槽式太阳能热发电双罐式熔融盐间接储热系统设计研究

中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司 ■ 田增华 张钧

一 引言

随着美国和西班牙多个槽式太阳能热发电站的商业运行，该发电技术的可靠性已被证实，其在我国西部和北部等太阳能资源较好地区具有广阔的商业化前景。槽式太阳能热发电技术由多个抛物面聚光器阵列组成太阳能集热场，将太阳直接辐射聚焦到集热管加热传热流体，传热流体进而与水换热产生蒸汽，驱动汽轮机组发电。其原理如图1所示。

虽然太阳能是巨大的能源宝库，但到达地球表面的太阳辐射能量密度却很低，而且受地理、昼夜和季节等规律变化的影响，以及阴、晴、云、雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了更好地成为一种优质的替代能源，提高系统发电效率，提高系统发电的稳定性和可靠性，降低发电成本，在太阳能热发电中，需要设置热能存储(TES, thermal energy storage)装置，在太阳能不足时将储存的热能释放出来以满足发电需求。储热系统作为太阳能热发电站的组成部分，对电站连续、稳定发电发挥着重要作用。太阳能热发电站的储热系统可以在太阳辐射正常时储热，而在辐射不足时放出热来供给汽轮机运转发电，起到功率缓冲的作用；另一方面，一天之中，中午日照强，早晚日照弱，在夜晚则不能用太阳能发电，而储热系统可以把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来，到了晚上释放出来进行热发电，这样可以起到削峰填谷的作用[1]。

储热技术是合理有效利用现有能源、优化使用可再生能源和提高能源效率的重要技术。储热技术主要应用于以下三个方面[2]：(1)在能源的生产与其消费之间提供时间延迟和保障有效使用；(2)提供热惰性和热保护(包括温度控制)；(3)保障能源供应安全。

太阳能热发电优于光伏发电的一大特点就是能采用经济的储热技术，而蓄电则相对昂贵。太阳能热发电系统中采用储热技术的目的是为了降低发电成本，提高发电的有效性，它可以实现[2]：(1)容量缓冲；(2)可调度性和时间平移；(3)提高年利用率；(4)电力输出更平稳；(5)高效满负荷运行等。

二 槽式太阳能热发电系统储热形式选择

现阶段实验用的太阳能储热主要有三种形式，显热储热、潜热储热和化学反应储热。根据储热材料的使用特点，无论属于哪一类，一般都要满足以下几点要求[3,4]：(1)储热密度大；(2)稳定性好；(3)无毒、无腐蚀、不易燃易爆，且价格低廉；(4)导热系数大，能量可以及时地储存或取出；(5)不同状态间转化时，材料体积变化要小；(6)合适的使用温度。

储热技术可分为直接储热和间接储热两大类。直接储热系统的特点是采用强制对流换热将热量传递给储热介质，并且储热介质自身在换热器内循环。间接储热系统的主要特点是传热流体与储热介质为不同介质，在储热过程中，来自于吸热器的传热流体将热能传递给储热介质，而放热过程中，换热流体从储热材料吸取热量，储热介质可以是固体、液体或相变材料，自身不参与循环。

1 显热储热

显热储热是通过提高储热介质的温度来实现热存储，是三种热能存储方式中原理最简单、技术最成熟的，被广泛应用于太阳能热发电的高温储热系统，根据储热介质的物理特性分为液体显热储热、固体显热储热及固体/液体双介质显热储热。

(1)液体显热储热

常用的液体显热储热介质为导热油和熔融盐，该系统较典型的储热形式为采用熔融盐作为储热介质的双罐式储热系统，这种储热方式被成功应用在西班牙Andasol电站，其储热容量为汽轮机组满发7.5小时。

(2)固体显热储热

当换热流体的热容非常低时，如采用空气，固体仅仅作为储热材料。固体材料作为储热材料，常以填充层的形式堆放，需要与换热流体进行交换热量。固体显热储热的主要方式有：砂石混凝土；玄武岩混凝土；耐高温混凝土；浇注料陶瓷。

(3)固体/液体双介质显热储热

双介质储热系统的一个优点是成本较低，如采用便宜的诸如岩石、沙子或混凝土固体和较为昂贵的换(储)热流体(如储热油)作为储热介质。然而双储热系统的压降或寄生能量损失较大，这在双介质储热系统设计中必须考虑。

