熔鹽儲(chǔ)熱應(yīng)用適配與風(fēng)險(xiǎn)管控

摘要：熔鹽儲(chǔ)熱屬于中高溫傳熱蓄熱方法，被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)。本文以某槽式光熱電站為例詳細(xì)闡述了槽式光熱電站熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的構(gòu)成要素以及該系統(tǒng)的工程造價(jià)情況。著重分析了槽式光熱的熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)適配性應(yīng)用的主要風(fēng)險(xiǎn)，并提出了應(yīng)對(duì)措施。在新型電力系統(tǒng)應(yīng)用的不同場(chǎng)景下，加速熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用，對(duì)熔鹽材料的商業(yè)化趨勢(shì)作出判斷，同時(shí)對(duì)該工藝系統(tǒng)設(shè)備選型提出參考意見(jiàn)。

1.槽式熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)電原理

熔鹽儲(chǔ)熱雖具有儲(chǔ)能密度高和運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但因熔鹽材料工況不同，其換熱特性也不同，當(dāng)前的技術(shù)研究方向仍以解決熔鹽儲(chǔ)熱在光熱電站的應(yīng)用需求為主，而在調(diào)峰調(diào)頻和綠電消納等可行性研究仍有瓶頸，缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。

由熔鹽儲(chǔ)熱和光熱機(jī)組的換熱形式可分為直接式和間接式。直接式，即直接利用熔鹽材料實(shí)現(xiàn)熱能傳導(dǎo)和蓄能，在400至 500^°C 溫度區(qū)間建立：太陽(yáng)能 $$ 熔鹽 $$ 蒸汽的能量轉(zhuǎn)換循環(huán)方式，其朗肯循環(huán)效率高。間接式，即以流體介質(zhì)，通過(guò)中間換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱能傳導(dǎo)并最終實(shí)現(xiàn)熔鹽蓄熱。集熱管系統(tǒng)吸熱后，被加熱的介質(zhì)匯流至母管，并通過(guò)泵送方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力循環(huán)，途經(jīng)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱交換產(chǎn)生蒸汽，或經(jīng)過(guò)熔鹽冷熱儲(chǔ)罐系統(tǒng)進(jìn)行熱交換改變?nèi)埯}工況。因流體介質(zhì)材料的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)熱油限定的工況通常在 400^°C 以下，但導(dǎo)熱油系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，在脫離儲(chǔ)能系統(tǒng)下仍可實(shí)現(xiàn)鏡場(chǎng)與蒸汽輪機(jī)機(jī)組的發(fā)電運(yùn)營(yíng)，因此光熱機(jī)組多采用間接式熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)[2]。

1.1熔鹽儲(chǔ)熱設(shè)備和管道系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全球已投運(yùn)槽式光熱機(jī)組的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，單組最大容量為50MW，采用熔鹽冷熱雙罐，熔鹽介質(zhì)在冷熱兩罐中循環(huán)換熱。雙罐技術(shù)在實(shí)踐中，可增加儲(chǔ)罐數(shù)量構(gòu)成多罐系統(tǒng)，增大儲(chǔ)熱量，提高了機(jī)組的可靠性和靈活性，避免了斜溫層問(wèn)題。

本機(jī)組50MW熔鹽儲(chǔ)熱單元中主要設(shè)備為一熱罐和一冷罐、六臺(tái)油鹽換熱器、六臺(tái)熔鹽泵、一臺(tái)排鹽罐、兩臺(tái)排鹽泵以及系統(tǒng)管道等。熔鹽總量為4.44萬(wàn)噸，設(shè)計(jì)熱能存儲(chǔ)容量為1650MWth，油鹽換熱器負(fù)荷為285MW，熔鹽罐每天可儲(chǔ)熱12.5小時(shí)，轉(zhuǎn)換率可達(dá) 90% 。本機(jī)組共配置四個(gè)單元，總?cè)萘繛?00MW3。熔鹽系統(tǒng)的管道包括：冷泵出口及再循環(huán)管道、熱泵出口及再循環(huán)管道、應(yīng)急排鹽管道、熔鹽雜項(xiàng)管道、氮?dú)馄胶夤艿?、換熱器連通管道、輔助系統(tǒng)管道。

