探討熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)在工業(yè)園區(qū)供熱中的運(yùn)用

近年來(lái)，在大力發(fā)展綠色清潔能源的背景下，非化石能源裝機(jī)在全國(guó)發(fā)電裝機(jī)中的比例持續(xù)提升，但風(fēng)、光等可再生綠電在實(shí)際運(yùn)行中存在穩(wěn)定性、持續(xù)性不佳的問題。對(duì)此，可以選擇熔鹽作為優(yōu)良的傳熱儲(chǔ)能介質(zhì)，在工業(yè)園區(qū)建設(shè)中加強(qiáng)供熱發(fā)電系統(tǒng)與熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)耦合，開展熔鹽低碳供熱項(xiàng)目。

1.熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)的基本原理

熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)是以熔鹽儲(chǔ)能材料為儲(chǔ)能介質(zhì)，將太陽(yáng)能光熱、光伏、地?zé)帷⒐I(yè)余熱、低品位廢熱、谷電等能量來(lái)源以熱能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，通過(guò)加熱系統(tǒng)將低溫熔鹽加熱成高溫熔鹽，進(jìn)而以高溫熔鹽顯熱的形式實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，在用能時(shí)段通過(guò)與用熱介質(zhì)換熱釋放能量，解決由于時(shí)間、空間或強(qiáng)度上的熱能供給與需求不匹配所帶來(lái)的問題，最大限度地提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率而逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新興儲(chǔ)能技術(shù)[。熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)常與光伏、風(fēng)電、核能等系統(tǒng)相耦合。熔鹽通過(guò)電加熱將低溫熔鹽加熱至高溫離子熔體狀態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)熱。熔鹽儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、成本低、電網(wǎng)輔助服務(wù)功能完善、無(wú)地理?xiàng)l件限制、安全性高，是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的理想技術(shù)之一。

2.熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)在工業(yè)園區(qū)供熱中的系統(tǒng)應(yīng)用

2.1熔鹽選擇

熔鹽作為實(shí)現(xiàn)熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)的儲(chǔ)熱媒介，包括低熔點(diǎn)熔鹽、二元熔鹽、三元熔鹽等多種類型，在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)各熔鹽特性（如熔鹽特定的熔點(diǎn)、分解溫度、比熱容、粘度、密度、腐蝕、結(jié)晶、共晶和工作溫度范圍等）和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的工況需求，進(jìn)行專業(yè)的匹配設(shè)計(jì)，選擇合適的熔鹽作為儲(chǔ)熱媒介。在工業(yè)園區(qū)供熱中的熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)運(yùn)用中，需綜合考慮熔鹽本身作為蓄熱工質(zhì)，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中物化性能穩(wěn)定性和熱物性參數(shù)波動(dòng)大小，密切關(guān)注熔鹽對(duì)熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽管路、測(cè)試設(shè)備、預(yù)熱器、換熱器、過(guò)熱器、再熱器、閥門等過(guò)流部件與設(shè)備的影響[2]。在熔鹽產(chǎn)品的品質(zhì)界定中，可通過(guò)產(chǎn)品組分檢測(cè)界定其主成分含量以及其他雜質(zhì)離子含量，關(guān)注熔鹽產(chǎn)品含水量高低對(duì)其采購(gòu)成本與儲(chǔ)熱能力產(chǎn)生的影響，并根據(jù)產(chǎn)品顆粒均勻度、色澤等粗略判斷熔鹽復(fù)配工藝及精細(xì)度，進(jìn)而再對(duì)熔鹽產(chǎn)品性能做進(jìn)一步測(cè)試。

2.2電加熱器

在實(shí)現(xiàn)從電能到熱能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，熔鹽電加熱器作為其中的核心部件，根據(jù)當(dāng)前熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用來(lái)看，可按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為多種類型。

2.2.1按安裝方式分

浸入式電加熱器。這種加熱器直接插入熔鹽中進(jìn)行加熱，通常設(shè)計(jì)為棒狀或管狀，以便直接與熔鹽接觸，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，適用于小型或中型的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有加熱均勻、熱效率高的特點(diǎn)。

板式電加熱器。由一系列平行的加熱板組成，熔鹽在板間流動(dòng)，通過(guò)電熱板將電能轉(zhuǎn)化為熱能，適用于大型的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小且易于維護(hù)和清潔。