2 潜热储热

潜热储热是利用储热介质发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，具有储热密度大、充放热过程温度波动范围小、结构紧凑等特点，例如PS10塔式电站即采用饱和汽/水储热器。目前，太阳能高温潜热储热技术应用于太阳能热发电站还处于实验室研究阶段，相变材料的高温性能有待于进一步验证。

3 化学反应热储热

化学反应热储热是通过化学反应的反应热进行储热，具有储能密度高、可以长期储存等特点。这是一种非常有潜力的高温储热方式，且成本有可能降至相对较低的水平。该方式在理论上可以满足太阳能热发电的要求，对于能否满足太阳能热发电系统动力要求，以及如何与发电系统结合的问题还处于实验室研究阶段。

4 储热形式及储热介质选择

槽式太阳能热发电带储热系统通常有两种形式[5]：图3的槽式系统常采用合成油作为传热流体(HTF)，熔融盐作为显热储热材料，导热油与储热材料之间有导热油——熔融盐换热器，这种布置称为间接储热系统。图4的槽式系统采用熔融盐既作为传热流体又作为显热储热材料的方式，无导热油——熔融盐换热器，这种布置称为直接储热系统。后者的优点是可以减少一个换热步骤，避免了传热流体与储热材料之间的不良换热，而且适用于400℃～500℃的高温工况。但后者也面临一个问题：槽式太阳能热发电系统的集热场采用的是平面布置，且管道多，管内的传热流体不容易排出，又由于熔融盐的凝固点通常高于120℃，当采用熔融盐作为传热流体时，就得使用保温和伴热的方法防止熔融盐凝固，这样导致初期投资与运行维护成本过大；以前也选用矿物油作为传热流体和储热材料时，不存在凝固问题，但由于矿物油的温度不能高于300℃，否则易分解，这样限制了槽式系统的工作温度不能超过300℃，导致效率比较低；当然也可以选用合成油作为传热流体和储热材料，但其价格没有熔融盐那么便宜，实际工程应用中不用于储热材料，而且合成油的温度也不能高于400℃，这自然也限制了槽式系统的工作温度不能超过400℃。

熔融盐储热技术在太阳能热发电系统中占有十分重要的地位，它关系着系统运行的稳定性和可靠性。熔融盐与导热油相比，可在相近的工作压力下获得更高的使用温度，且耐热稳定性好，其传热系数是其他有机载体的两倍，而且使用温度在600℃以下时，几乎不产生蒸汽。因此，稳定性好、价格低廉、熔点合适的熔融盐是储热技术发展的重点。目前，可作为槽式太阳能热发电储热介质的熔融盐主要有太阳盐、Hitec和Hitec XL 三种，其性能及成本比较见表1[2,6]。太阳盐为60%NaNO3和40%KNO3的混合盐，因为其在600℃时具有非常好的热稳定性、低造价、对普通材质管道及阀门的较好的兼容性及较好的储热性能最早被应用在美国Solar 2塔式电站中[7]，目前则被广泛应用于槽式太阳能热发电储热系统中；Hitec熔融盐为7%NaNO3、53%KNO3和40%NaNO2的混合盐，在450℃时具有很好的热稳定性，其可在短期内用在535℃温度下，但其在使用时需要进行氮气保护，以防止Hitec熔融盐在高温下亚硝酸盐转变为硝酸盐[8]；Hitec XL熔融盐为45%KNO3、48%Ca(NO3)2和7%NaNO3的混合盐，该种熔融盐在最初装入系统时，需先将其溶解在水中，将溶液注入系统，然后加热蒸发掉水分，该熔融盐具有120℃的凝结温度，并在500℃时也具有较好的热稳定性[7]。通过对三种熔融盐的性能及价格比较，太阳盐凝固点高于其他两种熔融盐，但在储热系统需要大量熔融盐量时，太阳盐较其他两种熔融盐具有一定的成本优势，因此太阳盐更被广泛的应用于槽式太阳能热发电站储热系统中。

表1 熔融盐性质比较

三 熔融盐储热介质的物理特性

目前被广泛应用在槽式太阳能热发电储热系统中的储热介质主要为硝酸钠(NaNO3)和硝酸钾(KNO3)的混合盐，即太阳盐，其中NaNO3与KNO3混合的质量比例约为6:4。储热时熔融盐的温度将加热至约385℃，放热时，系统的熔融盐将冷却到约292℃，在两种情况下，熔融盐都为液态。

