某高溫相變光熱發(fā)電項(xiàng)目消防設(shè)計(jì)問題的探討

李文書，梁濤

（中能建江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102）

1 引言

某新能源小鎮(zhèn)以清潔能源替代建設(shè)為重點(diǎn)，構(gòu)建了多種能源協(xié)同互補(bǔ)的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，建立了清潔低碳、安全高效的新型能源體系，引領(lǐng)城市能源變革發(fā)展，由此打造了世界首臺(tái)、首套、首創(chuàng)項(xiàng)目之一的高溫相變光熱項(xiàng)目。該示范性項(xiàng)目利用聚光技術(shù)將低密度太陽能流進(jìn)行聚焦，產(chǎn)生高密度的熱能；利用高溫相變材料實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)與釋放；利用發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)化，出口蒸汽經(jīng)過冷凝用于供暖；利用液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能進(jìn)行存儲(chǔ)。

該項(xiàng)目核心部分為高溫相變光熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由碟式光熱發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)熱系統(tǒng)組成，碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)利用碟形鏡面收集太陽能，加熱工質(zhì)，提供蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，剩余熱量可儲(chǔ)存于采用高溫相變材料的儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，在無光照情況下仍能帶動(dòng)汽輪發(fā)電，主要設(shè)備包括2臺(tái)100 m2碟式太陽能聚光器、1臺(tái)300 kW·h高溫相變儲(chǔ)熱裝置和1套10 kW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。另外，為消納峰期電能，本項(xiàng)目設(shè)立了500 kW液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目，深冷液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能并存儲(chǔ)，儲(chǔ)能時(shí)，電能將空氣壓縮，使得空氣冷卻并液化。存儲(chǔ)該過程中釋放的熱能可用于釋能時(shí)加熱空氣。釋能時(shí)，液態(tài)空氣被加壓、氣化，推動(dòng)輪機(jī)發(fā)電，同時(shí)，存儲(chǔ)該過程的冷能，用于儲(chǔ)能時(shí)冷卻空氣。

相比傳統(tǒng)新能源發(fā)電項(xiàng)目，本項(xiàng)目主要增加了高溫儲(chǔ)熱裝置及空氣儲(chǔ)能裝置，擬對(duì)上述項(xiàng)目中的新型配套設(shè)備，包括高溫相變儲(chǔ)熱裝置及液化空氣儲(chǔ)能裝置的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，提出適當(dāng)?shù)南涝O(shè)計(jì)方案，為相關(guān)工程的消防設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 高溫相變儲(chǔ)熱裝置

本項(xiàng)目光熱發(fā)電系統(tǒng)包括碟式聚光集熱子系統(tǒng)及換熱子系統(tǒng)。碟式聚光集熱子系統(tǒng)由碟式拋物面反光鏡、接收器和跟蹤裝置構(gòu)成；換熱子系統(tǒng)包含2部分，一部分為導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器，另一部分為導(dǎo)熱油/水換熱器。該系統(tǒng)中熔融鹽相變儲(chǔ)熱材料及導(dǎo)熱油系統(tǒng)是儲(chǔ)裝置核心部分，本文針對(duì)該部分的消防設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重點(diǎn)探討。

2.1 高溫相變儲(chǔ)熱材料

儲(chǔ)熱系統(tǒng)按照熱的形式可分為3類：顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和化學(xué)儲(chǔ)熱[1]。顯熱儲(chǔ)熱主要利用物質(zhì)本身在溫度的升高或降低過程中進(jìn)行的熱量?jī)?chǔ)存與釋放，典型儲(chǔ)熱介質(zhì)包括水、導(dǎo)熱油、熔融鹽、鵝卵石、混凝土、鑄鐵等[2]；相變儲(chǔ)熱主要利用物質(zhì)隨溫度變化而發(fā)生相變過程中的可逆反應(yīng)來進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存與釋放，典型儲(chǔ)熱介質(zhì)包括水合鹽、熔融鹽、石蠟、金屬和合金等；化學(xué)儲(chǔ)熱主要是利用物質(zhì)的可逆化學(xué)反應(yīng)過程來進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存與釋放，典型儲(chǔ)熱介質(zhì)包括氫化鎂、鹽氨合物等。結(jié)合目前國內(nèi)外的研究成果，上述3種儲(chǔ)熱形式中顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)市場(chǎng)應(yīng)用最為成熟，但顯熱儲(chǔ)熱材料儲(chǔ)能密度偏低，容易導(dǎo)致儲(chǔ)熱系統(tǒng)體積龐大；化學(xué)儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱密度最大，但尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)應(yīng)用時(shí)間尚遠(yuǎn)；相變儲(chǔ)熱綜合了顯熱儲(chǔ)熱工藝簡(jiǎn)單及化學(xué)儲(chǔ)熱熱密度高的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮?，而且相變蓄放熱過程基本保持恒溫，可以減少蓄放熱過程中能量品位的損失[3]，目前已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。

