熔鹽和導熱油蓄熱儲能技術在光熱發電中的應用研究

汪　琦，俞紅嘯，張慧芬

（上海熱油爐設計開發中心，上海200042）

熔鹽和導熱油蓄熱儲能技術在光熱發電中的應用研究

汪琦，俞紅嘯，張慧芬

（上海熱油爐設計開發中心，上海200042）

討論了熔鹽和導熱油的蓄熱儲能技術，給出了熔鹽和導熱油的規格及技術特性參數，介紹了熔鹽蓄熱儲能光熱發電站和新型生物質能光熱混合發電站，分析了熔鹽蓄熱儲能循環系統的工藝流程和設計方法，并對光熱發電站中熔鹽貯罐的設計進行了研究，討論了防止熔鹽凝固的電伴熱系統設計方案，分析了光熱電站系統的整體與遠程溫度監測和控制方法。

熔鹽蓄熱儲能；合成導熱油；光熱發電；循環系統；熔鹽貯罐；電伴熱系統

目前熔鹽（或導熱油）蓄熱儲能的槽式光熱發電技術已被實踐驗證為成熟、安全、可靠的技術，但從成本下降的潛力來看，采用熔鹽蓄熱儲能的塔式光熱發電技術可能會更具有競爭優勢。

槽式系統一般由槽式拋物面聚光器、熱載體蓄熱儲能裝置、蒸汽發電機組等組成，槽式拋物面將太陽光聚焦在一條線上，在這焦線上安裝管狀集熱器，以吸收聚焦的太陽輻射能，常將眾多的槽式聚光器串并成聚光集熱器陣列。槽式聚光器對太陽輻射能進行一維跟蹤，將太陽光聚集到管狀的接收器上，并將管內的熔鹽（或導熱油）加熱，熔融鹽（或高溫導熱油）釋放的熱能用來產生蒸汽，推動蒸汽渦輪機發電；而其中有些熱能被儲存在高溫熔融鹽貯罐內，以便在夜晚或者陰雨天釋放出來產生電力。塔式系統是利用定日鏡將太陽熱能輻射反射到置于高塔頂部的高溫熔鹽集熱器上，加熱后的熔融鹽可以在更高溫度下儲存熱量，通過熔鹽蒸汽發生器產生過熱蒸汽，驅動蒸汽渦輪發電機組發電。

1　熱載體蓄熱儲能技術

1.1熔鹽蓄熱儲能技術

以前光熱發電中采用三元混合熔鹽做為蓄熱儲能材料，它是由53%KNO3：40%NaNO2：7%NaNO3的比例進行配制?，F在光熱發電中采用的熔鹽是二元混合熔鹽，它是由40%KNO3：60%NaNO2混合而成，該熔鹽在221℃時開始熔化，在600℃以下熱穩定性非常好，采用加人添加劑可以使二元混合熔鹽的熔點大幅度降低，但同時不改變混合熔融鹽的熱穩定性，甚至還能夠進一步提高熔鹽的最高使用溫度。將來光熱發電中會尋找一種更好的熔鹽混合物做為傳熱和蓄熱載體，這種熔鹽混合物能在更高的溫度下儲存熱能，從而提高發電量；同時能在較低溫度下保持液態，進而減少用于避免其固化的能源消耗。

（1）三元混合熔鹽

三元混合熔鹽屬于優良的傳熱、儲熱介質，使用溫度為250～550℃，其熔點低、傳熱效率高，傳熱穩定；并且不燃燒，無爆炸危險，價格低廉，廣泛應用于固堿、三聚氫胺、氧化鋁等行業。三元混合熔鹽的產品規格參見表1。

表1　三元混合熔鹽的產品規格

（2）二元混合熔鹽A型

二元混合熔鹽A型屬于優良的傳熱、儲熱介質，使用溫度為230～600℃，其傳熱效率高，上限溫度較高、傳熱穩定，腐蝕性低；并且相變潛熱高，體積收縮率低，特別適合光熱發電行業。二元混合熔鹽A型的產品規格參見表2。

表2　二元混合熔鹽A型的產品規格

（3）二元混合熔鹽B型

二元混合熔鹽B型屬于優良的傳熱、儲熱介質，使用溫度為240～560℃，其傳熱效率高，溫度可精確控制；并且蒸汽毒性低、腐蝕性低，廣泛應用于化工、熱處理、石油加工等行業。二元混合熔鹽B型的產品規格參見表3。

