塔式熔鹽太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)

許利華，侯曉東，劉可亮

（杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310021）

我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，以煤炭、石油為主的化石燃料占比超過(guò)80%，由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題十分嚴(yán)峻。為了解決環(huán)境問(wèn)題，政府積極淘汰落后產(chǎn)能，不斷發(fā)展清潔能源技術(shù)。太陽(yáng)能光熱技術(shù)正是一種可替代常規(guī)化石燃料且環(huán)境友好的新能源技術(shù)。

光熱發(fā)電所需太陽(yáng)能資源評(píng)價(jià)采用法向直射輻射強(qiáng)度（direct normal irradiance，DNI）［1］。DNI＞1 600 kW·h·m-2·a-1（～4.4 kW·h·m-2·d-1）的地區(qū)建設(shè)太陽(yáng)能光熱電站具有經(jīng)濟(jì)效益；DNI＞1 800 kW·h·m-2·a-1（～5 kW·h·m-2·d-1）的地區(qū)具有良好的太陽(yáng)資源條件。我國(guó)DNI≥5 kW·h·m-2·d-1、坡度≤3%的太陽(yáng)能光熱發(fā)電可裝機(jī)潛力約16 000 GW，與美國(guó)接近，其中DNI≥7 kW·h·m-2·d-1的裝機(jī)潛力約1 400 GW。以年發(fā)電量來(lái)講，我國(guó)潛在太陽(yáng)能光熱發(fā)電潛力為42 000 TW·h·a-1［2］。

1 政策及示范項(xiàng)目

我國(guó)光熱資源雖然豐富，但相關(guān)研究起步較晚。為促進(jìn)光熱技術(shù)發(fā)展，政府公布的《中國(guó)可再生能源發(fā)展路線圖2050》［3］中明確了太陽(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展的路線圖。根據(jù)路線圖，按基本情景預(yù)測(cè)，2020 年光熱發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)500萬(wàn)kW，2030 年可達(dá)3 000 萬(wàn)kW，2050 年可達(dá)1.8 億kW［3］。在技術(shù)路線方面，2015—2020 年，主要是工程試點(diǎn)示范階段，積累系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)；2020—2030 年，進(jìn)入規(guī)模發(fā)展階段；2030 年以后，進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段［3］。

2016 年國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)核定全國(guó)統(tǒng)一的太陽(yáng)能熱發(fā)電（含4 h 以上儲(chǔ)熱功能）標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為1.15 元·（kW·h）-1，并且明確該電價(jià)僅適用于納入國(guó)家能源局2016 年組織實(shí)施的、且在2018 年底前全部投運(yùn)的示范項(xiàng)目［4］。同年，國(guó)家能源局又公布了首批20 個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，總裝機(jī)容量達(dá)134.9 萬(wàn)kW，包括9 個(gè)塔式電站、7 個(gè)槽式電站和4 個(gè)菲涅爾電站［5］。

根據(jù)示范項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度，2018 年國(guó)家能源局下發(fā)通知。該通知中明確建立電價(jià)退坡機(jī)制、內(nèi)容調(diào)整機(jī)制、項(xiàng)目退出機(jī)制和失信懲戒等制度［6］。截至2018 年底，共有3 大項(xiàng)目（合200 MW）建成并網(wǎng)，仍在建設(shè)的有350 MW，建設(shè)終止的有50 MW，尚未全面啟動(dòng)的有749 MW［7］。首批光熱示范項(xiàng)目整體進(jìn)度未及預(yù)期。

2 光熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

太陽(yáng)能光熱技術(shù)特指聚焦式光熱發(fā)電技術(shù)（concentrating solar power，CSP），即通過(guò)反射鏡將太陽(yáng)光匯集，直接或間接產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽，并推動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)做功發(fā)電。按聚焦方式的不同可分為碟式、槽式、線性菲涅爾和塔式光熱技術(shù)。

2.1 碟式光熱技術(shù)

圖1 為碟式光熱技術(shù)示意圖。該技術(shù)采用點(diǎn)聚焦方式，通過(guò)旋轉(zhuǎn)拋物面將太陽(yáng)光匯聚于一點(diǎn)。該技術(shù)具有聚光倍數(shù)高（可達(dá)3 000 以上）、聚光溫度高（750～1 500 ℃）的特點(diǎn)。通常采用斯特林機(jī)直接發(fā)電，具有較高發(fā)電效率（可達(dá)32%）［8］。