循環(huán)式電加熱器。利用泵將熔鹽循環(huán)通過(guò)加熱元件進(jìn)行加熱，適用于需要連續(xù)加熱或大規(guī)模加熱的應(yīng)用場(chǎng)景，如太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)。

插入式電加熱裝置。這種裝置插入輔助熱套管內(nèi)，常用于輔助加熱熔鹽，通常設(shè)置在循環(huán)儲(chǔ)罐的內(nèi)底部，通過(guò)電輔助加熱裝置對(duì)熔鹽進(jìn)行輔助加熱。

每種類型的熔鹽電加熱器都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)，選擇時(shí)需根據(jù)具體需求和系統(tǒng)規(guī)模來(lái)確定最合適的類型。此外，為了確保安全和使用壽命，選擇高質(zhì)量的加熱器和進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)也非常重要。

2.2.2按照電加熱方式分

常見的熔鹽電加熱器包括電磁式、電阻式等。其中熔鹽電阻加熱器與傳統(tǒng)槽式電加熱的原理相同，其利用特殊管狀電熱元件結(jié)合法蘭集束的形式與壓力容器組成供熱整體，主要由法蘭封頭、電加熱芯、擾流板、外殼筒體和集線槽等組成，熔鹽電阻加熱器系統(tǒng)利用電能對(duì)電加熱芯進(jìn)行通電加熱，對(duì)筒體內(nèi)的熔鹽液態(tài)工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流加熱升溫，熱量直接作用于熔鹽介質(zhì)，極大地提升了電-熱轉(zhuǎn)換效率，減少了能源浪費(fèi)。

2.2.3按照供電側(cè)電壓分

結(jié)合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展的成熟程度、絕緣材料的限制性和電氣特性等可分為低電壓380V/690V電阻加熱器、中高電壓6KV/10KV電阻加熱器和電磁感應(yīng)加熱器。

目前，中高電壓電阻加熱器逐漸成為熔鹽儲(chǔ)能加熱器系統(tǒng)中新的技術(shù)路線之一。中高電壓電阻加熱器從高電壓電網(wǎng)直接并網(wǎng)供電，具有設(shè)備占地面積小、總體成本和電能損耗更低等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)電氣性能的要求高，電氣元件間安全間隙要加大，高壓安全防護(hù)等級(jí)需要大大提高，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、制造工藝及設(shè)備需要特殊開發(fā)和匹配，并需要經(jīng)過(guò)充分測(cè)試驗(yàn)證其可靠性，使其滿足工業(yè)園區(qū)儲(chǔ)熱供熱需求及安全要求。

2.3熔鹽儲(chǔ)罐

在設(shè)置熔鹽儲(chǔ)罐時(shí)，應(yīng)以避免熔鹽泄漏為關(guān)鍵，重點(diǎn)關(guān)注高溫熔鹽儲(chǔ)罐本身直徑大、沉降量大、液體附加壓力大等基礎(chǔ)特點(diǎn)，綜合考慮其在工業(yè)園區(qū)供熱應(yīng)用中因儲(chǔ)存溫度高、基礎(chǔ)保溫與不均勻沉降要求等造成的安全隱患，總結(jié)熔鹽儲(chǔ)罐焊接質(zhì)量、膨脹受限、基礎(chǔ)沉降等泄漏影響因素，在設(shè)計(jì)溫度下合理選擇熔鹽儲(chǔ)罐材料。根據(jù)功能的不同，可將熔鹽儲(chǔ)罐分為高溫熔鹽儲(chǔ)罐與低溫熔鹽儲(chǔ)罐。綜合對(duì)比TP347H、S31608、Q345R、16MnDR幾種常見壓力容器材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、使用溫度范圍、許用應(yīng)力、密度等參數(shù)，結(jié)合熔鹽儲(chǔ)罐正常工作溫度，可分別選擇S31608與Q345R作為高溫熔鹽儲(chǔ)罐與低溫熔鹽儲(chǔ)罐的罐體材料[3]。除此之外，在應(yīng)用熔鹽儲(chǔ)罐的過(guò)程中，積極做好溫度檢測(cè)工作，防止因溫度過(guò)高導(dǎo)致熔鹽變質(zhì)進(jìn)而對(duì)設(shè)備造成腐蝕。

