熔鹽電加熱儲熱技術(shù)在園區(qū)供熱中的應(yīng)用

摘" 要：熔鹽具有使用溫度高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、高比熱容和低飽和蒸汽壓等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的傳熱儲能介質(zhì)。工業(yè)園區(qū)通過大容量熔鹽儲能與供熱/發(fā)電系統(tǒng)耦合，構(gòu)建分布式儲能-靈活供熱供電系統(tǒng)，不僅可解決新能源電力大幅并網(wǎng)后的消納問題，還為園區(qū)供熱提供了新的發(fā)展方向。該文通過對某園區(qū)熔鹽低碳供熱示范項(xiàng)目分析，探究熔鹽電加熱、熔鹽儲能及蒸汽發(fā)生系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案，為園區(qū)熔鹽供熱技術(shù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：園區(qū)供熱；熔鹽電加熱器；熔鹽儲熱；傳熱儲能介質(zhì)；供熱供電系統(tǒng)

中圖分類號：TM621" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0183-04

Abstract： Molten salt has the advantages of high operating temperature， strong thermal stability， high specific heat capacity and low saturated vapor pressure， and is an excellent heat transfer and energy storage medium. The industrial park couples large-capacity molten salt energy storage with the heating/power generation system to build a distributed energy-flexible heating and power supply system， which can not only solve the consumption problem of new energy power after being greatly connected to the grid， but also providea new development directionfor park heating. This paper analyzes a low-carbon molten salt heating demonstration project in a park， explores relevant technical solutions for molten salt electric heating， molten salt energy storage and steam generation systems， and provides reference for the park's molten salt heating technology.

Keywords： park heating; molten salt electric heater; molten salt heat storage; heat transfer and energy storage medium; heating and power supply system

能源活動作為我國溫室氣體的主要排放源，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年，排放的二氧化約占總量的86.9%[1]，電力/熱力行業(yè)是我國碳排放的重要源頭，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的主戰(zhàn)場之一。截止到2023年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量29.2億kW，非化石能源裝機(jī)約15.7億kW，占比提升至53.9%，歷史性超過火電裝機(jī)；其中，風(fēng)電、光伏裝機(jī)10.5億kW[2]，占新增非化石裝機(jī)占總新增裝機(jī)的85.3%，未來比重將還處于快速提高（圖1、圖2）。

因風(fēng)、光等可再生綠電具有間歇性和不穩(wěn)定性，無法大規(guī)模并網(wǎng)和消納，使得部分地區(qū)存在大量棄電現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)；另一方面，受煤炭指標(biāo)和污染物排放容量等限制，一些興起或快速發(fā)展的工業(yè)園區(qū)，無法獲得大量低碳的蒸汽，使得園區(qū)發(fā)展受限。熔鹽具有較高的熱穩(wěn)定性、高比熱容，耦合谷電蓄熱，峰電放熱發(fā)電，能夠較好解決這一供熱問題，還不外增排碳。本文以桐鄉(xiāng)某園區(qū)熔鹽低碳供熱示范項(xiàng)目為契機(jī)，對熔鹽電加熱儲熱技術(shù)進(jìn)行分析。

1" 熔鹽電加熱儲熱及供熱機(jī)理

20世紀(jì)90年代各國開始研究以熔鹽為介質(zhì)的儲熱技術(shù)，熔鹽儲熱和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)經(jīng)過光熱電站實(shí)踐，其技術(shù)成熟、穩(wěn)定、可靠，可適用于園區(qū)儲熱和供熱系統(tǒng)?；诖耍纬蓤@區(qū)熔鹽電加熱儲熱供熱技術(shù)，其基本原理如下。

儲能過程：在電價低谷或園區(qū)內(nèi)富裕蒸汽時段，熔鹽儲能系統(tǒng)利用谷電或富裕蒸汽進(jìn)行儲能，同時還產(chǎn)生工業(yè)蒸汽供熱用戶使用。具體如圖3所示。

供熱過程：在電價高峰和尖峰時段，儲能系統(tǒng)釋放熱能和電能，滿足園區(qū)熱/電用戶的高峰用電和供熱需求，具體如圖4所示。

由于下游用戶供熱要求的不同，熔鹽儲能供熱采用熔鹽類型、系統(tǒng)配置又有差異[3-4]，具體見表1。

2" 熔鹽電加熱儲熱系統(tǒng)

