熔鹽槽式聚光集熱鏡場的夜間防凝運行方案研究

牛東圣，王彥普，周 治，趙 亮

(1. 中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2. 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

在槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱利用系統(tǒng)中，相比于以導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)的技術(shù)路線，以熔鹽作為傳熱介質(zhì)具有工作溫度高、循環(huán)效率高、傳熱介質(zhì)成本低等顯著優(yōu)勢[1-2]，因此，以熔鹽作為傳熱介質(zhì)的技術(shù)路線正在成為槽式聚光集熱應(yīng)用的重點發(fā)展方向。然而，熔鹽介質(zhì)的高凝固點在一定程度上制約著該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。目前，槽式聚光集熱應(yīng)用領(lǐng)域所用熔鹽的凝固點通常在120～220 ℃[3]，遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。在夜間無太陽輻照時，若不采取有效的防凝措施，停留在長達(dá)數(shù)千米長度集熱管中的熔鹽的溫度將逐漸下降，直至低于凝固點并發(fā)生凍堵，因此，合理的夜間防凝運行方案是熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)長期正常穩(wěn)定運行必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前，以熔鹽作為傳熱介質(zhì)的鏡場集熱回路通常采用的夜間防凝運行方案主要有以下兩類[4]：

1)夜間熔鹽排空方案：每天晚上將集熱回路內(nèi)的熔鹽完全排出至儲罐內(nèi)，第2天日出后熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)開始運行前再將其重新導(dǎo)入鏡場的集熱回路系統(tǒng)中[5]。

2)夜間熔鹽低速循環(huán)方案：鏡場集熱回路內(nèi)的熔鹽不排出，令冷熔鹽儲罐中的熔鹽在集熱回路內(nèi)低速循環(huán)，利用其熱量維持集熱回路的溫度[6]。但隨著不斷循環(huán)，熔鹽溫度會逐漸降低，損失的熱量可以通過配置防凝燃?xì)饧訜釥t，或結(jié)合項目地夜間的谷電優(yōu)惠電價配置防凝電加熱器，或由熱熔鹽儲罐引出一條旁路管路導(dǎo)出熱熔鹽與冷熔鹽混合，調(diào)節(jié)熱熔鹽流量使混合后的熔鹽溫度重新恢復(fù)至入口處的傳熱介質(zhì)溫度等方式予以補充。

本文針對某熔鹽槽式聚光集熱供汽-供暖項目，通過傳熱計算、技術(shù)經(jīng)濟分析等手段，對以上兩類夜間防凝運行方案的特點和優(yōu)劣情況進行詳細(xì)對比研究，給出夜間防凝運行方案優(yōu)化的初步結(jié)論，為提升以熔鹽作為傳熱介質(zhì)的槽式或線性菲涅爾式聚光集熱系統(tǒng)的運行安全性及經(jīng)濟性提供參考依據(jù)。

1 鏡場集熱管的夜間傳熱模型及驗證

直通式金屬-玻璃真空集熱管[7]是目前熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的集熱管。針對典型的直通式金屬-玻璃真空集熱管(下文簡稱為“集熱管”)，利用輻射熱網(wǎng)絡(luò)法和傳熱熱阻原理建立其穩(wěn)態(tài)傳熱模型。在夜間，無太陽輻射能量輸入，集熱管存在以下能量平衡方程。

對于玻璃管外表面，其能量平衡方程為：

式中：QR,rg為金屬管與玻璃管之間的輻射換熱功率，W；QC,rg為金屬管與玻璃管之間的對流換熱功率，W；QR,sg為玻璃管與外界環(huán)境之間的輻射換熱功率，W；QC,ag為玻璃管與外界環(huán)境之間的對流換熱功率，W。

對于金屬管外表面，其能量平衡方程為：

式中：QK,r為金屬管外表面與內(nèi)壁面之間的導(dǎo)熱功率，W。

對于金屬管內(nèi)壁面，其能量平衡方程為：

式中：為傳熱介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；cp為傳熱介質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg·K)；Ti為入口處的傳熱介質(zhì)溫度，K；To為出口處的傳熱介質(zhì)溫度，K。

以上3個能量平衡方程中各項參數(shù)的具體計算公式見文獻(xiàn)[8]。模型的計算程序中，已知集熱回路入口處的傳熱介質(zhì)溫度，通過假定流經(jīng)該集熱回路出口處的傳熱介質(zhì)溫度，不斷迭代，直至計算誤差小于程序設(shè)定的限定值即可獲得收斂解。