该混合熔融盐可使用在260℃～621℃温度范围内，随着温度的降低，混合盐在221℃出现凝固，在238℃出现结晶现象，根据混合盐各组分的平均潜热可得到混合盐潜热约为161kJ/kg。混合熔融盐基本物理特性随温度变化情况见表2[9]。

虽然NaNO3和KNO3按6:4配比的工业级混合盐被广泛应用于槽式太阳能热发电储热系统中，但其配比份额并非固定不变，其配比份额可在6:4基础上发生变化，但需要在工程设计开始重新对混合盐的各种性质进行测量与计算。

混和盐的硝酸盐纯度要保证在98%以上，其他杂质需要满足以下要求：氯离子(Cl−)最大浓度应小于0.6%；其他硝酸盐(NO3−)杂质浓度小于1%；碳酸盐(CO3−)浓度小于0.1%；硫酸盐(SO4−)浓度小于 0.75%；氢氧化物(OH−)浓度小于0.2%；高氯酸盐浓度小于0.25%；镁浓度小于0.05%。

四 储热系统设备选择

槽式太阳能热发电双罐式熔融盐储热系统是由储存罐、泵、换热器和管道构成一个封闭的系统，主要包括6个单元：低温熔融盐储罐；低温熔融盐泵；高温熔融盐储罐；高温熔融盐泵；热油系统换热器；硝酸盐仓储。

这种配置中，来自太阳集热场的导热流体(HTF)流向换热器，热能传递给来自低温熔融盐存储罐的熔融盐。熔融盐接受热能，温度提高，并积累在高温熔融盐存储罐中。在晚上或太阳辐射降低的情况下，储热过程将逆过程运行，来自高温熔融盐存储罐的熔融盐将被泵送，经过换热器，在那里熔融盐将热能传递给冷的导热油(HTF)。热流体温度升高，而冷却的熔融盐将再次返回低温熔融盐存储罐中。

1 熔融盐罐体

熔融盐罐为太阳能高温集热储热系统的主要部件，其性能的优劣直接影响了整个储热系统的成败，其主要起三个作用[10]：

(1)储热作用。当阴天或者太阳光照不强时，可以利用罐内的熔融盐维持系统继续运行几个小时。

(2)缓冲作用。当有云层经过集光器上面时，太阳能高温吸热器将停止工作，在重新启动前的几分钟时间里面，可以利用高温罐内的熔融盐维持系统正常运行。

(3)支撑熔融盐泵。熔融盐泵为立式泵，需要安装固定在低温熔融盐罐的顶部。

由于选择的储热介质为高纯度NaNO3和KNO3的混合物，其中伴随的杂质(如Cl−)较少，根据国外太阳能槽式太阳能热发电储热罐设计制造经验，罐体设计采用碳钢即可。

熔融盐罐的设计关键在于熔融盐罐基础设计。熔融盐罐基础一般采用混凝土基础，但在罐体与混凝土之间需要增加多层隔热层，并设置空气冷却管道，以防止高温的熔融盐罐体对混凝土基础造成的损害。

熔融盐罐的容积主要包括系统所用熔融盐的体积、熔融盐泵液下部分所占的体积、顶盖下保温包所占体积以及熔融盐罐容积裕量三部分。

熔融盐罐中的熔融盐温度需始终在凝固点以上，使罐内达到熔融盐始终处于熔化状态，因此要求熔融盐罐的保温效果一定要好，同时需要设置相应的电伴热系统，防止在低温情况下熔融盐凝结。

2 熔融盐泵

槽式太阳能热发电储热系统中低温熔融盐泵作用是在储热系统储热阶段，将低温熔融盐从低温熔融盐罐中吸出，在熔融盐——导热油换热器中与高温导热油(～393℃)进行换热，将低温熔融盐加热至约385℃，并储存在高温熔融盐罐中；高温熔融盐泵作用是在储热系统放热阶段，将高温熔融盐从高温熔融盐罐中吸出，在熔融盐——导热油换热器中加热低温导热油(～296℃)，高温熔融盐被冷却至约292℃，并储存在低温熔融盐罐中。目前使用较为广泛的为立式泵，熔融盐泵形式如图6所示。

