熔鹽儲(chǔ)熱罐散熱試驗(yàn)研究

王鈺森，初泰青，王 智，龐開宇，馮兆興

（1.沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧沈陽 110136；2.遼寧中電投電站燃燒工程技術(shù)研究中心有限公司，遼寧沈陽 110179）

“十二五”規(guī)劃實(shí)施以來，我國先后在太陽能光熱技術(shù)領(lǐng)域、工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域、風(fēng)電消納以及電網(wǎng)調(diào)峰領(lǐng)域開展了儲(chǔ)熱技術(shù)的示范應(yīng)用研究工作。在可再生能源利用技術(shù)領(lǐng)域，儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用研發(fā)工作取得了明顯的進(jìn)展。太陽能熱發(fā)電站使用太陽能來產(chǎn)生電力，是一種非常有前景的發(fā)電方式，其最具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)點(diǎn)就是易于和儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合在一起，通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)，電站的發(fā)電過程可以擺脫太陽光不穩(wěn)定帶來的影響，更易于滿足電網(wǎng)的需求。目前，大部分光熱電站使用熔鹽顯熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在陽光充足的時(shí)候，熔鹽獲得熱量，溫度升高，儲(chǔ)存在高溫熔鹽罐中；當(dāng)陽光不足的時(shí)候，高溫熔鹽罐中的熔鹽提供能量，使電站持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)電，熔鹽溫度變低，流入低溫熔鹽罐中[1]。在儲(chǔ)熱系統(tǒng)之中，熔鹽儲(chǔ)罐是關(guān)鍵設(shè)備，研究熔鹽儲(chǔ)罐冷卻過程中的溫度分布及散熱機(jī)理有助于優(yōu)化儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)及其運(yùn)行調(diào)控。

1熔鹽雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理

儲(chǔ)能光熱電站的蓄熱系統(tǒng)大致分為單罐和雙罐兩種。其中，雙罐蓄熱系統(tǒng)中的冷罐和熱罐單獨(dú)放置，各個(gè)罐中鹽的溫度基本保持穩(wěn)定，不存在單罐系統(tǒng)的罐內(nèi)溫差，因而技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較低，是目前大規(guī)模儲(chǔ)能發(fā)電站比較常用的蓄熱方案。根據(jù)加熱場(chǎng)的熱量傳輸至蓄熱系統(tǒng)的方式，雙罐蓄熱系統(tǒng)又可以分為雙罐間接蓄熱系統(tǒng)和雙罐直接蓄熱系統(tǒng)[2]，如圖1和圖2所示。

間接蓄熱系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)和蓄熱介質(zhì)采用不同的物質(zhì)，需要換熱裝置來傳遞熱量。目前儲(chǔ)能電站主要采用導(dǎo)熱油或水蒸氣作為傳熱流體，采用熔融鹽作為蓄熱介質(zhì)。導(dǎo)熱油具有較低的凝固點(diǎn)，不存在凍結(jié)問題，加熱部分無需設(shè)置保溫設(shè)備，運(yùn)行安全可靠。然而，間接蓄熱系統(tǒng)中傳熱介質(zhì)與蓄熱介質(zhì)是相互隔離的，兩者之間的熱量交換需要使用換熱器完成，換熱時(shí)帶來不良換熱，影響電站的效率；同時(shí)其工作溫度規(guī)定在400℃以下，這也限制了朗肯循環(huán)效率的提高[3]。

圖1雙罐間接儲(chǔ)熱系統(tǒng)

圖2雙罐直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)

相對(duì)于間接蓄熱系統(tǒng)，直接蓄熱系統(tǒng)可以有效地解決間接蓄熱系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)。直接蓄熱系統(tǒng)常采用熔融鹽作為傳熱和蓄熱介質(zhì)，蓄熱過程不需要換熱裝置，不存在油—鹽換熱器，適用于400℃～500℃的高溫工況，從而使朗肯循環(huán)的發(fā)電效率達(dá)到40%[4]。中控德令哈10 MW塔式熔融鹽太陽能熱發(fā)電站項(xiàng)目是以二元硝酸鹽作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)的雙罐直接蓄熱項(xiàng)目，也是繼西班牙Gemasolar、美國Crescent Dunes之后全球第3座商業(yè)化運(yùn)行的熔融鹽塔式電站。