圖 1 碟式光熱技術(shù)Fig. 1 Disc-type solar thermal power generation technology

該技術(shù)單碟功率通常不大，可單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，具有壽命長(zhǎng)、綜合效率高、運(yùn)行靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。發(fā)電成本不依賴(lài)工程規(guī)模，適合邊遠(yuǎn)地區(qū)離網(wǎng)發(fā)電［9］。但該系統(tǒng)單機(jī)規(guī)模受到限制，規(guī)模化造價(jià)昂貴，儲(chǔ)能也有困難，目前基本處于研究試運(yùn)階段。

2.2 槽式光熱技術(shù)

圖2 為槽式光熱技術(shù)示意圖。該技術(shù)采用線聚焦方式，通過(guò)槽式拋物面把光線匯聚于焦線，焦線上的集熱管吸收太陽(yáng)能。槽式光熱技術(shù)聚光倍數(shù)通常小于100，集熱管內(nèi)工質(zhì)溫度一般不超過(guò)400 ℃，常用導(dǎo)熱油作為吸熱工質(zhì)［10］。

槽式光熱技術(shù)成熟，在國(guó)內(nèi)外已建成的光熱項(xiàng)目中數(shù)量最多。最著名的是美國(guó)加州SEGS 系列電站（共9 座，總?cè)萘?54 MW［11］）和美國(guó)Solana電站（280 MW，全球槽式單機(jī)容量最大電站［12］）。

圖 2 槽式光熱技術(shù)Fig. 2 Trough-type solar thermal power generation technology

圖 3 線性菲涅爾光熱技術(shù)Fig. 3 Linear Fresnel solar thermal power generation technology

槽式光熱技術(shù)（導(dǎo)熱油為工質(zhì)）受較低參數(shù)的限制，其光電效率比碟式和塔式的低。雖然如此，槽式技術(shù)也在不斷尋求創(chuàng)新，例如直接采用熔鹽為吸熱和儲(chǔ)熱工質(zhì)的示范回路在國(guó)內(nèi)（200 kW，甘肅阿克塞熔鹽槽式試驗(yàn)平臺(tái)）［13］和國(guó)外（意大利西西里島熔鹽槽式示范項(xiàng)目）都已建成。同時(shí)，示范項(xiàng)目中有2 個(gè)槽式電站（金釩甘肅阿克塞50 MW 和中陽(yáng)河北張家口64 MW）采用熔鹽槽式路線。熔鹽工質(zhì)的采用有助于簡(jiǎn)化熱力回路，提高系統(tǒng)參數(shù)及效率。規(guī)?；埯}槽式電廠若運(yùn)行成功，可極大提高該技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 線性菲涅爾光熱技術(shù)

圖3 為線性菲涅爾光熱技術(shù)示意圖。該技術(shù)由槽式技術(shù)衍生而來(lái)，采用并列布置的長(zhǎng)條形反射鏡，把太陽(yáng)光反射到焦線并加熱集熱管內(nèi)工質(zhì)。相當(dāng)于把槽式反射面分割成長(zhǎng)條形并展開(kāi)成平面，直接安裝在地面上。這樣可以使焦線上的吸熱器固定安裝，不再跟隨反射鏡旋轉(zhuǎn)，增加了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)也極大地降低了反射鏡的加工難度和成本。

線性菲涅爾技術(shù)研發(fā)起步較晚，現(xiàn)階段整體效率不高，國(guó)外已建成的電廠容量遠(yuǎn)低于槽式和塔式。傳統(tǒng)菲涅爾技術(shù)以水為吸熱工質(zhì)。全球目前已建成的兩大商業(yè)化菲涅爾電站分別為西班牙Puerto Errado2 30 MW 電站［14］和印度信實(shí)電力100 MW 電站［15］。

示范項(xiàng)目中包含4 個(gè)菲涅爾電站，吸熱工質(zhì)涵蓋水、導(dǎo)熱油和熔鹽。截至2018 年底，其中3 個(gè)項(xiàng)目均未能如期開(kāi)建。但以熔鹽為工質(zhì)的大成甘肅敦煌50 MW 項(xiàng)目依然在列，為今后對(duì)以熔鹽為工質(zhì)的塔式、槽式和線性菲涅爾電站的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比提供了可能。