表3　二元混合熔鹽B型的產品規格

（4）熔鹽的技術參數

熔鹽是鹽類熔化形成的液體，是由陽離子和陰離子組成的離子熔體，是由硝酸鉀、亞硝酸鈉、硝酸鈉組成的混合物。各種型號的熔鹽技術參數見表4。

表4　熔鹽的技術參數

1.2導熱油蓄熱儲能技術

導熱油分為礦物型導熱油和化學合成型導熱油，光熱發電中使用的導熱油應分為化學合成型導熱油，劣化后通過再生處理還可重復使用，較為經濟合算。導熱油選擇應根據使用條件，既要考慮導熱油的使用溫度、又要考慮導熱油的特性和熱穩定性，選擇使用壽命長、價格性能較好的導熱油。

（1）聯苯加二苯醚混合物

當光熱發電中導熱油的工作溫度為350～400℃時，從耐熱性考慮可以選擇聯苯加二苯醚混合物，并在膨脹槽內加壓后用于液相系統。聯苯和二苯醚混合物的化學結構式如下：

該化學合成導熱油是聯苯（熔點71℃）、二苯醚（熔點28℃）二者的共融混合物，由于其苯環上未連接烷烴基側鏈，因而其耐熱性較好。但另一方面因為凝固點只有12℃，故在氣溫較低時應對配管、貯槽、儀器、儀表必須配套有防凍設施的伴熱系統。二苯醚中結合有醚類，熱分解時氫核的存在則可產生酚類，由于苯酚的純品有低腐蝕性，而遇到水分存在的條件下，對碳鋼等金屬材料有一定程度的腐蝕作用。通常在兩種情況下會產生酚類：一是在溫度超過350℃的高溫下，二是在長時間使用的情況下。故為了保證整個系統的安全運行，其酚類的濃度最好控制在2 000×10-6以下。

（2）氫化三聯苯

當光熱發電中導熱油循環系統的工作溫度為300～350℃時，可以選擇氫化三聯苯，一般是通過膨脹槽在常壓下使用。氫化三聯苯的化學結構式如下：

該化學合成導熱油為3個苯環連接的三聯苯中，結合氫原子，局部開環狀結構的一類化合物總稱。結合氫的目的是降低三聯苯熔點，對位氫化三聯苯熔點為212℃，而且氫化率直接影響到化合物的性質和熱穩定性。一般氫化率25%以下為固體，可在氫化率為25%～40%范圍內選擇適當值，以達到最佳熱穩定性和物理性。三聯苯有鄰位體、間位體、對位體三種同分異構體。特別是對位三聯苯的含量主要影響整體的耐熱性，一般可控制在30%以下。氫化三聯苯具有沸點高，可達到343～364℃，而且其凝固點為-10℃以下。

（3）二苯甲基二甲苯

對于在冬季寒冷地區進行光熱發電時，當導熱油循環系統的工作溫度為300～350℃時，可以選擇二苯甲基二甲苯（或烷基聯苯），也是通過膨脹槽在常壓下使用。二苯甲基二甲苯的化學結構式如下：

二苯甲基型是由甲苯的加成反應生成3倍體化合物，且為苯環外連有一個甲基的化學結構。二苯甲基甲苯型具有390℃高沸點及耐熱性好的有機合成物，其凝固點為-60℃，具有很好的耐低溫特性，可在冬季寒冷地區使用。二苯甲基甲苯有各個同分異構體，其異構體間的混合比，是決定導熱油的特性和耐熱性的關鍵。

（4）導熱油的技術參數

化學合成型導熱油長期加熱使用會逐步發生劣化，主要是導熱油加熱逐漸出現分解及聚合反應，使導熱油的原結構發生改變，生成的低分子或高分子物質逐漸增多，從而改變了導熱油的特性。導熱油的劣化原因主要是有高溫、空氣中的氧化、貯槽和管路中脫落的鐵銹混人，水分的混人等。導熱油的劣化速度最初比較緩慢，隨著使用時間的延長，劣化速度逐漸加快，最后到呈幾何級數遞增，此時再生處理已經不可能了。因此導熱油再生處理的時期，必須選在其劣化程度還未加快的期間內才會有效?；瘜W合成型導熱油物理特性參見表5。

表5　化學合成型導熱油物理特性

2　熱載體蓄儲熱能的光熱發電站

2.1熔鹽蓄熱儲能的光熱發電站

西班牙塞維利亞的Torresol ENergu公司建造50 MW槽式光熱電站，采用熔鹽做為蓄熱載體，并采用化學合成導熱油做為吸熱循環載體。將低溫導熱油通過太陽能槽式聚光器加熱到400℃高溫導熱油，并將導熱油各并聯分管連結匯總到集熱總管，將部分導熱油直接發電，部分導熱油進人熔鹽儲罐對熔鹽儲熱，晚上在沒有太陽時通過儲熱能量繼續推動蒸汽輪機發電，槽式拋物鏡面積可達到50萬m2，從而對太陽能進行聚光。該光熱發電站的年發電量為1.7億kW·h，不儲熱時的年發電量為1.15億kW·h，該50 MW槽式光熱電站可帶7.5 h儲熱量，年發電時間為3 200 h。