2.熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)適配性應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1熱載體介質(zhì)參數(shù)要求導(dǎo)致的設(shè)備采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)

光熱產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和設(shè)備的研究方向，一是核心設(shè)備（介質(zhì)）在高參數(shù)工況下的運(yùn)行能力。高溫熔鹽材料傳熱系數(shù)高、熱穩(wěn)定性高和質(zhì)量傳遞速度快。量產(chǎn)耐高溫熔鹽，理論上選用混合組分為碳酸鹽和氯化鹽（鎂、鉀和鈉）的混合體系，來(lái)提高材料的整體效率。通過(guò)混合不同熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的無(wú)機(jī)鹽，可調(diào)配出溫度工況差異的復(fù)合鹽熔鹽。比如，仍在可研階段的超臨界布雷頓循環(huán)光熱發(fā)電系統(tǒng)，模擬的熔鹽溫度可達(dá) 800^°C ，冷熱罐溫差可達(dá)100至120^°C 本項(xiàng)目熔鹽組分為硝酸鈉和硝酸鉀（6：4），在260至 550^°C 之間為液體，其熔化熱為 161J/g ，比熱容為1.53J/（g?K） 。

二是光熱發(fā)電核心設(shè)備在新型動(dòng)力循環(huán)下產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品升級(jí)。由于熔鹽熱載體的特性，篩選產(chǎn)品時(shí)應(yīng)當(dāng)確保介質(zhì)抗凝功能。如熔鹽泵的選型，要關(guān)注泵體的材質(zhì)以及配套的流量和揚(yáng)程能力。而在熔鹽電加熱器選用上，主流是380V 的低壓電阻式，因此低成本且高電壓等級(jí)產(chǎn)品是研發(fā)的方向。

2.2熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)施工工藝風(fēng)險(xiǎn)— 陶粒土工藝

熔鹽罐基礎(chǔ)內(nèi)部采用陶粒填充，密實(shí)度要求壓實(shí)率達(dá) 98% MDD，靜載實(shí)驗(yàn)要求Minimum Ev2=90Mpa^[4] 。因陶粒質(zhì)地松散，每層回填最大厚度控制在 200mm ，震動(dòng)碾壓前每層壓實(shí)前滿鋪 10mm 鋼板，可避免陶粒擾動(dòng)。

2.3熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)施工工序與系統(tǒng)完備的風(fēng)險(xiǎn)

系統(tǒng)管道施工工序和TOP驗(yàn)收工序不當(dāng)將導(dǎo)致水壓以及冷態(tài)調(diào)試無(wú)法實(shí)施。管道安裝從地面部分開(kāi)始，先安裝冷（熱）鹽泵到熱交換器和熔鹽罐的管道。TOP驗(yàn)收順序?yàn)槔涔藓鬅峁蕖?chǔ)罐本體、鹽泵及管道、輔助系統(tǒng)、排鹽系統(tǒng)、換熱器。

2.4熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜性和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)

熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)多，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行缺陷的應(yīng)急處理要求嚴(yán)格。如系統(tǒng)泄漏和熔鹽堵凍問(wèn)題；罐體溫差控制問(wèn)題，易導(dǎo)致罐底焊縫撕裂和罐體變形；熔鹽流量控制問(wèn)題對(duì)傳熱效率的影響[5]，電伴熱保溫效果決定了罐體溫度上限。