2.4 塔式光熱技術(shù)

圖4 為塔式光熱技術(shù)示意圖。該技術(shù)利用定日鏡將太陽(yáng)光聚集在中心吸熱塔的吸熱器上，聚光倍數(shù)可達(dá)到500～1 000，具有聚光倍數(shù)高、蒸汽參數(shù)高和發(fā)電效率高等特點(diǎn)，特別適合大規(guī)模和大容量的商業(yè)化應(yīng)用。

國(guó)外塔式光熱電站主要有：西班牙GemaSolar電站（20 MW，全球首個(gè)可24 h 持續(xù)發(fā)電熔鹽工質(zhì)電站）、美國(guó)Ivanpah 電站（392 MW，3 個(gè)塔式水工質(zhì)電站構(gòu)成，全球最大規(guī)模光熱電站）、美國(guó)Crescent Dunes 電站（110 MW，全球首個(gè)百M(fèi)W 級(jí)塔式熔鹽電站［16］）和摩洛哥NOOR 3 電站（150 MW，全球最大單機(jī)容量塔式光熱電站［17］）。

圖 4 塔式光熱技術(shù)Fig. 4 Tower-type solar thermal power generation technology

圖 5 中控德令哈2 × 5 MW 示范電站［19］Fig. 5 2×5 MW demonstration power plant of Supcon Solar in Delingha

北京延慶1 MW 塔式水工質(zhì)實(shí)驗(yàn)示范電站是我國(guó)首座自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造的MW 級(jí)塔式光熱電站［18］。2013 年投運(yùn)的中控德令哈2 × 5 MW水工質(zhì)示范電站（見(jiàn)圖5）是我國(guó)首套投入商業(yè)運(yùn)行的光熱電站。該項(xiàng)目具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，批復(fù)上網(wǎng)電價(jià)1.2 元·（kW·h）-1。2016 年又完成了#1 塔的熔鹽回路改造[見(jiàn)圖5（a）]并帶2 h儲(chǔ)熱，驗(yàn)證了塔式熔鹽技術(shù)［19-20］。首航敦煌一期10 MW 塔式熔鹽電站是全球第三座、亞洲第一座實(shí)現(xiàn)24 h 連續(xù)發(fā)電的光熱電站［21］。

2.5 吸熱工質(zhì)

吸熱工質(zhì)通常包括導(dǎo)熱油、水和熔鹽。導(dǎo)熱油在槽式中應(yīng)用最廣；水主要應(yīng)用在塔式和線性菲涅爾技術(shù)中；熔鹽在塔式中應(yīng)用居多，并逐漸向槽式和線性菲涅爾方向擴(kuò)展。導(dǎo)熱油在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，但較低的工作溫度（＜400 ℃）制約了其在光熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖6 為早期的水工質(zhì)塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)。該技術(shù)回路簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟且成本較低，但也存在工作壓力高和儲(chǔ)熱困難等問(wèn)題。

圖 6 水工質(zhì)塔式發(fā)電系統(tǒng)Fig. 6 Tower power generation system with water as working fluids

在高溫熔融狀態(tài)下，熔鹽具有性質(zhì)穩(wěn)定、液相范圍寬、儲(chǔ)熱能力強(qiáng)和成本低廉等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的儲(chǔ)熱工質(zhì)。雖然熔鹽凝固點(diǎn)高，但可通過(guò)管路伴熱等方式加以解決。

3 塔式熔鹽光熱電站

綜合考慮光熱效率、工質(zhì)特性、儲(chǔ)熱能力和可規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)行等諸多因素，以熔鹽作為吸熱和儲(chǔ)熱工質(zhì)的塔式熱發(fā)電技術(shù)是最具市場(chǎng)潛力的技術(shù)路線。

采用塔式技術(shù)和熔鹽吸熱儲(chǔ)熱技術(shù)相結(jié)合，使塔式熔鹽光熱電站具備光熱效率高、可24 h連續(xù)發(fā)電以及可規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)行的綜合優(yōu)勢(shì)。