西班牙Torresol ENergu公司還建造20 MW塔式光熱電站，采用熔鹽做為蓄熱循環載體，冷熔鹽貯罐溫度為280℃，熱熔鹽貯罐溫度為560℃，冷、熱貯罐交替使用。太陽光定日鏡共為2 650面，每個定日鏡都不相同。因為有了熔鹽冷、熱貯罐，故可以選擇發電的時間，夏天可以發電20 MW，冬天可以減半，從而控制發電量。該20 MW塔式光熱電站可以發電1.1億kW·h，年發電時間為6 000 h。

在熱載體蓄熱儲能方面，50 MW槽式光熱電站可儲熱7.5 h發電量，需要化學合成型導熱油7 000 t，熔鹽30 000 t。而20 MW塔式光熱電站全天可以24 h發電，需要熔鹽87 000 t。光熱發電站中的熔鹽儲罐高14 m，直徑36 m，熔鹽的罐裝位置高為12 m，兩個熔鹽貯罐交替循環使用，高溫熔鹽貯罐的溫度保持在386℃以上。汽輪機發電經變壓為20萬伏高壓后經專線輸出，這將使太陽能光熱電站在無日照情況下和夜晚進行發電，從而實現全天候連續穩定發電。

2012年美國加州Ivanpah建造392 MW塔式光熱電站，最高工作溫度為550℃，采用干式冷卻方式，年度轉化效率為18%，年發電量為1 079 GW·h，建造成本為3.4美元/W，合同電價為0.11美元/kW·h。

2013年美國亞利桑那州Solana建造280 MW槽式光熱電站，可儲熱6 h發電量，最高工作溫度為371℃，采用濕式冷卻方式，年度轉化效率為15%，年發電量為903 GW·h，建造成本為3.57美元/W，合同電價為0.14美元/kW·h。

2011年美國Mojare Solar的250 MW槽式光熱電站，美國Genesis Solar的250 MW槽式光熱電站、美國Crescent Dunes的110 MW塔式光熱電站等也建造完成，并且隨著熔鹽蓄熱儲能技術的不斷進步，未來的光熱電站將會具有巨大的市場潛力。

2.2光熱發電生物質能混合發電站

全球第一個光熱發電生物質能混合發電站是FermosolarBorges電站，項目建造方是西班牙Comsa Emte公司和Abantia公司。該項目投資1.53億歐元，于2011年3月底開工建設，2012年12月12日正式投運，建設期共持續20個月，發電站總裝機為22.5 MW，電站由槽式光熱鏡場和生物質能鍋爐兩大部分組成，在白天太陽光照較好的時候主要采用光熱發電，在晚間或太陽光照條件不佳的時候主要采用生物質能發電，采用這種互補發電的方式可實現24 h持續發電。

該電站設計發電量為98 GW·h，年發電能力可滿足27 000戶普通家庭的日常用電需求，年CO2減排24 500 t，其中該電站的槽式光場系統共裝配了2 688套槽式反射系統，共224個回路，采用的是西門子的SCAS太陽能集熱器系統和西門子UVAC2010型號集熱管，生物質鍋爐由德國INTEC公司提供，蒸汽輪發電機由MAN公司提供。采用水冷系統，同時配備了一定量的天然氣，用于光場系統的輔助加熱。

采用生物質能與光熱發電進行混合發電的技術克服了光熱電站的成本較高、系統集成難度較高等缺陷，提升了整體發電效率，不需要配置額外的儲熱系統，即可實現靈活的可調度電源，又降低了發電成本。這樣不論白天還是黑夜，太陽能光熱發電生物質能混合發電站都將可以帶給人們源源不斷的綠色能源，增強了人們利用太陽能替代化石能源的信心。

