光熱發(fā)電廠中熔鹽儲(chǔ)罐電加熱器的設(shè)計(jì)選型

安榮朝

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266061）

隨著礦石資源儲(chǔ)量不斷減少和環(huán)境保護(hù)越來越被全世界廣泛重視，新能源的開發(fā)利用迎來了爆發(fā)的窗口期。太陽能作為一種清潔的可再生能源，是未來社會(huì)的主要理想能源之一，在未來的能源戰(zhàn)略中占有極其重要的地位。而太陽能光熱發(fā)電是人類利用太陽能的又一個(gè)里程碑。

太陽能光熱發(fā)電，是指利用特制的聚光器捕獲并聚集太陽輻射，并將太陽輻射發(fā)送至吸熱器產(chǎn)生高溫?zé)崃黧w，然后驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)汽輪機(jī)來產(chǎn)生電能的一門高新技術(shù)。太陽能光熱發(fā)電憑借其可儲(chǔ)熱、可調(diào)峰、可連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為可再生能源領(lǐng)域研發(fā)和投資的熱點(diǎn)。

熔鹽蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)可以解決光熱發(fā)電中的能源存儲(chǔ)難題，太陽能光熱發(fā)電站蓄熱系統(tǒng)通常采用雙罐式設(shè)計(jì)，由冷、熱兩個(gè)蓄熱罐組成。蓄熱系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行，冷鹽罐內(nèi)的熔鹽經(jīng)過熔鹽泵被輸送到太陽能吸熱器內(nèi)，吸收太陽熱能升溫后進(jìn)入熱鹽罐，同時(shí)高溫熔鹽從熱鹽罐流經(jīng)蒸汽發(fā)生器，加熱給水產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)行發(fā)電。溫度降低后的熔鹽則流回冷鹽罐，如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，熔鹽儲(chǔ)罐進(jìn)入保溫模式，儲(chǔ)罐內(nèi)熔鹽因?yàn)楣薇诘纳釗p失而溫度逐漸降低，當(dāng)溫度低至熔鹽結(jié)晶溫度時(shí)，熔鹽將開始結(jié)晶凝固，如果不采取措施將導(dǎo)致系統(tǒng)無法再次啟動(dòng)或者可能對(duì)罐體、罐內(nèi)設(shè)備造成損傷。因此，為防止熔鹽凝固、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要對(duì)熔鹽罐內(nèi)熔鹽進(jìn)行加熱。通常，熱源來源于電力，通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能的方式來集熱熔鹽。

本文通過對(duì)不同類型的熔鹽罐電加熱器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，為類似項(xiàng)目的實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)外光熱電站普遍使用的熔鹽為二元熔鹽混合物（60% NaNO3和40% KNO3），其硝酸鹽的總濃度不應(yīng)小于99%。這種熔鹽混合物在238℃時(shí)開始結(jié)晶，并在221℃時(shí)凝固。

當(dāng)其他設(shè)備發(fā)生故障，整個(gè)裝置停運(yùn)時(shí)，熔鹽罐內(nèi)介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，罐體散熱過程中介質(zhì)溫度會(huì)不斷降低。熔鹽在到達(dá)一定溫度時(shí)會(huì)逐漸凝固，失去流動(dòng)性。為保證熔鹽罐內(nèi)熔鹽處于液相，停運(yùn)階段需要對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱。

熔鹽罐電加熱裝置常見的設(shè)計(jì)有三種方式：浸入式電加熱器、外置式電加熱器、電伴熱。下面將具體分析這三種加熱器形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 浸入式電加熱器

浸入式電加熱器由電熱元件、法蘭組合制成，適用于加熱大、中、小型容器，儲(chǔ)罐中的油、水和其他黏性液體，熔融材料及氣體。浸入式電加熱器是目前光熱電站中應(yīng)用最廣泛的熔鹽罐加熱形式。

2.1 原理、安裝方法和布置方式

浸入式電加熱器采用U型管狀電熱元件，依據(jù)加熱不同介質(zhì)的設(shè)計(jì)規(guī)范，按照功率配置要求裝配在法蘭蓋上，插入需加熱物料中，發(fā)熱元件工作時(shí)所發(fā)出的大量熱量傳導(dǎo)給被加熱介質(zhì)使介質(zhì)溫度升高，達(dá)到工藝要求所需要的溫度。當(dāng)介質(zhì)溫度達(dá)到工藝要求的設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器信號(hào)，經(jīng)PID運(yùn)算后調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，對(duì)發(fā)熱元件的電阻性負(fù)載實(shí)現(xiàn)溫度控制，使介質(zhì)溫度均勻，達(dá)到所需要求。當(dāng)發(fā)熱元件超溫時(shí)，發(fā)熱元件的聯(lián)鎖保護(hù)裝置立即切斷加熱電源避免發(fā)熱元件燒壞，延長(zhǎng)使用壽命。

