導(dǎo)熱油在儲能發(fā)電項目中的應(yīng)用

牟偉

（中國石化潤滑油有限公司西北分公司，河南鄭州 450000）

眾所周知，能源危機是全人類共同面臨的問題。全球范圍內(nèi)都在開展新能源技術(shù)的研發(fā)。隨著俄烏戰(zhàn)爭爆發(fā)，必將進一步助推新能源技術(shù)的快速發(fā)展。近年來，風(fēng)電、光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但一直受到“并網(wǎng)”困擾。廣義來講，儲能即能量儲存，是指通過一種介質(zhì)或設(shè)備，把一種能量形式用同一種或轉(zhuǎn)換成另一種能量形式存儲，并以規(guī)定能量形式釋放出來的循環(huán)過程。儲能主要指將電能轉(zhuǎn)化為動能、勢能和化學(xué)能等其他形式的能量存放在儲能裝置中，并在需要時釋放，實現(xiàn)電力在供應(yīng)端、輸送端以及用戶端的穩(wěn)定運行，提升能源利用效率、提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。儲能技術(shù)的應(yīng)用可幫助風(fēng)電場平滑輸出和“以峰填谷”。

非補燃式壓縮空氣儲能關(guān)鍵設(shè)備有壓縮機、透平機，主要使用汽輪機油。用油量最大的為蓄熱回?zé)嵯到y(tǒng)的換熱器，主要使用導(dǎo)熱油，具體詳見表1。

表1 鹽穴儲能關(guān)鍵設(shè)備及潤滑方案

1 儲能發(fā)電項目對導(dǎo)熱油性能要求

作為大規(guī)模新型壓縮空氣儲能技術(shù)的國內(nèi)首個示范應(yīng)用，國家級儲能發(fā)電示范項目采用液相閉式導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)熱油在系統(tǒng)中作為傳熱、儲熱工質(zhì)，只參與間接換熱。項目儲熱系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 鹽穴壓縮空氣儲能項目儲熱系統(tǒng)流程

項目通過導(dǎo)熱油在熱交換器中的循環(huán)，實現(xiàn)對空氣壓縮熱的利用，系統(tǒng)循環(huán)過程中無燃料補給，實現(xiàn)了零排放。導(dǎo)熱油在循環(huán)狀態(tài)為閉式、液相循環(huán)、間歇操作模式，與550℃高溫高壓空氣實現(xiàn)間接換熱，使用過程導(dǎo)熱油溫度為（0～320）℃±5℃，工作壓力0～1 MPa，技術(shù)指標(biāo)滿足GB 23971-2009《有機熱載體》L-QD 340技術(shù)規(guī)格要求的基礎(chǔ)上，要求導(dǎo)熱油組分單一、黏度適宜、熱傳導(dǎo)系數(shù)高（大于0.08W/（m·k））、10%餾程高于最高使用溫度、安全系數(shù)高（閉口閃點大于160℃，自燃點大于350℃），使用周期長（正常使用30年），產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

2 L-QD 340導(dǎo)熱油研制分析

導(dǎo)熱油也稱有機熱載體，用于間接傳遞熱量的的專用油品。與傳統(tǒng)蒸汽加熱相比，利用導(dǎo)熱油加熱后有安全環(huán)保、能耗損失小、控溫精度高、操作壓力低、安全穩(wěn)定、輸送和操作方便等優(yōu)點，滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，得到廣泛應(yīng)用。

2.1 合成原料的選擇

導(dǎo)熱油執(zhí)行標(biāo)準為《有機熱載體》GB 23971—2009，屬于國家強制性標(biāo)準。根據(jù)化學(xué)組成可分為礦物油型導(dǎo)熱油和合成型導(dǎo)熱油；本項目導(dǎo)熱油使用過程最高溫度達320℃，須使用合成型導(dǎo)熱油方可滿足安全運行要求。由于苯環(huán)具有共軛穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，各原子結(jié)合鍵能大，難斷裂，所以熱穩(wěn)定性好的合成型導(dǎo)熱油使用三聯(lián)苯和部分氫化三聯(lián)苯、芐基和二芐基甲苯、聯(lián)苯和聯(lián)苯醚共沸混合物、烷基聯(lián)苯等原料生產(chǎn)，不同原料的性能指標(biāo)見表2。

表2 合成原料的性能指標(biāo)

考慮到裝置運行過程中導(dǎo)熱油最高運行溫度有波動，須選擇最高使用溫度大于320℃的原料生產(chǎn)，故原料d、e、f可選。導(dǎo)熱油黏度在滿足系統(tǒng)及傳熱設(shè)備的泵送性、流動性等設(shè)計要求外，黏度越低傳熱性能越好，但黏度太低閃點也越低，油品的蒸發(fā)性也越大；因該項目導(dǎo)熱油在換熱器和儲罐內(nèi)循環(huán)，為保證油罐安全儲油換氣，儲罐頂部安裝有呼吸孔，同時為取樣方便，安裝取樣孔和光孔，在導(dǎo)熱油循環(huán)中，罐內(nèi)氣壓高于外界大氣壓，即儲罐處于正壓狀態(tài)，罐內(nèi)油氣散發(fā)到空氣中，造成操作現(xiàn)場異味重，故要求適宜的黏度、（40℃運動黏度在20-40m2/s）、閉口閃點大于160℃，故原料d和e可選。由于原料市場易得，價格更有競爭力，經(jīng)綜合比較，最終選用原料d生產(chǎn)QD 340導(dǎo)熱油。