3.1 系統(tǒng)組成

圖7 為塔式熔鹽熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三部分組成：定日鏡場(chǎng)、熔鹽系統(tǒng)和動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中熔鹽系統(tǒng)又可分為吸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

圖 7 塔式熔鹽熱發(fā)電系統(tǒng)Fig. 7 Tower solar power generation system with molten salts as working fluids

定日鏡將太陽(yáng)光匯聚在吸熱器上，冷鹽泵將290 ℃冷鹽從冷鹽罐輸送至塔頂吸熱器，冷鹽吸熱后成為565 ℃熱鹽，之后熱鹽再通過(guò)重力作用下塔并存儲(chǔ)于熱鹽罐中。

吸熱器白天工作時(shí)，熱鹽通過(guò)熱鹽泵輸送至蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與水/水蒸汽換熱，產(chǎn)生高溫高壓過(guò)熱蒸汽用于發(fā)電。放熱后的冷鹽再回到冷鹽罐中，完成整個(gè)熔鹽循環(huán)。常規(guī)水/水蒸汽循環(huán)發(fā)生在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)之間，此處不再贅述。

為滿(mǎn)足夜間吸熱系統(tǒng)停機(jī)狀態(tài)下的電負(fù)荷需求，白天時(shí)吸熱器中熔鹽的吸熱負(fù)荷要大于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的放熱負(fù)荷。這樣就會(huì)有富余的熱鹽逐漸在熱鹽罐中積累，用于夜間循環(huán)發(fā)電，這便是儲(chǔ)熱過(guò)程。夜間機(jī)組發(fā)電小時(shí)數(shù)越多，白天需求的熱鹽儲(chǔ)存量就越大，冷、熱鹽罐的容積也就越大。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

塔式熔鹽熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)熱力系統(tǒng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在：熔鹽在吸熱系統(tǒng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及由此帶來(lái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行等方面的特殊性。

（1）熔鹽工質(zhì)

光熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的主要是二元熔鹽，由質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%、40%的NaNO3和KNO3組成，通常稱(chēng)為太陽(yáng)鹽（solar salt）。該鹽凝固點(diǎn)為220 ℃，最高耐溫620 ℃，實(shí)際運(yùn)行溫度為290～565 ℃。由于凝固點(diǎn)高，為防止局部流動(dòng)死點(diǎn)或停機(jī)期間出現(xiàn)凍鹽，需要對(duì)所有熔鹽工質(zhì)管道、閥門(mén)和設(shè)備等進(jìn)行伴熱保溫，并對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控。

（2）吸熱器

常規(guī)鍋爐受熱面與煙氣（除水冷壁外）為對(duì)流換熱，換熱管四周換熱；而塔式吸熱管是受光面單側(cè)輻射換熱（見(jiàn)圖8），換熱面積不及管周的一半，受光側(cè)和背光側(cè)壁溫差可高達(dá)數(shù)百度［22］。同時(shí)，吸熱系統(tǒng)為日啟停運(yùn)行模式，對(duì)吸熱管承受溫差應(yīng)力、熱膨脹應(yīng)力和低周疲勞等方面的能力提出了更高要求。

圖 8 吸熱管壁溫分布Fig. 8 Distribution of tube wall temperature in the central receiver

吸熱器安裝在數(shù)百米高塔上，因此在設(shè)計(jì)中要盡量減小吸熱器重量和尺寸，以節(jié)約項(xiàng)目材料和安裝成本。故吸熱管的設(shè)計(jì)熱流密度遠(yuǎn)比常規(guī)鍋爐大，管壁也更薄。再考慮到熔鹽的腐蝕特性，所以吸熱管普遍采用的是進(jìn)口鎳基合金材料。進(jìn)口鎳基合金材料定貨周期較長(zhǎng)，是影響項(xiàng)目進(jìn)度的關(guān)鍵因素之一。

（3）熔鹽閥門(mén)

熔鹽凝固點(diǎn)高，使系統(tǒng)存在凍鹽風(fēng)險(xiǎn)，特別是閥門(mén)，如果設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有缺陷就會(huì)在停機(jī)疏鹽時(shí)無(wú)法疏盡而發(fā)生凍鹽，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的再次啟動(dòng)。鍋爐中常用的閘閥就由于存在無(wú)法避免的積鹽結(jié)構(gòu)，在熔鹽系統(tǒng)中幾乎不使用，而通常采用三偏心蝶閥代替。熔鹽系統(tǒng)中有良好應(yīng)用業(yè)績(jī)的三偏心蝶閥品牌全部為進(jìn)口，價(jià)格十分昂貴。