為驗證鏡場集熱管穩(wěn)態(tài)傳熱模型的準(zhǔn)確性和有效性，將模型計算結(jié)果與美國國家可再生能源實驗室(NREL)進行的Schott 2008 PTR70集熱管性能實驗[9]的實驗數(shù)據(jù)進行對比。該組性能實驗的集熱管內(nèi)不含傳熱介質(zhì)，采用電加熱裝置將集熱管加熱升溫。集熱管單位長度熱損失的實驗值和計算值隨金屬管平均溫度變化的曲線對比如圖1所示。圖中：qloss為集熱管單位長度熱損失；Tav為金屬管平均溫度。

圖1 集熱管單位長度熱損失的計算值和實驗值對比Fig. 1 Comparison between calculated values and experimental values of heat loss per unit length of collector tubes

從圖1可以看出：本穩(wěn)態(tài)傳熱模型對集熱管的熱損失計算結(jié)果與美國NREL的Schott 2008 PTR70集熱管性能實驗數(shù)據(jù)的整體吻合良好，計算誤差在實驗不確定度范圍之內(nèi)，驗證了本穩(wěn)態(tài)傳熱模型和計算程序的適用性和準(zhǔn)確性。

2 計算邊界條件

該熔鹽槽式聚光集熱供汽-供暖項目采用熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)作為熱源，其鏡場由10個集熱回路構(gòu)成，每個集熱回路均為南北向布置，東西方向一維自動跟蹤太陽。集熱回路采用U型布置，在回路兩端分別與高、低溫熔鹽母管相連接。該系統(tǒng)采用一種優(yōu)選的熔點較低、分解溫度較高的新型低成本四元熔鹽[10]作為傳熱和儲熱介質(zhì)。設(shè)計的集熱回路入口處的熔鹽溫度為220 ℃，出口處的熔鹽溫度為500 ℃，出口處的高溫熔鹽與水換熱產(chǎn)出蒸汽，可為項目所在工業(yè)園區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)供蒸汽及為周邊住宅區(qū)供暖。

該項目計算的邊界條件及主要參數(shù)如表1所示。表中：φ為管徑；環(huán)境溫度和風(fēng)速均取當(dāng)?shù)匾归g的平均溫度和平均風(fēng)速。

表1 計算的邊界條件及主要參數(shù)Table 1 Boundary conditions and main parameters for calculation

3 夜間熔鹽排空方案

對于鏡場夜間熔鹽排空方案，排空涉及到鏡場集熱回路和熔鹽母管，將熔鹽在低位排空至低位疏鹽罐，通過疏鹽泵將熔鹽輸送至冷熔鹽儲罐。熔鹽母管通常設(shè)置厚的保溫層，散熱量較??；而鏡場集熱管散熱量較大，因此，應(yīng)主要考慮鏡場集熱管的疏鹽情況。

本項目中，鏡場單個集熱回路由兩組集熱管及其中間的U型連接管串聯(lián)組成，單組集熱管長度為560 m，U型連接管長度約為50 m，按兩組集熱管同時向一側(cè)放坡，且坡向為熔鹽母管接管方向，則U型連接管中間點為單個集熱回路的最高點；通過設(shè)置排空閥門，在集熱管支路接至熔鹽母管調(diào)閥位置設(shè)置低位疏鹽點，將鏡場集熱回路中的熔鹽排空，初步設(shè)計每組集熱管設(shè)置1個疏鹽點。集熱回路的疏鹽示意圖如圖2所示。

圖2 集熱回路的疏鹽示意圖Fig. 2 Schematic diagram of molten salt draining in the heat collection loop

疏鹽管的管徑應(yīng)小于連接母管的管徑，且以不小于DN50(DN為管道公稱直徑，單位為mm)為宜；其中，疏鹽支管按DN50選取，疏鹽母管按DN100選取。根據(jù)以上條件，可以計算得到單組集熱管排空時間，具體如表2所示。

表2 單組集熱管排空時間的計算結(jié)果Table 2 Calculation result of emptying time of one group of heat collecting tubes

在疏鹽過程中，U型連接管中間點為最高點，隨著管道內(nèi)熔鹽體積降低，U型連接管中間點的壓力逐漸降低，最后呈真空狀態(tài)，不利于排空，因此，宜在該處添加排空閥，接1路氮氣管道，向管道充壓。但在管道不滿管(即未充滿熔鹽)的情況下，氮氣易集中在管道上部，在疏鹽罐接口處容易出現(xiàn)事故。