浸入式電加熱器的安裝結(jié)構(gòu)包括套管和電加熱棒。套管平行于熔鹽罐底板設(shè)置，一端通過焊接固定在熔鹽罐罐壁上，位于熔鹽罐內(nèi)部的一端端口封閉，位于熔鹽罐外部的一端端口開口，開口位于所述熔鹽罐的保溫層內(nèi)。浸入式電加熱器從熔鹽罐罐壁外部插入所述套管內(nèi)后，位于保溫層內(nèi)的一端與套管的開口端口固定連接。將電加熱棒置于套管中，采樣輻射式電加熱器，套管在儲(chǔ)罐內(nèi)為封閉式，電加熱棒從儲(chǔ)罐罐壁外部插入套管內(nèi)，可輕松方便地更換電加熱棒，并且保證儲(chǔ)罐內(nèi)熔鹽不容易泄露。

設(shè)計(jì)冗余通常采用“N+1”的配置。浸入式電熱器通常設(shè)計(jì)為8組，均勻布置在熔鹽罐底部。在電加熱器運(yùn)行時(shí)，通常開啟熔鹽泵再循環(huán)，熔鹽通過熔鹽泵再循環(huán)管道經(jīng)由熔鹽罐底部分配環(huán)返回到熔鹽罐內(nèi)從而達(dá)到均勻加熱熔鹽罐內(nèi)熔鹽的目的。浸入式電加熱器的布置方式和外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 浸入式電加熱器的布置方式和外形結(jié)構(gòu)

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)

浸入式電加熱器是一種相對(duì)成熟的設(shè)計(jì)，主要優(yōu)點(diǎn)如下：體積小、加熱功率大；加熱系統(tǒng)可以全自動(dòng)化控制，包括通過DCS系統(tǒng)對(duì)電加熱系統(tǒng)進(jìn)行控制；加熱溫度高；可在各種場(chǎng)合對(duì)各種介質(zhì)進(jìn)行加熱，如防爆場(chǎng)合等；使用壽命長(zhǎng)，具有多重的保護(hù)系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠；檢修更換比較方便。

2.2.2 缺點(diǎn)

該加熱方法需要在罐壁底部焊接接管，大容量高溫儲(chǔ)罐罐壁底部應(yīng)力大，接管焊縫位置容易產(chǎn)生泄漏。儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏，整個(gè)維修成本和停運(yùn)造成的損失非常大。特別是對(duì)于發(fā)電容量為50 MW、100 MW以及更大容量的太陽能熔鹽熱發(fā)電系統(tǒng)，儲(chǔ)罐直徑超過50 m，如果要保證加熱均勻就要求電加熱原件設(shè)計(jì)足夠的長(zhǎng)度，對(duì)加熱元件的加工制造提出很大挑戰(zhàn)。另外，由于空氣中易燒壞、在罐內(nèi)離散分布導(dǎo)致加熱能量分布不均等原因，浸入式電加熱器無法承擔(dān)儲(chǔ)罐預(yù)熱功能，儲(chǔ)罐需要另設(shè)預(yù)熱系統(tǒng)，從而增加儲(chǔ)熱系統(tǒng)建設(shè)成本。

3 外置式電加熱器

熔鹽泄露是光熱電站運(yùn)行的最大風(fēng)險(xiǎn)，考慮到浸入式電加熱器對(duì)熔鹽罐罐壁強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)工程師更青睞電加熱器外置的設(shè)計(jì)方式。尤其是2016年美國(guó)的星月沙丘光熱電站發(fā)生熔鹽罐泄露事故后，停機(jī)處理耗時(shí)8個(gè)月，SolarReserve公司損失巨大。這種外置式電加熱器再次引起人們的熱議，成為優(yōu)先考慮采用的一種加熱方式。