從設(shè)計(jì)層面完善應(yīng)急系統(tǒng)，如設(shè)置緊急排鹽系統(tǒng)，有效保障設(shè)備安全?？紤]防凍堵運(yùn)行需求，優(yōu)化熔鹽罐出口、閥門(mén)、熔鹽泵等易凍堵設(shè)備的布置。在滿足應(yīng)力條件下，管系布置盡量少?gòu)濐^、多直段。每增加一個(gè)彎頭，壓力損失約增加0.1至 0.2MPa ，流量變化 5% 至 10%_c 。管道坡度大于 3% ，多彎管路坡度當(dāng)大于 5% 0

3.熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

在我國(guó)光熱發(fā)電領(lǐng)域，已經(jīng)完善了發(fā)展大規(guī)模光熱發(fā)電的條件，如光資源豐富的用地，全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的推廣和核心設(shè)備的研發(fā)。某項(xiàng)目50MW容量單元儲(chǔ)熱系統(tǒng)總造價(jià)約52392.4萬(wàn)元，單瓦造價(jià)10.48元，經(jīng)濟(jì)性不高，需要分析熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高效率和降低成本兩個(gè)方面。

在系統(tǒng)效率提高方面，一是使用具有更大溫度區(qū)間（儲(chǔ)熱容量大）和更高循環(huán)效率特性的吸熱裝置（集熱鏡）以及導(dǎo)熱介質(zhì)。二是系統(tǒng)嵌入新型動(dòng)力循環(huán)，儲(chǔ)熱系統(tǒng)工況溫度實(shí)現(xiàn) 700^°C_c

在降低成本方面，研發(fā)新一代的商用化熔鹽，具備耐高溫、熔點(diǎn)低、低成本的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)技術(shù)更新迭代聚焦儲(chǔ)罐系統(tǒng)優(yōu)化和加熱器的產(chǎn)品升級(jí)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)配套，構(gòu)建國(guó)家及行業(yè)級(jí)的評(píng)價(jià)體系。

4.熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的場(chǎng)景應(yīng)用一火電調(diào)峰和供熱

理論上，如果熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高換熱效率（熔鹽對(duì)蒸汽）和增加儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)，就能參與火電機(jī)組的調(diào)峰功能。以高參數(shù)和寬溫域的熔鹽適配雙罐是具備可行性的。如蒸汽介質(zhì)儲(chǔ)熱，即引出的蒸汽介質(zhì)（主蒸汽或再熱蒸汽）嵌入熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)；如電力加熱儲(chǔ)熱，即用電力（發(fā)電機(jī)出口）加熱熔鹽系統(tǒng)的電加熱；如煙氣儲(chǔ)熱，即通過(guò)煙氣對(duì)熔鹽換熱器實(shí)現(xiàn)混合型加熱。熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)嵌入火力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)在于其極大地提高了系統(tǒng)高溫蒸汽供給能力和機(jī)組深度調(diào)峰能力，但上述儲(chǔ)熱方式對(duì)火力發(fā)電系統(tǒng)及局域電網(wǎng)的負(fù)面影響仍需對(duì)比研究。

綠電供熱的應(yīng)用作為新能源消納的途徑之一，其過(guò)程是利用過(guò)剩電能（來(lái)自風(fēng)電或光伏的余電量和低谷電）對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱，供暖給水升溫后進(jìn)入供暖系統(tǒng)[]。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文基于光熱發(fā)電的背景下，就熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的成熟應(yīng)用展開(kāi)論述，以設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料更迭提高系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度及熱效率，加速其他場(chǎng)景的應(yīng)用實(shí)踐，如火電靈活性改造、清潔供熱、工業(yè)蒸汽等領(lǐng)域。熔鹽儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)存周期長(zhǎng)、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，風(fēng)險(xiǎn)較小，但也有關(guān)鍵設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)缺失和系統(tǒng)集成評(píng)價(jià)體系不規(guī)范問(wèn)題。隨著低成本熔鹽的研發(fā)推廣和以熔鹽為工質(zhì)的設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)的完善，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用空間將更為廣闊。

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