若夜間要求對熔鹽母管也進行疏鹽，則可在儲換熱區(qū)域和鏡場區(qū)域中間進行分界，疏鹽的兩個方向分別為鏡場區(qū)域和儲換熱區(qū)域，單側(cè)熔鹽母管的長度(含補償長度)約為950 m。根據(jù)以上條件，可以計算得到熔鹽母管排空時間，具體如表3所示。

表3 熔鹽母管排空時間的計算結(jié)果Table 3 Calculation result of emptying time of molten salt main pipe

由表3可以看出：熔鹽母管排空時間達(dá)到2.09 h，疏鹽時間較長。因此在熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)實際運行中，熔鹽母管可不進行疏鹽，以其自身配置的電伴熱裝置來維持管內(nèi)的熔鹽溫度，僅對鏡場集熱回路進行疏鹽排空。

夜間熔鹽排空方案需配置的設(shè)備為：1)為加快集熱回路中熔鹽的排空速度，需增設(shè)2套疏鹽罐、疏鹽泵及浸入式電加熱器；2)排空閥門；3)用于充壓的氮氣管道及其加熱裝置；4)排氣操作平臺等。需要注意的是，集熱回路需設(shè)計為呈一定坡度。

夜間熔鹽排空方案的優(yōu)點在于：由于夜間已將鏡場集熱回路內(nèi)的熔鹽全部排空，不需要低溫熔鹽在集熱回路內(nèi)維持低速循環(huán)，僅需對熔鹽母管進行電伴熱保溫。根據(jù)夜間熔鹽低速循環(huán)方案的熱損失計算結(jié)果可知，在完整的夜間熔鹽低速循環(huán)工況中，鏡場集熱回路部分的熱損失占整個方案總熱損失的約70%，而夜間熔鹽排空方案顯著降低了熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)的熱損失。

夜間熔鹽排空方案的主要缺點和運維難點在于：根據(jù)表2、表3的計算結(jié)果，對于夜間熔鹽排空方案(僅鏡場集熱回路排空)而言，每天日落熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)停機時的排空需耗時約1 h。熔鹽在集熱回路的順利排空，需要依賴集熱回路坡度的合理設(shè)計和安裝，且在依靠重力排鹽的同時還需要添加氮氣管道充壓。由于鏡場集熱回路不配置電伴熱裝置，第2天日出之后，首先需要利用太陽輻射對集熱管進行預(yù)熱；此時若鏡場完全聚焦，由于集熱管內(nèi)沒有傳熱介質(zhì)，會出現(xiàn)熱流密度過大、局部溫度過高的情況，從而存在損害集熱管的風(fēng)險，因此需要采取措施使鏡場部分聚焦，但集熱管溫度不易監(jiān)測，這一步驟的控制措施相當(dāng)復(fù)雜；且每天黃昏時刻集熱管的冷卻和第2天日出時刻集熱管的預(yù)熱升溫會產(chǎn)生交變應(yīng)力，集熱管容易產(chǎn)生疲勞失效風(fēng)險。集熱管預(yù)熱完成后才可以將熔鹽儲罐內(nèi)的熔鹽再次打入集熱回路，熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)開始正常工作。另外，由于低位疏鹽罐難以排空，需要電加熱器維持其內(nèi)部剩余熔鹽的熔融狀態(tài)，耗費電力。

綜上所述，采用夜間熔鹽排空方案時，每天對鏡場集熱回路的排空、預(yù)熱及再次充鹽的過程占用了太陽輻射資源和聚光集熱時間，使熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)全天可利用小時數(shù)降低，集熱量減少，同時運維難度較大，人力投入成本較高。

4 夜間熔鹽低速循環(huán)方案

完整的夜間熔鹽低速循環(huán)工況由以下3個過程組成：

1) 220 ℃的低溫熔鹽由冷熔鹽儲罐頂部的低溫熔鹽泵出發(fā)，經(jīng)鏡場集熱回路入口前的熔鹽母管流至鏡場集熱回路入口；

2)熔鹽由熔鹽母管引出的支管分別進入10個集熱回路，在鏡場集熱回路內(nèi)低速流動(由集熱回路入口經(jīng)U型連接管至集熱回路出口)，之后由各集熱回路出口的支管再匯集至出口的熔鹽母管；

3)熔鹽經(jīng)鏡場集熱回路后通過熔鹽母管返回至冷熔鹽儲罐。

對熔鹽槽式聚光集熱鏡場夜間防凝運行采用完整的夜間熔鹽低速循環(huán)方案時的熱損失進行計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 采用夜間熔鹽低速循環(huán)方案時的熱損失計算結(jié)果Table 4 Calculation results of heat loss using nighttime molten salt low-speed cycle scheme