試驗(yàn)臺(tái)采用雙罐直接蓄熱系統(tǒng)，熔鹽加熱（儲(chǔ)熱）流程：初熔爐→熔鹽冷罐→熔鹽加熱器→熔鹽熱罐。熔鹽換熱（放熱）流程：熔鹽熱罐→蒸汽過熱器→水蒸發(fā)器→再熱器→熔鹽冷罐。熔鹽流程及試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景如圖3和圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行太陽能光熱發(fā)電熔鹽儲(chǔ)熱模擬試驗(yàn)，該項(xiàng)目采用電加熱器及功率控制裝置模擬供能變化。

圖3熔鹽儲(chǔ)熱試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程

圖4試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景

2儲(chǔ)熱介質(zhì)及熔鹽儲(chǔ)熱罐設(shè)計(jì)

2.1熔鹽

熔融鹽簡(jiǎn)稱熔鹽，是鹽的熔融態(tài)液體，通常說的熔鹽指無機(jī)鹽的熔融體，也包含氧化物熔體和有機(jī)物的熔融體。研究較多的中高溫傳蓄熱熔鹽有硝酸熔鹽、氯化物熔鹽、氟化物熔鹽、碳酸熔鹽、硫酸熔鹽[5]。硝酸熔鹽一般由堿金屬或堿土金屬與硝酸鹽組成，主要有NaNO3、KNO3、NaNO2、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、LiNO3等組成，具有熔點(diǎn)低、比熱容大、熱穩(wěn)定性好、腐蝕性低等優(yōu)點(diǎn)。目前比較成熟的傳蓄熱硝酸熔鹽是二元硝酸鹽（60%NaNO3+40%KNO3）和三元硝酸鹽（53%KNO3+7%NaNO3+40%Na-NO2），其熱物理性質(zhì)如表1所示。

熔鹽初融有兩種方式，第一種是加水溶化，第二種是直接加熱融化，直接加熱可采用火焰加熱或電加熱。試驗(yàn)臺(tái)熔鹽初融過程采用了電加熱器加熱粉狀固態(tài)熔鹽的方法。因熔鹽用量不大，采用人工方式向初融爐內(nèi)加鹽，加入細(xì)顆粒狀熔鹽后開啟電加 熱器，將液態(tài)熔鹽以自流方式儲(chǔ)存在熔鹽儲(chǔ)熱罐。

表1硝酸熔鹽的熱物性表

試驗(yàn)臺(tái)使用了三元硝酸鹽，NaNO3、NaNO2、KNO3按質(zhì)量比為7∶40∶53混配而成，在現(xiàn)場(chǎng)混配后加入初融設(shè)備，利用攪拌器使其混合均勻，電加熱器加熱熔融后送入熔鹽儲(chǔ)罐儲(chǔ)存?；旌消}的熔點(diǎn)為142℃，固體時(shí)為白色粉末，融化后呈淺黃色液體，三元鹽在高于450℃時(shí)劣化嚴(yán)重，主要因?yàn)閬喯跛猁}熱分解、氧化，使亞硝酸鹽組分含量降低。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中要嚴(yán)格控制混合鹽的溫度，當(dāng)三元鹽中的亞硝酸鹽含量降低后，引起三元鹽的熔點(diǎn)上升，在160℃～180℃就可能發(fā)生凝固。使用的過程中應(yīng)對(duì)其成分、熔點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)熔鹽性能的變化并及時(shí)更換不合格的熔鹽，或者部分更換并添加某種組分。作為儲(chǔ)熱熔鹽，一般規(guī)定最低使用溫度比其熔點(diǎn)高50℃～100℃，最高使用溫度比分解溫度低50℃～100℃，以保證熔鹽在設(shè)備和管道中不凝固，確保系統(tǒng)安全。在熔鹽管路的某處發(fā)生凍堵時(shí)，如果不進(jìn)行處理，將會(huì)蔓延到整個(gè)熔鹽管路，造成設(shè)備管路報(bào)廢，損失巨大。為了維持熔鹽的最低工作溫度，必然額外提供能源。如果能夠使用某種方法，降低熔鹽的凝固溫度，提高分解溫度，使熔鹽的使用溫度范圍增大，將會(huì)節(jié)約大量的能源。為此，很多科研機(jī)構(gòu)將目光投向熔鹽配方的改進(jìn)，以期降低其熔點(diǎn)。改進(jìn)的配方是在原有的二元鹽和三元鹽基礎(chǔ)上添加其他品種的硝酸鹽、亞硝酸鹽而成，由原來的二元鹽、三元鹽體系變?yōu)槎嘣}體系，使得其凝固溫度降低，劣化溫度提高，擴(kuò)大其使用溫度范圍。依據(jù)穩(wěn)定性、熔點(diǎn)、易得性、價(jià)格、安全性和液態(tài)溫度范圍等數(shù)據(jù)，對(duì)可能添加的鹽進(jìn)行篩選后認(rèn)為，重點(diǎn)仍然是堿金屬、堿土金屬的硝酸鹽、亞硝酸鹽。改進(jìn)配方的成果表明，LiNO3、Ca(NO3)2和 Mg(NO3)2的加入可以顯著降低熔鹽的熔點(diǎn)，同時(shí)Ca(NO3)2、Mg(NO3)2的使用降低了熔鹽的使用成本，LiNO3的加入提高了熔鹽的熱穩(wěn)定性，也提高了熔鹽的應(yīng)用成本。