2.2 產(chǎn)地選擇

合成導(dǎo)熱油市場需求量少，一般設(shè)備裝填在30噸以下。該項目一次性初裝約3 000噸，可滿足數(shù)量需求的生產(chǎn)廠家較少，該文結(jié)合中國市場該原料產(chǎn)地進行不同批次質(zhì)量考察，具體詳見表3。

由表3可以看出，不同產(chǎn)地的沸點、2%餾程和自燃點性能相當(dāng)；產(chǎn)地1黏度偏大，閉口閃點低，且不能滿足該項目要求的不大于160℃；產(chǎn)地2不同批次均能滿足要求，故選用產(chǎn)地2原料。

表3 不同產(chǎn)地的性能指標(biāo)

2.3 L-QD 340導(dǎo)熱油的性能指標(biāo)

熱穩(wěn)定性是導(dǎo)熱油特有的使用性能和安全性能；其影響主要因素是分子結(jié)構(gòu)、純度、使用溫度等，加入任何添加劑，均不能改變其熱穩(wěn)定性。

L-QD 340導(dǎo)熱油由氫化三聯(lián)苯加入超高溫的功能添加劑調(diào)配而得，具有卓越的熱穩(wěn)定性，液相使用溫度高、凝固點低、餾份重、蒸氣壓低、操作壓力低等優(yōu)點，主要應(yīng)用于溫度在320～340℃左右的傳熱系統(tǒng)。

QD340導(dǎo)熱油技術(shù)指標(biāo)不但遠高于國家標(biāo)準，還具有以下特點：

（1）閉口閃點高。閉口閃點是導(dǎo)熱油運輸和安全運行的基本指標(biāo)，閉口閃點越高，發(fā)生著火的幾率越小，運行安全系數(shù)越高。

（2）自燃點高。自燃點指導(dǎo)熱油在運行中發(fā)生泄漏時在空氣中自燃的傾向，自燃點越高，發(fā)生自燃的傾向性越小，運行安全系數(shù)越高。

（3）熱穩(wěn)定性好。熱穩(wěn)定性是導(dǎo)熱油特有的使用性能和安全性能；其主要影響因素是分子結(jié)構(gòu)、純度、使用溫度等，加入任何添加劑均不能改變其熱穩(wěn)定性。GB 23971-2009以變質(zhì)率（氣相分解產(chǎn)物、低沸物、高沸物和不能蒸發(fā)產(chǎn)物之和）來評價導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性，即導(dǎo)熱油在高溫下抵抗化學(xué)分解的能力。L-QD340導(dǎo)熱油熱穩(wěn)定性試驗后變質(zhì)率優(yōu)于國家標(biāo)準（變質(zhì)率不大于10%）要求，變質(zhì)率比對見圖2。

圖2 熱穩(wěn)定性試驗后樣品變質(zhì)率

此外，L-QD340導(dǎo)熱油密度高、蒸汽壓低、比熱大、焓值高、導(dǎo)熱系數(shù)高、黏度低，在確保運行安全的同時，大大提升了熱利用的綜合效率，特殊溫度點的液相物性參數(shù)詳見表4。

表4 QD340導(dǎo)熱油液相物性參數(shù)

導(dǎo)熱油的餾程反映蒸餾過程中從初餾點到終餾點之間的溫度范圍及其對應(yīng)的蒸餾量比例。餾程表征了導(dǎo)熱油中輕重組分的餾出溫度和比例，餾程較窄的導(dǎo)熱油，其化學(xué)組分相對簡單，各組分的物性參數(shù)差異相對較??；QD340導(dǎo)熱油的蒸餾量從0.5%到99.5%，溫度變化小，說明餾分窄，產(chǎn)品純度高，熱穩(wěn)定性好。具體餾程見表5。

表5 QD340導(dǎo)熱油餾程

3 導(dǎo)熱油應(yīng)用分析

L-長城QD340導(dǎo)熱油自2021年9月使用至今設(shè)備運行正常，滿足該項目工藝要求及設(shè)備運行要求；2022年5月底進行現(xiàn)場取樣并議進行檢測，檢測結(jié)果見表6。

從表6可以看出，設(shè)備運行5個月以來，在用油指標(biāo)滿足GB 24747-2009《有機熱載體安全技術(shù)條件》中規(guī)定允許使用質(zhì)量指標(biāo)要求；根據(jù)該產(chǎn)品性能及在其它行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，可滿足30年的要求使用期限。

表6 QD 340導(dǎo)熱油技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

1）作為地下儲能技術(shù)導(dǎo)熱介質(zhì)，導(dǎo)熱油兼顧熔鹽、水二者優(yōu)點，取熱的溫度范圍更有利于熱能的收集和利用，操控的安全性和便捷性也經(jīng)過成功檢驗。未來將廣泛應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)、油脂工業(yè)、食品工業(yè)、紡織印染工業(yè)等眾多領(lǐng)域；應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷得到發(fā)展，相應(yīng)技術(shù)水平也會隨之提高。

2）鹽穴壓縮空氣儲能項目實現(xiàn)電網(wǎng)削谷填峰，提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和新能源消納能力，是具有發(fā)展前景的大規(guī)模清潔物理儲能技術(shù)。

3）L-QD 340導(dǎo)熱油不但滿足國家級儲能發(fā)電項目對導(dǎo)熱油性能要求，并且使用效果良好，運行9個月的導(dǎo)熱油指標(biāo)與出廠性能相當(dāng)，可滿足30年使用要求。