采用夜間熔鹽低速循環(huán)方案的運行工況下，熔鹽由冷熔鹽儲罐出發(fā)，經(jīng)鏡場集熱回路入口前熔鹽母管進入鏡場集熱回路，在集熱回路內(nèi)低速循環(huán)后在集熱回路出口處匯集，再經(jīng)鏡場集熱回路出口后，通過熔鹽母管返回至冷熔鹽儲罐，完成1個循環(huán)。這一循環(huán)過程中，入口處的熔鹽溫度為220.00 ℃，出口處的熔鹽溫度為201.20 ℃，溫降為18.80 ℃，總熱損失為1073654.51 W。為了彌補循環(huán)過程這部分熱損失，采用夜間熔鹽低速循環(huán)方案時需配置防凝電加熱器。

夜間熔鹽低速循環(huán)方案的優(yōu)點在于：利用冷熔鹽儲罐中熔鹽本身的溫度(220 ℃)在鏡場集熱回路中維持低速循環(huán)，能夠有效防止因夜間溫度下降而造成的熔鹽凝固凍堵現(xiàn)象。對于熔鹽循環(huán)過程中的熱損失，可采用配置防凝電加熱器或防凝燃?xì)忮仩t等多種方式進行補充?？紤]到本項目所在地的夜間谷電優(yōu)惠電價政策，采用防凝電加熱器可使夜間防凝運行方案的運行成本大幅降低，經(jīng)濟可行。

夜間熔鹽低速循環(huán)方案的主要缺點在于：該方案夜間鏡場集熱回路的熱損失較大。針對本項目的設(shè)計工況，夜間按12 h計算，可得到采用夜間熔鹽低速循環(huán)方案時每個夜間工況的總熱損失為46.38 GJ。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮項目所在地全年陰、雨、雪天氣及其他因素導(dǎo)致的熱損失，該項目全年因采用夜間熔鹽低速循環(huán)這種防凝運行方案而造成的總熱損失約為22494.30 GJ。而本項目的熔鹽槽式聚光集熱系統(tǒng)的全年集熱量約為336804.88 GJ，則采用熔鹽低速循環(huán)這種防凝運行方案時的全年熱損失占全年集熱量的比例達(dá)到6.68%，占比較大。

另外，該防凝運行方案較為簡單易行，無明顯技術(shù)難點。

5 兩種夜間防凝運行方案對比分析

根據(jù)上文的分析，對夜間熔鹽排空方案和夜間熔鹽低速循環(huán)方案這兩種夜間防凝運行方案需要配置的設(shè)備和采購預(yù)算、運維成本，以及運維方案的特點進行總結(jié)，具體如表5所示。

表5 兩種夜間防凝運行方案的對比Table 5 Comparison of two kinds of nighttime anti solidification operation schemes

綜合表5的對比可以看出：與夜間熔鹽排空方案相比，夜間熔鹽低速循環(huán)方案的初始投資略高，但運維成本低、經(jīng)濟效益好，且運維難度低?，F(xiàn)階段，線聚光式(包括槽式和線性菲涅爾式)聚光集熱鏡場建議采用“夜間熔鹽低速循環(huán)+防凝電加熱器補熱”的防凝運行方案。

6 結(jié)論

本文依托某熔鹽槽式聚光集熱供汽-供暖項目，針對夜間熔鹽排空方案和夜間熔鹽低速循環(huán)方案這兩種主要的鏡場夜間防凝運行方案，分別從方案的技術(shù)特點、需要配置的設(shè)備、運維難易程度、運維成本，以及方案優(yōu)缺點等方面進行了全面的分析計算和比選研究。研究結(jié)果表明：

1)采用夜間熔鹽排空方案時，熔鹽槽式聚光集熱鏡場的熱損失較小，但每天日落后的熔鹽排空、第2天日出后的集熱管預(yù)熱及再次充鹽的過程占用了熔鹽槽式聚光集熱鏡場的有效工作時間，導(dǎo)致整體的集熱量減少、產(chǎn)出的蒸汽量減少；同時，夜間熔鹽排空方案對運維水平的要求較高。

2)采用夜間熔鹽低速循環(huán)方案時，熔鹽槽式聚光集熱鏡場的熱損失較大，所需的防凝電加熱器初始投資較高，但整體的運維成本及運維難度均較低。

3)對于本文研究的熔鹽槽式聚光集熱鏡場，建議采用“夜間熔鹽低速循環(huán)+防凝電加熱器補熱”的防凝運行方案，能夠以較低的綜合成本獲得較好的運行效果。