3　熔鹽蓄熱儲能的設計分析

3.1熔鹽蓄熱儲能循環系統的工藝流程設計分析

太陽能光熱發電站采用冷熔鹽儲罐和熱熔鹽儲罐存放熔鹽，循環系統工作時，冷熔鹽儲罐內的熔融鹽經熔鹽泵被輸送到太陽能集熱器內，吸收熱能升溫進人熱熔鹽儲罐中，隨后高溫熔融鹽從熱熔鹽儲罐流進熔鹽蒸汽發生器，加熱冷水產生過熱蒸汽，驅動蒸汽渦輪機運行發電，而熔融鹽溫度降低后流回冷熔鹽儲罐。筆者設計開發的光熱發電熔鹽蓄熱儲能循環系統的工藝流程圖如圖1所示。該系統包括：聚光反射裝置、聚光吸熱器、冷熔鹽儲罐、熱熔鹽儲罐、熔鹽泵、熔鹽蒸汽發生器、熔鹽預熱器、熔鹽過熱器、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預熱保溫裝置、熔鹽防凍、抗凍和解凍加熱裝置、熔鹽安全防泄漏裝置、以及配套輔機和閥門儀表、電控柜等。同時在熔鹽循環系統內設置了熔融鹽中間回路，使得太陽能集熱系統和蒸汽發電系統相互獨立運行，從而發電機組不會出現頻繁啟停的情況［1］。

在光熱發電站的熔鹽蓄熱儲能循環系統的設計開發時，應當考慮配置多少時間的蓄熱儲能規模大小，才能達到經濟效益的最大化。首先通過計算分析確定出熔鹽存貯總量和系統循環流量，并計算出冷熔鹽儲罐和熱熔鹽儲罐的體積，同時設計出相應的結構型式，繪制出熔鹽循環系統的管路圖，然后選擇熔鹽泵規格型號以及閥門儀表的規格型號，再設計計算出熔鹽蒸汽發生器與熔鹽預熱器和熔鹽過熱器的結構尺寸，并且從設計角度確保熔鹽的使用安全，再配備相應的熔鹽安全防泄漏裝置，同時采用電伴熱系統防止熔鹽凝固、造成管路的堵塞現象。

3.2熔鹽儲罐的設計分析

熔鹽儲罐分為冷熔鹽儲罐和熱熔鹽儲罐，其內徑和高度的大小取決于熔鹽存儲容量，儲罐的壁厚采用薄壁圓筒的壁厚計算公式。另外，在儲罐壁厚的設計上還要考慮到地震力、風壓力等短時期荷載的影響，也就是因地震而造成壁板的失穩、因風壓而造成壁板的局部失穩，故在防止對策的設計方法上，采用在儲罐外周設置安裝加強圈或增加壁板厚度的方法。儲罐壁板采用雙面對接焊，縱向接頭采用全焊透型式，圓筒形立式儲罐的頂部包邊角鋼規格要根據儲罐的內徑大小來決定。

圖1　光熱發電熔鹽蓄熱儲能循環系統工藝流程圖

熔鹽儲罐頂部通常采用圓錐頂，當儲罐內徑小于10 m時，采用以頂板本身支承整個罐頂的支承式圓錐頂，頂板的排列則根據罐頂坡度和儲罐內徑，一般是對應任意的直徑平行排列；但當坡度較大時，自支承式圓錐頂應按射線排列。當熔鹽儲罐內徑大于10 m、但小于30 m時，采用有柱式圓錐頂。在強度計算中，柱應按梁的彎曲理論來設計，使之能充分承受罐頂自重的靜載荷、附加的動載荷與積雪偏心載荷，必須使柱具有足夠的穩定性。另外為了防止頂板支承構件的旋轉，需要采用拉桿將最外圈支柱互相連接。當熔鹽儲罐內徑大于30 m時，采用桁架式圓錐頂。同樣在強度計算中，梁應按梁的彎曲理論來設計，使之能充分承受罐頂自重的靜載荷、附加的動載荷與積雪偏心載荷，必須使梁具有足夠的穩定性。而桁架的各構件材料根據受力情況，求出作用于該構件材料的力后再進行設計。另外為了防止因橫向載荷所產生的旋轉，需要采取裝人斜撐等措施，而且頂角的設計必須能充分承受來自桁架的載荷。

通常為了防止熔鹽的熱量損失，需要采用使保溫材料對熔鹽儲罐進行隔熱保溫，首先應根據外部環境氣溫和儲存熔鹽溫度之間的溫差、以及所采用的保溫材料的導熱系數，計算確定出保溫材料的厚度。而熔鹽儲罐所采用的保溫材料為硅酸鋁纖維保溫材料和石棉保溫材料疊加組合而成，對于熔鹽儲罐的側壁保溫，要用類似于罐壁徑向形狀的保溫板或保溫氈，沿著儲罐外壁的曲面進行保溫。對于直徑較小的儲罐保溫層要用鍍鋅鐵絲網和Y型錨釘進行固定；對于直徑較大的儲罐保溫層要用鍍鋅鐵絲網和支承環鋼帶進行固定。最后采用鍍鋅鐵皮或彩色薄鋼板作為儲罐的外防護層［2］。