圖5為桐鄉(xiāng)某園區(qū)低碳供熱示范項(xiàng)目系統(tǒng)圖，該項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為70 MW/343 MWht熔鹽儲熱系統(tǒng)配1×6.5 MW背壓式發(fā)電機(jī)，1套1 923 m3高溫熔鹽熱罐、1套1 788 m3低溫熔鹽冷罐、2臺冷鹽泵（一用一備）、2臺熱鹽泵（一用一備）組成，熔鹽泵選用立式長軸液下泵，安裝在儲罐頂部，配兩列多套式電加熱器系統(tǒng)。

通過熔鹽儲能系統(tǒng)產(chǎn)生高壓蒸汽進(jìn)入背壓機(jī)發(fā)電后供熱和供電，并保持全天24 h連續(xù)穩(wěn)定向周邊用戶提供32～38.5 t/h（1.0 MPa，245 ℃）低壓工業(yè)蒸汽，其中熔鹽儲能兼供汽的時長為12 h。項(xiàng)目具體運(yùn)行模式，見表2。

2.1" 熔鹽選擇

目前常用的硝酸熔鹽有Solar Salt、Hitec、Hitec-XL[5]。其性能參數(shù)見表3。

由表3看出，根據(jù)用戶的用熱參數(shù)，可大致分為高溫（大于600 ℃）、中溫（350～575 ℃）、低溫（100～350 ℃）和室溫（小于100 ℃）四大熔鹽體系，當(dāng)然各體系之間無嚴(yán)格的溫度界限。

本項(xiàng)目考慮示范及發(fā)電作用，選用高參數(shù)的二元鹽（Solar Salt）作為儲熱介質(zhì)，高溫熔鹽工作溫度為560 ℃，低溫熔鹽工作溫度為290 ℃。

2.2" 電加熱器

熔鹽電加熱器是整個電轉(zhuǎn)熱的核心部件，目前熔鹽電加熱器主要有電阻式、電極式、電磁式等形式。受絕緣材料限制，國內(nèi)當(dāng)前技術(shù)比較成熟為低壓系統(tǒng)，接入電源380 V或690 V，10 kV還處于試驗(yàn)研發(fā)階段，這就造成系統(tǒng)的變壓器和控制柜多，連接電力電纜多且大，線纜損耗大，投資高。

熔鹽還還存在高溫分解，除造成熔鹽損失外，還產(chǎn)生有毒有害的氣體，會對系統(tǒng)運(yùn)行造成極大危害。而電加熱器內(nèi)是熔鹽系統(tǒng)溫度最高處，為最不利點(diǎn)。為控制溫度，項(xiàng)目35 MW熔鹽電加熱系統(tǒng)，分成2個50% （17.5 MW）電加熱器組列。單組列由前后四套獨(dú)立電加熱器串聯(lián)，各級電功率逐步減少，分別由6、5.5、4和2 MW組成，前幾級大功率加熱快速升溫，后幾級小功率精準(zhǔn)控溫，同時最后一級還進(jìn)行內(nèi)部進(jìn)一步細(xì)分控溫。這樣克服單一功率的末端難以控溫，造成局部超溫的弊端，保證熔鹽不超溫分解。

2.3" 熔鹽儲罐

熔鹽儲罐作為蓄熱核心設(shè)備，一旦發(fā)生泄漏事故，因熔鹽凝固，清除困難，恢復(fù)時間長。特別是高溫熔鹽儲罐，具有大直徑、液體附加壓力大（熔鹽密度遠(yuǎn)大于水和油品，單位面積附加載荷大）、沉降量大等特點(diǎn)；同時還存在①儲存溫度高，575 ℃左右；②基礎(chǔ)保溫及不均勻沉降要求高等特性，故其安全隱患大。據(jù)現(xiàn)有報(bào)道的熔鹽儲罐泄漏事故，罐底焊接質(zhì)量、基礎(chǔ)沉降和膨脹受限是產(chǎn)生熔鹽儲罐泄漏的關(guān)鍵[6-7]。

根據(jù)熔鹽儲罐的功能，分為低溫和高溫熔鹽儲罐，現(xiàn)有常用的材料特性見表4。對于低溫熔鹽儲罐使用溫度為290～400 ℃，一般選用Q345R或SA516-70作為罐體材料；高溫熔鹽儲罐正常工作溫度為565～580 ℃，一般選用S31603或SA347H作為罐體材料[8-9]。