3.1 原理、組成和布置方式

外置式電加熱器采用一備一用配置，布置在熔鹽泵平臺(tái)位置。外置式熔鹽電加熱器原理同管式電加熱器，管式加熱器由本體和控制系統(tǒng)兩部分組成，發(fā)熱元件采用不銹鋼鋼管做保護(hù)套管，高溫電阻合金絲、結(jié)晶氧化鎂粉經(jīng)壓縮工藝成型，控制部分采用先進(jìn)的數(shù)字電路，集成電路觸發(fā)器、高反壓可控硅等組成可調(diào)測(cè)溫、恒溫系統(tǒng)，保證了電加熱器的正常運(yùn)行。

外置式電加熱器布置在熔鹽泵的再循環(huán)管路上，這樣就可以利用現(xiàn)有的設(shè)備來解決加熱熔鹽的動(dòng)力問題，避免增加額外的設(shè)備，節(jié)約了投資成本。由于在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)外置式電加熱器不投入使用，因此需要在外置式電加熱器外部設(shè)置電伴熱。外置式電加熱器的布置方式和外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 外置式電加熱器的布置方式和外形結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.1 優(yōu)點(diǎn)

外置式電加熱器避免了在罐壁底部開孔，降低儲(chǔ)罐泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高了運(yùn)行的可靠性。運(yùn)行維護(hù)方便。

3.2.2 缺點(diǎn)

外置式電加熱器布置在熔鹽泵平臺(tái)上，在熔鹽泵平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮外置式電加熱器的外形尺寸和荷載。熔鹽加熱過程中需要同步開啟熔鹽泵，增加了額外的離線電耗。外置式電加熱器無法承擔(dān)儲(chǔ)罐預(yù)熱功能，儲(chǔ)罐需要另設(shè)預(yù)熱系統(tǒng)，從而增加儲(chǔ)熱系統(tǒng)建設(shè)成本。

4 電伴熱

4.1 伴熱系統(tǒng)的形式和組成

伴熱系統(tǒng)通常有三種形式，即電伴熱、蒸汽伴熱和熱風(fēng)伴熱。通常，電伴熱系統(tǒng)裝置的成本比較低，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，因此光熱電站普遍采用電伴熱方式來加熱設(shè)備、管道、熔鹽。電伴熱系統(tǒng)的原理比較簡(jiǎn)單，其主要采用的設(shè)備即為發(fā)熱電纜，發(fā)熱電纜是以電力為能源，利用合金電阻絲進(jìn)行通電發(fā)熱，與被保溫體進(jìn)行換熱來達(dá)到保溫的效果。

電伴熱系統(tǒng)由電伴熱線、伴熱線配件、配電箱、伴熱控制以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安裝附件組成。

4.2 電伴線結(jié)構(gòu)組成

4.2.1 金屬護(hù)套

電伴熱帶外護(hù)套材料一般為不銹鋼或鎳基材料，該材料有很好的耐腐蝕性，能抗點(diǎn)蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕、酸性腐蝕，可以長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于高溫工作環(huán)境。常規(guī)電伴熱外護(hù)套材質(zhì)由不銹鋼304、316、321和347等，較高級(jí)別的有不銹鋼310S、inconel600和inconel825等。由于大部分外護(hù)套材質(zhì)均是不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼質(zhì)量主要取決于材料本身成分及熱處理工藝對(duì)性能的提升。

4.2.2 絕緣層、電阻絲和冷端線

一般采用高度壓縮的氧化物為電阻絲提供絕緣，電壓可到600 V，完全封閉的護(hù)套保護(hù)氧化鎂避免受水汽污染，提高電伴熱的可靠性。面對(duì)不同材質(zhì)和規(guī)格的電阻絲，人們要根據(jù)電伴熱線輸出功率進(jìn)行選擇。非加熱段的伴熱帶導(dǎo)線從高溫的被伴熱設(shè)備引離到外面，根據(jù)保溫厚度及接線盒位置等因素確定冷端線長(zhǎng)度。

4.3 電伴熱加熱系統(tǒng)

電伴熱加熱系統(tǒng)是將熔鹽罐預(yù)熱和熔鹽加熱合二為一的一種新型加熱裝置。在罐底和罐壁上布置電伴熱，在機(jī)組停運(yùn)時(shí)通過電伴熱對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱。在首次注鹽預(yù)熱時(shí)，電伴熱加熱罐壁，通過儲(chǔ)罐外部循環(huán)風(fēng)機(jī)來冷卻罐壁，同時(shí)加熱空氣，利用加熱后的熱空氣來預(yù)熱罐頂和罐底。