目前，國內(nèi)外用于太陽能光熱發(fā)電的儲(chǔ)熱材料主要包括高溫儲(chǔ)熱混凝土、熔融鹽和相變金屬。其中，熔融鹽屬于一種相變儲(chǔ)熱材料，由于具有穩(wěn)定性高、儲(chǔ)熱密度高的特點(diǎn)，再加上蒸汽度較低、成本較低，是目前光熱發(fā)電中應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱材料。熔融鹽以鈉、鉀等第一主族元素的化合物為主，根據(jù)陰離子又可分為碳酸鹽、氯化鹽、硝酸鹽和氟化鹽等，其中，60%硝酸鈉（NaNO3）+40%硝酸鉀（KNO3）的二元鹽及53%硝酸鉀（KNO3）+40%亞硝酸鈉（NaNO2）+7%硝酸鈉（NaNO3）、48%硝酸鈣[Ca（NO3）2]+45%硝酸鉀（KNO3）+7%硝酸鈉（NaNO3）的三元鹽是光熱電站普遍采用的熔融鹽類型。根據(jù)國外相關(guān)研究，相變材料包括無機(jī)相變材料及有機(jī)相變材料，其中，有機(jī)相變材料主要用于建筑圍護(hù)機(jī)構(gòu)的節(jié)能保溫，屬于易燃物質(zhì)，需要在材料中加入阻燃劑以改善消防安全[4]，而無機(jī)相變材料則相反，屬于非易燃物質(zhì)。太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中使用的熔融態(tài)的熔融鹽屬于無機(jī)類的相變材料，其物理和化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，無爆炸危險(xiǎn)，高溫熔融鹽溢出后，在大氣環(huán)境中會(huì)很快凝固，基本不存在火災(zāi)危險(xiǎn)，國外已投運(yùn)的熔融鹽太陽能光熱電站對(duì)熔融鹽換熱器、管道等設(shè)施均未采取特殊的防火設(shè)計(jì)[5]。

該能源小鎮(zhèn)光熱發(fā)電項(xiàng)目從系統(tǒng)運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)儲(chǔ)熱材料進(jìn)行選取，最終確定采用相變點(diǎn)為710℃的熔融鹽復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，屬于無機(jī)相變材料的一種，無須采取特殊的防火設(shè)計(jì)。

2.2 導(dǎo)熱油系統(tǒng)

導(dǎo)熱油輸送系統(tǒng)由導(dǎo)熱油、泵機(jī)及輸送管道組成，其中，導(dǎo)熱油是輸送系統(tǒng)的核心。當(dāng)光照條件滿足汽輪機(jī)運(yùn)行要求時(shí)，導(dǎo)熱油經(jīng)由吸熱器升溫，一部分進(jìn)入熱交換裝置，通過熱交換將熱量轉(zhuǎn)移至水，將液態(tài)水變?yōu)樗魵?，?qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電；另一部分進(jìn)入相變蓄熱裝置，通過熱交換將熱量轉(zhuǎn)移至相變材料，實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)，以便在無光照條件下通過相變材料放熱，加熱導(dǎo)熱油進(jìn)入熱交換裝置，并通過油水熱交換驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

本工程為實(shí)現(xiàn)復(fù)合相變材料的高效利用，選用國內(nèi)外太陽能光熱電站廣泛使用的改性三聯(lián)苯合成導(dǎo)熱油，其主要相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)熱油相關(guān)參數(shù)