2.4" 熔鹽泵

熔鹽泵作為熔鹽系統(tǒng)的主循環(huán)泵，擔(dān)負(fù)著傳熱介質(zhì)輸送及轉(zhuǎn)移的功能。高溫熔鹽泵工作環(huán)境苛刻，輸送溫度高達(dá)400～600 ℃，目前主流選用API610的VS1～VS5結(jié)構(gòu)的濕坑型立式懸吊泵[10-12]。

針對園區(qū)電加熱儲熱，有別于塔式光熱電站，無需將冷鹽輸送至超百米聚光塔，其冷鹽泵僅需要克服電加熱器、系統(tǒng)管道的阻力損失和設(shè)備高度，揚(yáng)程僅為40～50 m，與啟動熔鹽泵的揚(yáng)程相近，可通過水泵出口回流調(diào)節(jié)管和旁路管，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動，故可不設(shè)啟動熔鹽泵，如系統(tǒng)圖5所示。

2.5" 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)（SGS）

根據(jù)功能要求，園區(qū)供熱儲能電站其主要目的為供熱為主，發(fā)電為輔助，系統(tǒng)設(shè)置預(yù)熱器、蒸發(fā)器、汽包和過熱器，不再設(shè)置再熱器。

系統(tǒng)中的預(yù)熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器均選用U形管換熱器模式，由于熔鹽側(cè)的壓力不高（通常在0.3～0.5 MPa（熔鹽）），而汽水側(cè)壓力偏高（一般由發(fā)電及供汽要求確定，大于等于5.0 MPa），這與光熱電站有較大差異，故推薦熔鹽走殼程，汽水走管程，消除熔鹽對汽水的滲漏，還利于設(shè)備檢修熔鹽的疏放[13]。

2.6" 熔鹽管道及閥門系統(tǒng)

熔鹽在低溫易凝結(jié)，難以清除，為保證后期檢修需要，系統(tǒng)中的一些閥門、管道等水平連接及臥式設(shè)備均需設(shè)置一定坡度，一般在1%左右，使熔鹽依靠自重排至疏鹽罐。系統(tǒng)上的儀表及閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能消除內(nèi)部凹槽，避免熔鹽殘留在設(shè)備內(nèi)部無法清理和維修。

3" 經(jīng)濟(jì)性分析

園區(qū)電加熱儲熱供汽利用峰谷電的差額實(shí)施谷電儲熱供汽，峰電供汽和發(fā)電，與其他供汽系統(tǒng)相比，成本介于燃煤與燃?xì)夤嶂g（表5），與燃煤熱電相比，價格還是偏高較多，差價在100元/t左右，目前優(yōu)勢還不是特別明顯，但伴隨設(shè)備的成熟和國產(chǎn)化，未來成本將逐步下降。

此外，園區(qū)電加熱儲熱發(fā)電供汽還存在電網(wǎng)政策問題，一是容量電費(fèi)問題；二是用電屬性問題，屬于用戶側(cè)還是發(fā)電側(cè)，還未有明確界定政策；三是對峰電期間輔助發(fā)電上網(wǎng)電費(fèi)還缺少相應(yīng)的補(bǔ)貼政策。

4" 結(jié)論

熔鹽儲熱具有儲熱功率高（可實(shí)現(xiàn)百兆瓦級），大儲熱時間長（單日10 h），儲熱參數(shù)高（達(dá)到575 ℃），效率高（大于90%）等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用與園區(qū)電加熱儲能供熱，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1）電加熱系統(tǒng)通過前端高功率，后端低功率的逐級下降模式，可實(shí)現(xiàn)對熔鹽系統(tǒng)精確控溫，降低分解的危險。

2）利用熔鹽冷泵低揚(yáng)程特性，通過閥門及管道回流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動，無需設(shè)置啟動熔鹽泵。

3）以供熱為主，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)（SGS）可不設(shè)蒸汽再熱系統(tǒng)。

未來隨著電網(wǎng)政策的打開，熔鹽電加熱儲熱具有平衡電網(wǎng)和消納綠電功能，以及環(huán)保要求提高，將為園區(qū)供汽/電開辟一條新的清潔能源發(fā)展路線。

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