2.2熔鹽儲(chǔ)熱罐設(shè)計(jì)和保溫材料分析比較

圓筒形熔鹽儲(chǔ)熱罐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題包括儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)、鋼材選擇、設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計(jì)等。大型熔鹽儲(chǔ)熱罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，設(shè)計(jì)失誤極容易使設(shè)備基礎(chǔ)沉降，從而導(dǎo)致熔鹽泄露事故。試驗(yàn)臺(tái)的罐體基礎(chǔ)由200 mm細(xì)砂找平層、20 mm鋼板承重層和300 mm耐火混凝土澆筑隔熱臺(tái)構(gòu)成。細(xì)砂找平層和承重鋼板層的尺寸為10 m×15 m，鋪滿整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)區(qū)域。耐火材料澆筑圓臺(tái)直徑為1 700 mm，與罐體直徑相同，圓形臺(tái)高度為300 mm。經(jīng)過實(shí)踐證明，設(shè)備基礎(chǔ)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

熔鹽儲(chǔ)熱罐本體設(shè)計(jì)難度相對(duì)于熔鹽儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度較小，試驗(yàn)臺(tái)熔鹽儲(chǔ)熱罐的材料選擇了奧氏體不銹鋼，材質(zhì)為022Cr17Ni12Mo2（316不銹鋼）。熔鹽儲(chǔ)熱罐設(shè)計(jì)為立式平蓋常壓圓筒形，直徑為1.7 m，高度為1.7 m，材料為奧氏體不銹鋼，上平蓋有槽鋼制井字型加強(qiáng)，加強(qiáng)筋在罐外；罐底部為圓錐臺(tái)形，錐臺(tái)設(shè)置4個(gè)支腿，支腿底板支撐在耐火材料基礎(chǔ)上，并且支腿底板與耐火材料基礎(chǔ)固定，以防止儲(chǔ)罐搖晃。儲(chǔ)熱罐的實(shí)景如圖5所示。

圖5熔鹽儲(chǔ)熱罐

圓筒形儲(chǔ)熱罐的高徑比，即儲(chǔ)罐的高度與直徑的比值，涉及到設(shè)備強(qiáng)度、設(shè)備初投資、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等，還受到風(fēng)雪載荷、地震載荷的制約和限制。當(dāng)高徑比小于1時(shí)，儲(chǔ)罐是矮胖形，占地面積大，經(jīng)濟(jì)性差；當(dāng)高徑比等于1時(shí)，在容積不變的情況下，儲(chǔ)罐所用的鋼材最少；高徑比大于1時(shí)，儲(chǔ)罐是細(xì)高形，因受到風(fēng)雪、地震等載荷限制，不能過大。一般工程儲(chǔ)罐的高徑比小于1.65。