國內(nèi)光熱電站常用的26.5%聯(lián)苯和73.5%聯(lián)苯醚混合導(dǎo)熱油，其閃點(diǎn)為124℃，本工程所用導(dǎo)熱油雖然有相對(duì)高的閃點(diǎn)，但仍有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，對(duì)一些設(shè)備需要采取特殊的防火措施。導(dǎo)熱油系統(tǒng)主要設(shè)備包括低位儲(chǔ)油罐、高位膨脹油罐、儲(chǔ)熱裝置排油罐、導(dǎo)熱油循環(huán)泵及注油泵，導(dǎo)熱系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要發(fā)生在事故泄漏狀態(tài)。

當(dāng)導(dǎo)熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱油泵、管道等發(fā)生泄漏時(shí)，由于保溫層的虹吸作用，泄漏的導(dǎo)熱油會(huì)浸入保溫層，保溫層處于高溫狀態(tài)，容易形成自燃引起火災(zāi)。另外，高溫導(dǎo)熱油泄漏到空氣中會(huì)氣化與冷空氣接觸而凝結(jié)形成氣霧，氣霧達(dá)到一定濃度遇火會(huì)燃燒[6]。針對(duì)上述火災(zāi)隱患，本項(xiàng)目設(shè)置了1座低位儲(chǔ)油罐，事故狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)熱油絕大部分排入低位儲(chǔ)油罐，低位油槽罐采用地下布置方式，此種布置方式可有效減小事故狀態(tài)著火規(guī)模，而且著火狀態(tài)下較易滅火，一般使用滅火毯和滅火沙就可撲滅，低位儲(chǔ)油罐區(qū)域周圍配置手提式干粉滅火器、推車式泡沫滅火器、滅火毯及滅火沙等滅火工具，使用上述滅火器材可有效撲救低位儲(chǔ)油罐區(qū)的火災(zāi)，同時(shí)，撲救時(shí)也可使用附近的消火栓接出噴霧（開花）水槍進(jìn)行人身掩護(hù)，并冷卻附近地面。低位油槽底部設(shè)潛水排污泵，潛水排污泵采用人工控制方式，嚴(yán)禁根據(jù)槽內(nèi)水位自動(dòng)啟停，同樣可保證少量流入油槽內(nèi)的導(dǎo)熱油不外排擴(kuò)散，防止事故外延。

當(dāng)儲(chǔ)熱裝置中的導(dǎo)熱油出現(xiàn)泄漏時(shí)，導(dǎo)熱油進(jìn)入相變材料中，相變材料作為一種氧化劑會(huì)加速導(dǎo)熱油的氧化，此時(shí)，導(dǎo)熱油會(huì)冒煙，時(shí)間久了會(huì)聚集熱量，溫度突然不正常升高，罐體內(nèi)壓力變大，煙霧也會(huì)明顯增多，但該過程十分緩慢，且有相應(yīng)的探測(cè)器可以檢測(cè)到。處理措施是將儲(chǔ)熱裝置中的導(dǎo)熱油在一定的時(shí)間內(nèi)排至儲(chǔ)熱系統(tǒng)專用儲(chǔ)油罐，同時(shí)，向儲(chǔ)熱裝置中通入壓力為0.15 MPa的氮?dú)?，氮?dú)饩哂欣鋮s及隔絕氧氣的作用?？刂七壿嬍钱?dāng)探測(cè)到儲(chǔ)熱裝置中的壓力異常增大到0.5 MPa以上，或者溫度超過380℃，或者通過煙氣探測(cè)器探測(cè)到導(dǎo)熱油開始出現(xiàn)大量的氧化分解現(xiàn)象，此時(shí)，儲(chǔ)熱裝置和儲(chǔ)油罐之間的閥門打開，導(dǎo)熱油通過重力自動(dòng)排到儲(chǔ)油罐中，同時(shí)，氮?dú)夤艿篮蛢?chǔ)熱裝置之間的閥門打開，向儲(chǔ)熱裝置中通入0.15 MPa的氮?dú)?，?dǎo)熱油排油設(shè)計(jì)在10 min內(nèi)排完，此時(shí)，儲(chǔ)熱裝置就不會(huì)出現(xiàn)大量冒煙的現(xiàn)象，待儲(chǔ)熱裝置徹底冷卻后可以進(jìn)行檢修。為進(jìn)一步降低導(dǎo)熱油泄漏擴(kuò)散的危險(xiǎn)性，儲(chǔ)熱裝置區(qū)（儲(chǔ)熱裝置、儲(chǔ)油罐等）外圍設(shè)置300 mm高的圍堰，可以存儲(chǔ)系統(tǒng)全部的導(dǎo)熱油量，圍堰周圍同樣配置手提式干粉滅火器、推車式泡沫滅火器、滅火毯及滅火沙等滅火工具，可有效撲救儲(chǔ)熱裝置區(qū)的火災(zāi)。