4.4 電伴熱加熱裝置

電伴熱加熱裝置包括罐底和罐壁電伴熱及熱電偶、循環(huán)風(fēng)機(jī)、罐外風(fēng)道、空氣匯集管、固定式螺旋噴嘴和旋轉(zhuǎn)式噴嘴等。罐底和罐壁電伴熱分區(qū)布置并獨(dú)立控制，每個(gè)分區(qū)內(nèi)通過熱電偶控制溫度。在預(yù)熱前，開啟罐外循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過空氣匯集管和噴嘴使罐內(nèi)空氣循環(huán)起來。然后分區(qū)域啟動(dòng)部分電伴熱加熱罐體金屬，通過調(diào)整管內(nèi)空氣循環(huán)速度和電伴熱數(shù)量來控制罐壁溫升速度和不同部位溫差。最終將罐體金屬壁溫加熱到設(shè)計(jì)要求值。裝置停運(yùn)加熱熔鹽時(shí)，根據(jù)熔鹽液位開啟相應(yīng)高度范圍內(nèi)電伴熱來維持散熱和加熱熔鹽。

其中，罐壁電伴熱和罐底電伴熱分區(qū)布置并獨(dú)立控制，每個(gè)分區(qū)內(nèi)通過熱電偶控制溫度，電伴熱的布置方式如圖3所示?？紤]到一旦電伴熱線損壞，需要拆除保溫進(jìn)行維修更換，為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般采用2×100%或者3×50%冗余配置。

圖3 電伴熱的布置方式

4.5 優(yōu)缺點(diǎn)

4.5.1 優(yōu)點(diǎn)

這種方法避免了在罐壁底部開孔，降低了儲(chǔ)罐泄漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，預(yù)熱階段可以用來預(yù)熱熔鹽罐，不需要再額外配置大功率空氣加熱器，有效地降低投資成本，提高了儲(chǔ)罐預(yù)熱效率和運(yùn)行可靠性。循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)為可拆卸結(jié)構(gòu)，可重復(fù)利用。另外，采用礦物絕緣電伴熱線來進(jìn)行管道設(shè)備的加熱與伴熱，具有可靠性高、設(shè)計(jì)及布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

4.5.2 缺點(diǎn)

電伴熱系統(tǒng)加熱元器件被厚厚的保溫層包裹，檢修維護(hù)不方便。電伴熱是從外部加熱，容易導(dǎo)致加熱不均勻，尤其是對(duì)于較大直徑的熔鹽罐，這一點(diǎn)會(huì)更加突出。

5 結(jié)論

對(duì)比以上三種不同的加熱系統(tǒng)可知，浸入式電加熱器目前應(yīng)用較多，設(shè)計(jì)相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加熱均勻，檢修維護(hù)較方便。該加熱方法需要在罐壁底部焊接接管，接管部位應(yīng)力大，接管焊縫位置容易產(chǎn)生泄漏。外置式電加熱器避免了在罐壁底部開孔，降低儲(chǔ)罐泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高了運(yùn)行可靠性。在熔鹽泵平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，人們要充分考慮外置式電加熱器的布置，熔鹽加熱過程中需要同步開啟熔鹽泵，增加了額外的離線電耗。電伴熱的加熱方式避免了在罐壁底部開孔，降低儲(chǔ)罐泄漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，預(yù)熱階段也無需配置大功率空氣加熱器，提高了儲(chǔ)罐預(yù)熱效率和運(yùn)行可靠性，但是檢修維護(hù)不便，它適用于尺寸較小的熔鹽罐。

近年來，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保越來越重視，新能源市場(chǎng)迎來了極大的發(fā)展契機(jī)，國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電市場(chǎng)站在了快速發(fā)展的高速路上。國(guó)家能源局確定的第一批太陽能光熱發(fā)電示范項(xiàng)目正在如火如荼地建設(shè)，部分電站已經(jīng)發(fā)電投產(chǎn)，第二批太陽能光熱發(fā)電示范項(xiàng)目呼之欲出。熔鹽儲(chǔ)熱蓄熱系統(tǒng)憑借其優(yōu)勢(shì)逐步成為太陽能光熱電站的標(biāo)配，所以熔鹽罐的電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用也越發(fā)顯得重要。本文綜合比較了三種不同的電加熱系統(tǒng)，可為光熱發(fā)電廠熔鹽罐的電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型提供一定參考和借鑒。