熔融盐泵的选型主要决定两方面的参数：流量和扬程。在整个熔融盐循环回路中，泵的扬程主要取决于流体在管内的流动阻力和吸热器高度引起的重力势能；流量的选取则要根据储热系统在储热阶段和放热阶段的熔融盐设计流量及泵设置的台数决定，同时考虑一定的容量裕度。

由于熔融盐泵输送介质为混合熔融盐，工作温度在292℃～385℃，混合熔融盐中所掺杂的杂质对金属有腐蚀性，因此对泵的材质及密封系统有特殊要求。

3 熔融盐——导热油换热器

熔融盐——导热油换热器作为储热系统中关键设备，其应具有高换热效率、大换热面积和结构紧凑的特点。目前广泛采用的熔融盐——导热油换热器主要有板式和管壳式两种形式，导热油与熔融盐采用不接触式换热。

因为用于传热导热油和熔融盐的温度端差是有限的，而槽式太阳能热发电热力循环的效率又是一定的，因此在热储存系统中，循环介质的流量较大，因此该换热器应具有较大的换热面积和较高的换热效率。

在熔融盐侧和油侧进口处应设置滤网，确保不会让固体杂质流入换热器流道。

4 储热系统设备布置形式

通常槽式太阳能热发电储热系统设置两个熔融盐储罐，高温熔融盐储罐运行温度约385℃，低温熔融盐储罐运行温度约292℃。

设置若干台高温熔融盐泵和低温熔融盐泵，高温熔融盐泵和低温熔融盐泵均采用立式泵型式，分别布置在高温熔融盐储罐和低温熔融盐储罐的罐顶。同时，高温熔融盐泵和低温熔融盐泵各至少设置1台备用泵。

在两储罐间布置换热器，并考虑采用换热器架高布置方式，这是为了有效降低冷、热熔融盐泵的扬程以及能够在由于出现紧急故障工况泵停止工作时可以依靠重力作用将换热器中的熔融盐回流至熔融盐储罐内。若采用换热器低位布置方式，则需要设置相应的疏盐系统，在储热系统停运时将换热器及管道内的熔融盐由疏盐系统打回熔融盐罐内，以防止熔融盐在管道或设备内凝结。疏盐系统需要相应配置紧急电源。

五 储热系统运行模式

当太阳集热场的太阳能热产出超过设定需求，或者常规岛汽轮机达到最大负荷时，这时开始储热模式。来自太阳集热场的导热流体(HTF)流向储热系统换热器，热能传递给来自低温储罐的熔融盐。熔融盐接受热能后温度提高，积累在高温储罐中。

在储热模式下，控制策略为监控蒸汽发生器出口及汽轮机入口的主蒸汽参数(压力、温度)额定时，流量满足汽轮机满负荷发电时，储热模式开始运行。

在太阳辐射降低的情况下放热模式时，储热过程将逆过程运行，来自高温储罐的熔融盐将被泵送至储热换热器，在那里熔融盐将热能传递给冷的导热油(HTF)，而冷却的熔融盐将再次返回低温储罐中。

在放热模式下，控制策略为监控蒸汽发生器出口及汽轮机入口的主蒸汽参数(压力、温度)额定时，流量一旦低于汽轮机满负荷发电时，放热模式开始运行。当放热模式给出的热量不足以满发时，进入汽轮机部分负荷发电，直到停机。

六 结论

目前，槽式太阳能热发电技术在太阳能热发电技术中发展最为成熟，同时商业运行电站也最多。储热技术作为槽式太阳能热发电系统中一种重要技术，对于增加电站上网电量、提高系统发电稳定性和可靠性具有重要意义。根据各种熔融盐的物性参数及成本比较，对于采用60% NaNO3和40% KNO3配比的混合盐作为储热介质的双罐式熔融盐间接储热形式是最有前途也是目前应用最为广泛的槽式太阳能热发电系统储热技术，并且已在西班牙Andasol槽式太阳能热发电站中得到成功应用。同时，在下一阶段应该结合我国槽式太阳能热发电实际工程和电网用电峰谷特点，通过技术经济比较提出最为合理和经济的储热容量及储热时间，为槽式太阳能热发电系统储热技术的发展打下坚实基础。

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