3 液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等可再生能源大規(guī)模接入、電力系統(tǒng)削峰填谷，以及分布式供能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是目前解決能源環(huán)境問題的一個(gè)重要途徑。用于可再生能源消納的儲(chǔ)能技術(shù)包括機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、電儲(chǔ)能技術(shù)和相變儲(chǔ)能，其中，以電池儲(chǔ)能、抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能為典型代表[7]。壓縮空氣儲(chǔ)能不需要大量水資源，且具有壽命長、環(huán)境污染小、占地面積小、規(guī)模化效應(yīng)明顯、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn),是未來規(guī)?；芰啃痛鎯?chǔ)的方向之一。本項(xiàng)目為500 kW液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用深冷壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能并存儲(chǔ)，儲(chǔ)能時(shí)，電能將空氣壓縮、分子篩吸附凈化、空氣循環(huán)增壓、膨脹機(jī)制冷、中壓循環(huán)利用高級(jí)冷能，使得空氣冷卻并液化，同時(shí)，存儲(chǔ)該過程中釋放的熱能可用于釋能時(shí)加熱空氣；釋能時(shí)，液態(tài)空氣被加壓、氣化，推動(dòng)輪機(jī)發(fā)電，同時(shí)，存儲(chǔ)該過程的冷能，用于儲(chǔ)能時(shí)冷卻空氣。該儲(chǔ)能技術(shù)液化空氣采用罐體常壓低溫存儲(chǔ)，儲(chǔ)能密度高，不再需要地下洞穴，擺脫了地理?xiàng)l件的限制，而且儲(chǔ)能密度高，預(yù)期運(yùn)行效率達(dá)到50%~60%[8]。

本項(xiàng)目壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目介質(zhì)為液態(tài)空氣，儲(chǔ)熱介質(zhì)為水，蓄冷介質(zhì)為玄武巖顆粒并含少量乙二醇，主要生產(chǎn)介質(zhì)包括空氣、水及巖石（主要成分為二氧化硅），均不燃不爆，含有的少量乙二醇是一種無色無臭的液體，冰點(diǎn)是-11.5℃，可用作載冷劑，其沸點(diǎn)是197.4℃，自燃點(diǎn)為418℃，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)較小，因此，壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施無須設(shè)置特殊的消防措施，可利用常規(guī)的消火栓及滅火器等滅火器材進(jìn)行滅火。

4 結(jié)語

本文主要對(duì)高溫相變光熱項(xiàng)目、空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目中使用的介質(zhì)性質(zhì)及運(yùn)行過程進(jìn)行分析，力求尋找出系統(tǒng)中主要火災(zāi)危險(xiǎn)點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的消防措施。但由于國內(nèi)高溫相變光熱項(xiàng)目、空氣儲(chǔ)能等項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用較少，且對(duì)相變儲(chǔ)熱材料、導(dǎo)熱油等材料的特性研究深度有限，發(fā)電廠常用消防規(guī)范GB 50229—2019《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》主要使用對(duì)象為燃煤及燃?xì)怆姀S，沒有光熱發(fā)電、空氣儲(chǔ)能等新能源項(xiàng)目部分的消防設(shè)計(jì)內(nèi)容，因此，現(xiàn)階段進(jìn)行具體項(xiàng)目的消防設(shè)計(jì)時(shí)，建議組織相關(guān)專家對(duì)具體方案進(jìn)行論證及評(píng)審，以最大限度地提高項(xiàng)目運(yùn)行的安全保障性。