當(dāng)熔鹽儲(chǔ)熱罐內(nèi)的溫度在200℃以上時(shí)，如不采取保溫措施，會(huì)造成大量熱損失。因此，對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱罐做好保溫具有重要意義。試驗(yàn)臺(tái)首次進(jìn)行換熱試驗(yàn)選用的是30 mm厚的硅酸鹽保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱罐的保溫。但在使用中仍存在一些無法解決的問題，如容易吸水的特性，吸水后的保溫層不但降低了保溫效果，而且會(huì)對(duì)罐體造成腐蝕；保溫材料要拼裝施工，存在接縫多、影響美觀、防水性差、使用壽命短等缺點(diǎn)。

為了減少熔鹽儲(chǔ)熱罐向外界散失的熱量以提高熔鹽系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，保溫材料更換為新型太空隔熱涂料，主要由特種陶瓷微珠、惰性乳膠和二氧化鈦組成，具有良好的隔熱、防腐作用，可以有效地阻止熱量傳導(dǎo)，隔熱保溫效率可達(dá)90%左右；涂料中添加的顏填料具有很高的耐酸堿性，可起到防腐作用［6］。

2.3儲(chǔ)熱罐內(nèi)熔鹽溫降記錄

將5 t固態(tài)三元混合鹽投放進(jìn)入熔鹽初融爐中，采用電加熱器進(jìn)行加熱。在整個(gè)加熱過程中，熔鹽溫度未超過450℃。當(dāng)熔鹽溫度達(dá)到410℃時(shí)，開始將初融爐內(nèi)的液態(tài)鹽分階段轉(zhuǎn)入熔鹽儲(chǔ)罐，轉(zhuǎn)入時(shí)間為25 h。熔鹽進(jìn)入儲(chǔ)罐后，關(guān)閉加熱器，冷熔鹽罐液位為930 mm（3.5 t），此時(shí)冷儲(chǔ)熱罐內(nèi)熔鹽的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為370℃，熱熔鹽儲(chǔ)熱罐液位為350 mm（1.5 t），此時(shí)儲(chǔ)熱罐內(nèi)熔鹽的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為350℃。記錄熔鹽溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)及當(dāng)日天氣。在自然冷卻情況下，第一次連續(xù)記錄冷罐的熔鹽溫度變化如表2所示，熔鹽溫度為熔鹽儲(chǔ)熱罐中3個(gè)熔鹽測(cè)點(diǎn)每日24：00的平均溫度。其中，5月29日的熔鹽溫度為當(dāng)日6：00的溫度，此時(shí)已經(jīng)接近安全使用溫度，啟動(dòng)熔鹽加熱器對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱。熔鹽的自然冷卻時(shí)間為5月26日12時(shí)至5月29日6時(shí)，自然冷卻時(shí)間為90 h。第二次連續(xù)記錄冷罐的熔鹽溫度變化如表3所示，熔鹽溫度為熔鹽儲(chǔ)熱罐中3個(gè)熔鹽測(cè)點(diǎn)每日24：00的平均溫度。自然冷卻時(shí)間為90 h。

表2熔鹽溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)

3結(jié)論

通過利用熔鹽儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同保溫材料自然冷卻的條件下，對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱罐內(nèi)的熔鹽溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，得出了以下結(jié)論：

1）經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，熔鹽儲(chǔ)熱罐日平均溫度降低8.6℃。熔鹽溫降主要發(fā)生在夜間，而且與當(dāng)日的天氣有一定關(guān)系：當(dāng)天氣情況為低溫大風(fēng)時(shí)，熔鹽罐內(nèi)熔鹽熱損失較大，溫度降低較多；當(dāng)天氣晴朗無風(fēng)、氣溫稍暖時(shí)，熔鹽溫降較少。

2）熔鹽在自然冷卻條件下需要耗費(fèi)大量電能維持其不發(fā)生凝固的最低溫度。在不同液位下，太空隔熱涂料具有良好的隔熱保溫性能，經(jīng)濟(jì)效益好，避免了因固體保溫材料吸水造成的保溫效果下降和外壁腐蝕等問題。

3）5 t熔鹽加熱至460℃時(shí)送入熔鹽儲(chǔ)熱罐，自然冷卻4 d后，溫度降至293℃。保證熔鹽不發(fā)生凝固的最長(zhǎng)間隔時(shí)間為4.8 d。

4）相同條件下，熔鹽液位越高，熔鹽發(fā)生凝固所需的時(shí)間越長(zhǎng)；熔鹽液位越低，所需凝固時(shí)間越短。