3.3熔鹽電伴熱系統的設計分析

光熱發電站中通常采用硝酸鈉和硝酸鉀的二元混合熔鹽，其熔點為221℃，低于這一熔點溫度時，熔鹽就會發生凝固現象，而凝固的熔鹽將堵塞管道系統，并造成整個發電站系統停運。另外。熔鹽管道或熔鹽儲罐中的熔鹽凝固后，其內部壓力將變小，而在外界大氣壓作用下，將可能使熔鹽儲罐因受外壓而遭受損壞。所以，熔鹽的溫度應當維持在270℃以上，光熱發電站正常運行時將270℃的熔鹽加熱至565℃，再通過熔鹽蒸汽發生器產生蒸汽，推動蒸汽渦輪發電機發電。為了保持熔鹽能夠長期處于270℃以上的熔融狀態，光熱發電站應當采取伴熱系統用于熔鹽的保溫，通常電伴熱系統裝置的成本比較低，蒸汽伴熱系統裝置的成本較高，而熱風伴熱系統裝置的成本居中。電伴熱系統設計選用的設備即為發熱電纜，發熱電纜是以電力為能源，利用合金電阻絲進行通電發熱，與被保溫熔鹽進行換熱來達到保溫的效果。在光熱發電站的設計開發時，應根據熔鹽管道和熔鹽儲罐的位置及結構，進行電伴熱系統裝置的設計，而設計的主要目標是以最小化的投資額和最小化的耗電量來實現最優化的熔鹽保溫效果［3］。

電伴熱系統的設計方案確定后，將開始在光熱發電站的熔鹽管道和熔鹽儲罐周圍鋪設發熱電纜，同時安裝DCS控制系統，DCS控制系統與發熱電纜相互連接，以實現對各部位的溫度監控，并配備相關的溫度檢測設備，當某處溫度降至設定的溫度點時，溫度檢測設備將發出信號，電伴熱系統立刻啟動運行，將其進行加熱以保證熔鹽不會凝固。另外采用網絡監測系統則可以實現對系統的整體與遠程溫度監測和控制，并可以與操作人員的移動電腦進行互聯，實現遠程操作，整個系統看起來就像是一個移動互聯網絡系統，方便隨時隨地對光熱發電站系統的溫度進行監控和調整。

4　結語

將熔鹽蓄熱儲能循環技術應用在光熱發電中，使得太陽能熱發電站實現了24 h持續發電，從而使得太陽能的利用不再受夜間乃至多云天氣的影響，這樣太陽能光熱發電就成為了一種可控的優質綠色電力生產方式。目前我們在熔鹽蓄熱儲能循環系統的光熱電站設計上，采用了一些新的設計方法和設計理念，優化光熱電站的整體設計，提高光熱電站的工作溫度，以此來提高發電效率，降低熔鹽用量，削減發電成本，并采用先進的熔鹽蓄熱儲能循環技術來降低光熱電站的投資成本，使光熱發電更加具有成本優勢和經濟效益。

［1］汪琦，俞紅嘯，張慧芬.太陽能光熱發電中熔鹽蓄熱儲能循環系統的設計開發［J］.化工裝備技術，2014（1）：11-14.

［2］汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統的開發［J］.化工裝備技術，2000（2）：40-43.

［3］汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結構設計和熔鹽過熱的研究［J］.化工裝備技術，2012（5）：39-42.

Application Research of Molten Salt and Heat Conduction Oil Regenerative Energy Storage Technology in Solar-Thermal Power Generation

WANG Qi，YU Hongxiao，ZHANG Huifen
（Shanghai Hot Oil Furnace Design and Development Center，Shanghai 200042，China）

The regenerative energy storage technology of molten salt and heat conduction oil was discussed，the specification and technical parameters of the molten salt and heat conduction oil are given，the molten salt thermal energy storage solar-thermal power station and the new type of biomass energy solarthermal mixing power station are introduced，and the technological process and design method of molten salt storage system are analyzed.The design of molten salt storage tank in the thermal power plant is studied，the design plan of electric heat tracing system to prevent molten salt coagulation is discussed，and the solar-thermal power plant system and remote temperature monitoring and control method are analyzed.

molten salt regenerative energy storage；synthetic heat conduction oil；solar-thermal power generation；circulatory system；molten salt storage tank；electric heat tracing system

TU833.+1

A

1001-6988（2016）03-0034-05

2016-02-08

作者介紹：汪琦（1961—），男，高級工程師，長期從事熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計、研究、開發工作.