2.4熔鹽泵

在熔鹽系統(tǒng)中主要利用熔鹽泵實(shí)現(xiàn)傳熱介質(zhì)輸送、轉(zhuǎn)移的循環(huán)功能。作為熔鹽系統(tǒng)的主循環(huán)泵，高溫熔鹽泵在實(shí)際運(yùn)行期間，由于其輸送溫度最高可達(dá) ，且工作環(huán)境十分復(fù)雜，因此，選擇API610濕坑型立式懸吊泵作為熔鹽泵選型。與此同時(shí)，考慮到工業(yè)園區(qū)供熱系統(tǒng)中熔鹽電加熱儲(chǔ)熱與傳統(tǒng)塔式光熱電站的區(qū)別，在設(shè)置低溫熔鹽泵時(shí)，無(wú)需將低溫熔鹽輸送到超過(guò)百米的聚光塔中，而是以克服設(shè)備高度、系統(tǒng)管道與電加熱器助力損失即可，選擇與啟動(dòng)熔鹽泵相近的揚(yáng)程。由于啟動(dòng)系統(tǒng)可利用水泵出口回流調(diào)節(jié)管與旁路管實(shí)現(xiàn)，故在設(shè)置熔鹽泵的過(guò)程中僅需高溫熔鹽泵與低溫熔鹽泵即可，無(wú)需專門設(shè)置啟動(dòng)熔鹽泵。

2.5蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

基于工業(yè)園區(qū)低碳供熱的需求，在運(yùn)用熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)的過(guò)程中，應(yīng)明確供熱儲(chǔ)能電站設(shè)置的自的是以供熱為主，同時(shí)以發(fā)電作為系統(tǒng)的輔助功能。因此，在設(shè)置蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的過(guò)程中，可重點(diǎn)把握好預(yù)熱器、蒸發(fā)器、汽包、過(guò)熱器設(shè)置的合理性，取消系統(tǒng)中多余的載熱器。根據(jù)運(yùn)用熔巖電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)的工業(yè)園區(qū)供熱實(shí)際運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中熔鹽側(cè)壓力在0.3至0.5MPa之間，同時(shí)該系統(tǒng)汽水側(cè)壓力還與系統(tǒng)整體發(fā)電和供熱需求存在聯(lián)系，通常處于較高水平，一般在5MPa以上，在這一方面與光熱電站存在較大的不同[4]。對(duì)此，除了應(yīng)用U形管換熱器模式完成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器的合理設(shè)置外，還要采用汽水走管程、熔鹽走殼程的模式，將熔鹽與汽水分離開來(lái)，并為后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行中的設(shè)備檢修環(huán)節(jié)疏放熔鹽創(chuàng)造有利條件。

2.6熔鹽管道與閥門

從工業(yè)園區(qū)低碳供熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的角度出發(fā)，由于熔鹽本身在低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，且清除難度較高，因此，為了滿足系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中后續(xù)檢修工作的實(shí)際需求，在系統(tǒng)設(shè)置時(shí)還要注重熔鹽管道與閥門的科學(xué)設(shè)置。在水平連接與臥式設(shè)備的安裝設(shè)置過(guò)程中，應(yīng)以合理選型為前提，并在一般情況下設(shè)置1 % 左右的坡度，通過(guò)這種熔鹽管道與閥門系統(tǒng)的設(shè)置方式，可以有效避免因熔鹽凝結(jié)造成的不利影響，使其在自身重力作用下自動(dòng)進(jìn)入疏鹽罐中。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在將熔鹽電加熱儲(chǔ)熱技術(shù)用于工業(yè)園區(qū)供熱系統(tǒng)時(shí)，雖然可充分發(fā)揮熔鹽在儲(chǔ)熱方面的性能優(yōu)勢(shì)，但從經(jīng)濟(jì)性的層面來(lái)看，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的成本介于燃煤供熱與燃?xì)夤嶂g，且存在容量電費(fèi)、用電屬性等問題。因此，在工業(yè)園區(qū)供熱領(lǐng)域，還可對(duì)該技術(shù)做更深入的探索。

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