，Andreu-Cabedo等學(xué)者在二元SolarSalt熔鹽中加入納米SiO2顆粒，提高了熔鹽熱穩(wěn)定性與比熱容。Gimenez等在三元Hitec熔鹽中加入5%Na2CO3，將熔鹽上限使用溫度提高30～50℃，在二元硝酸鹽中加入NaCI，提髙了熔鹽熱穩(wěn)定性，但腐蝕性也有所增強。國內(nèi)愛能森公司在熔鹽中加入納米粒子(Nano)x，提高了熔鹽導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容，增大了熔鹽儲能密度。

3 熔鹽傳熱儲熱系統(tǒng)

3.1 塔式熔鹽傳熱儲熱系統(tǒng)

塔式光熱電站集熱器、儲熱系統(tǒng)都采用熔鹽作為工質(zhì)，系統(tǒng)流程示意圖見圖1。儲熱時：定日鏡將太陽輻射反射至吸熱器，低溫熔鹽(約290℃)吸熱后存儲于高溫熔鹽儲罐內(nèi)(約550℃)。冷鹽流量通過變頻低溫鹽泵控制，根據(jù)模擬量控制系統(tǒng)指令調(diào)節(jié)進(jìn)入熔鹽吸熱器熔鹽流量，將低溫熔鹽加熱至額定溫度高溫熔鹽，送至高溫儲罐保存。放熱時：啟動熱鹽泵，高溫熔鹽從熱罐進(jìn)入熔鹽蒸汽發(fā)生器，對水加熱后進(jìn)入冷罐。利用變頻泵控制熱鹽流量，以滿足熔鹽蒸汽發(fā)生器蒸汽出口參數(shù)要求。

圖1 塔式熔鹽傳熱儲熱電站系統(tǒng)流程示意圖

3.2 塔式水傳熱熔鹽儲熱系統(tǒng)

塔式光熱電站集熱器采用水工質(zhì)，儲熱系統(tǒng)采用熔鹽工質(zhì)，系統(tǒng)流程示意圖見圖2。與塔式熔鹽傳熱儲熱電站不同之處在于儲熱過程通過熔鹽-蒸汽換熱器進(jìn)行，冷鹽流量通過變頻低溫鹽泵控制，保證熔鹽-蒸汽換熱器熱側(cè)與冷側(cè)換熱溫差在所限范圍內(nèi)波動。

圖2 塔式水傳熱熔鹽儲熱電站系統(tǒng)流程示意圖

3.3 槽式導(dǎo)熱油傳熱熔鹽儲熱系統(tǒng)

槽式光熱電站集熱器采用導(dǎo)熱油工質(zhì)，儲熱系統(tǒng)采用熔鹽工質(zhì)，系統(tǒng)流程示意圖如圖3所示。儲熱時：集熱器將太陽輻射反射至真空管加熱導(dǎo)熱油，通過導(dǎo)熱油熔鹽換熱器，低溫熔鹽(約290℃)吸熱后存儲于高溫熔鹽儲罐內(nèi)(約390℃)。放熱時：啟動熱鹽泵，高溫熔鹽從熱罐進(jìn)入導(dǎo)熱油熔鹽換熱器，對導(dǎo)熱油加熱后進(jìn)入冷罐。被加熱的導(dǎo)熱油再進(jìn)入導(dǎo)熱油蒸汽發(fā)生器，加熱產(chǎn)生蒸汽滿足主蒸汽參數(shù)要求。

圖3 槽式導(dǎo)熱油傳熱熔鹽儲熱電站系統(tǒng)流程示意圖

3.4 槽式熔鹽傳熱儲熱系統(tǒng)

槽式光熱電站集熱器、儲熱系統(tǒng)都采用低溫熔鹽工質(zhì)，系統(tǒng)流程示意圖如圖4所示。與塔式熔鹽傳熱儲熱電站不同之處在于：① 鏡場采用拋物線槽式集熱器，而非定日鏡、集熱塔與集熱器組成；② 熔鹽采用低溫熔鹽，而非40%kNO3∶60%NaNO3二元熔鹽；③ 沿用槽式光熱電站熱力參數(shù)，低于塔式光熱電站，如高溫熔鹽僅需達(dá)到約390℃。

圖4 槽式熔鹽傳熱儲熱電站系統(tǒng)流程示意圖

常見熔鹽傳熱儲熱系統(tǒng)都是雙罐設(shè)置，某些學(xué)者對單罐熔鹽傳熱儲熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究：在一個儲罐內(nèi)利用冷熱熔鹽密度差自動分層，熱上冷下，構(gòu)建斜溫層，系統(tǒng)得以簡化。但儲熱和放熱過程需采用特殊熱分層裝置，以致罐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱效率較低、儲熱成本偏高，實際應(yīng)用很少。相較傳統(tǒng)水工質(zhì)熱力系統(tǒng)設(shè)計，熔鹽工質(zhì)特殊的熱物性使得熔鹽傳熱儲熱系統(tǒng)設(shè)計具有諸多新特點。

4 結(jié)論

本文介紹了熔鹽工質(zhì)的分類及特點，總結(jié)概述了國內(nèi)外熔鹽工質(zhì)的研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢：基于熔鹽的熱物性改進(jìn)需求，熔鹽配制從單組分發(fā)展到多組分，從同酸根離子鹽發(fā)展到添加納米顆粒。同時本文分析歸納了熔鹽傳熱儲熱技術(shù)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，熔鹽工質(zhì)在不同類型光熱電站系統(tǒng)中具備不同的運行方式。

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Application of Molten Salts for Heat Transfer and Storage Technique for Molten Salts in Concentrating Solar Power Plant

WANG Peng1, LUO Chen-ding1, JU Xing2
(1.New Energy Resources Co. LTD of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China; 2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Research and development of molten salts are summarized in this paper, including the improving requirements for the thermophysical properties of molten salts and the changes of preparation processes. And then the different molten-salt systems for heat transfer and storage are dicussed, especially for the temperature setting and various fow-path studying out. The research shows that there are corresponding distinctive molten-salt systems for kinds of concentrating solar power generation.

molten salt; concentrating solar power generation; thermal storage; heat transfer.

TM615

B

1671-9913(2017)02-0067-05

2016-10-28

王鵬(1974- )，男，吉林長春人，博士，高級工程師，從事新能源設(shè)計咨詢。