（4）熔鹽儲(chǔ)罐

熔鹽儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存冷熱熔鹽工質(zhì)的容器，尺寸大，需要現(xiàn)場(chǎng)分段焊接完成?，F(xiàn)場(chǎng)制造質(zhì)量直接影響儲(chǔ)罐的可靠性，出現(xiàn)問(wèn)題后處理難度大，耗時(shí)長(zhǎng)。

（5）施工周期

圖9 為50 MW 塔式光熱電站水泥吸熱塔，其高度約200 m。從結(jié)構(gòu)和成本角度考慮，采用水泥塔更優(yōu)。水泥塔是整個(gè)吸熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)。水泥塔完工后，塔頂和塔內(nèi)設(shè)備才能依次安裝。示范項(xiàng)目多位于北方，這些地區(qū)一年中適于工程建設(shè)的時(shí)間較短。冬季時(shí)間長(zhǎng)、平均氣溫低，塔頂高空作業(yè)難度極大。充分預(yù)估施工難度、合理制定施工計(jì)劃是確保項(xiàng)目順利推進(jìn)的前提。

圖 9 50 MW 塔式光熱電站水泥吸熱塔Fig. 9 Cement tower of 50 MW tower-type solar thermal power plant

3.3 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

2016 年Crescent Dunes 電站發(fā)生一起熔鹽罐泄露事故，導(dǎo)致該電站自2016 年10 月起開(kāi)始停運(yùn)。直至2017 年7 月才正式恢復(fù)運(yùn)行，停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8 個(gè)月［23］。2017 年GemaSolar 電站也因熔鹽儲(chǔ)罐發(fā)生事故導(dǎo)致電站停運(yùn)數(shù)月，這也是該電站第三次發(fā)生此類(lèi)事故［24］。

除此之外，管道凍鹽、閥門(mén)泄漏等故障也時(shí)有發(fā)生，可能造成吸熱管在低周疲勞下發(fā)生漲粗甚至爆管。圖10 是某熔鹽吸熱器啟動(dòng)時(shí)的紅外熱像圖。由圖中可見(jiàn)，幾根吸熱管溫度較高。這是停機(jī)疏鹽不暢發(fā)生凍鹽，系統(tǒng)再次啟動(dòng)后吸熱管壁溫偏高的典型現(xiàn)象。通常，凍鹽可在高溫緩慢加熱條件下逐漸熔化而使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；但如果發(fā)生爆管，系統(tǒng)將被迫停運(yùn)。

圖 10 啟動(dòng)時(shí)吸熱管壁溫偏高［25］Fig. 10 High tube wall temperature of the central receiver during start-up

4 光熱發(fā)電成本

2017 年9 月，ACWA Power 與 上 海 電 氣 的聯(lián)合體以7.3 美分·（kW·h）-1[約0.48 元·（kW·h）-1]的最低價(jià)斬獲了迪拜Mohammed bin Rashid Al Maktoum 太陽(yáng)能園區(qū)第四階段的700 MW 光熱發(fā)電項(xiàng)目，成功刷新迪拜光熱發(fā)電項(xiàng)目最低電價(jià)記錄［26］。

國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電尚處于起步階段，成本遠(yuǎn)高于常規(guī)電廠。未來(lái)隨著示范項(xiàng)目投運(yùn)成功，光熱項(xiàng)目規(guī)?；痛笮突?，成本有望和國(guó)際市場(chǎng)持平。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)太陽(yáng)能光熱資源豐富，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大，是未來(lái)化石燃料的重要替代能源之一。本文在對(duì)光熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上指出：塔式熔鹽吸熱加儲(chǔ)熱系統(tǒng)是最具前景的光熱發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)行，并可24 h 連續(xù)可調(diào)節(jié)發(fā)電。但熔鹽工質(zhì)的高凝固點(diǎn)帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。屢創(chuàng)新低的國(guó)際光熱電價(jià)給國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電成本的降低帶來(lái)了希望。示范項(xiàng)目的投運(yùn)驗(yàn)證，有望使成本快速降低。