熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究

汪　琦，俞红啸，张慧芬

（上海热油炉设计开发中心，上海200042）

熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究

汪琦，俞红啸，张慧芬

（上海热油炉设计开发中心，上海200042）

讨论了熔盐和导热油的蓄热储能技术，给出了熔盐和导热油的规格及技术特性参数，介绍了熔盐蓄热储能光热发电站和新型生物质能光热混合发电站，分析了熔盐蓄热储能循环系统的工艺流程和设计方法，并对光热发电站中熔盐贮罐的设计进行了研究，讨论了防止熔盐凝固的电伴热系统设计方案，分析了光热电站系统的整体与远程温度监测和控制方法。

熔盐蓄热储能；合成导热油；光热发电；循环系统；熔盐贮罐；电伴热系统

目前熔盐（或导热油）蓄热储能的槽式光热发电技术已被实践验证为成熟、安全、可靠的技术，但从成本下降的潜力来看，采用熔盐蓄热储能的塔式光热发电技术可能会更具有竞争优势。

槽式系统一般由槽式抛物面聚光器、热载体蓄热储能装置、蒸汽发电机组等组成，槽式抛物面将太阳光聚焦在一条线上，在这焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦的太阳辐射能，常将众多的槽式聚光器串并成聚光集热器阵列。槽式聚光器对太阳辐射能进行一维跟踪，将太阳光聚集到管状的接收器上，并将管内的熔盐（或导热油）加热，熔融盐（或高温导热油）释放的热能用来产生蒸汽，推动蒸汽涡轮机发电；而其中有些热能被储存在高温熔融盐贮罐内，以便在夜晚或者阴雨天释放出来产生电力。塔式系统是利用定日镜将太阳热能辐射反射到置于高塔顶部的高温熔盐集热器上，加热后的熔融盐可以在更高温度下储存热量，通过熔盐蒸汽发生器产生过热蒸汽，驱动蒸汽涡轮发电机组发电。

1　热载体蓄热储能技术

1.1熔盐蓄热储能技术

以前光热发电中采用三元混合熔盐做为蓄热储能材料，它是由53%KNO3：40%NaNO2：7%NaNO3的比例进行配制。现在光热发电中采用的熔盐是二元混合熔盐，它是由40%KNO3：60%NaNO2混合而成，该熔盐在221℃时开始熔化，在600℃以下热稳定性非常好，采用加人添加剂可以使二元混合熔盐的熔点大幅度降低，但同时不改变混合熔融盐的热稳定性，甚至还能够进一步提高熔盐的最高使用温度。将来光热发电中会寻找一种更好的熔盐混合物做为传热和蓄热载体，这种熔盐混合物能在更高的温度下储存热能，从而提高发电量；同时能在较低温度下保持液态，进而减少用于避免其固化的能源消耗。

（1）三元混合熔盐

三元混合熔盐属于优良的传热、储热介质，使用温度为250～550℃，其熔点低、传热效率高，传热稳定；并且不燃烧，无爆炸危险，价格低廉，广泛应用于固碱、三聚氢胺、氧化铝等行业。三元混合熔盐的产品规格参见表1。

表1　三元混合熔盐的产品规格

（2）二元混合熔盐A型

二元混合熔盐A型属于优良的传热、储热介质，使用温度为230～600℃，其传热效率高，上限温度较高、传热稳定，腐蚀性低；并且相变潜热高，体积收缩率低，特别适合光热发电行业。二元混合熔盐A型的产品规格参见表2。

表2　二元混合熔盐A型的产品规格

（3）二元混合熔盐B型

二元混合熔盐B型属于优良的传热、储热介质，使用温度为240～560℃，其传热效率高，温度可精确控制；并且蒸汽毒性低、腐蚀性低，广泛应用于化工、热处理、石油加工等行业。二元混合熔盐B型的产品规格参见表3。

表3　二元混合熔盐B型的产品规格

（4）熔盐的技术参数

熔盐是盐类熔化形成的液体，是由阳离子和阴离子组成的离子熔体，是由硝酸钾、亚硝酸钠、硝酸钠组成的混合物。各种型号的熔盐技术参数见表4。

表4　熔盐的技术参数

1.2导热油蓄热储能技术

导热油分为矿物型导热油和化学合成型导热油，光热发电中使用的导热油应分为化学合成型导热油，劣化后通过再生处理还可重复使用，较为经济合算。导热油选择应根据使用条件，既要考虑导热油的使用温度、又要考虑导热油的特性和热稳定性，选择使用寿命长、价格性能较好的导热油。

（1）联苯加二苯醚混合物

当光热发电中导热油的工作温度为350～400℃时，从耐热性考虑可以选择联苯加二苯醚混合物，并在膨胀槽内加压后用于液相系统。联苯和二苯醚混合物的化学结构式如下：

该化学合成导热油是联苯（熔点71℃）、二苯醚（熔点28℃）二者的共融混合物，由于其苯环上未连接烷烃基侧链，因而其耐热性较好。但另一方面因为凝固点只有12℃，故在气温较低时应对配管、贮槽、仪器、仪表必须配套有防冻设施的伴热系统。二苯醚中结合有醚类，热分解时氢核的存在则可产生酚类，由于苯酚的纯品有低腐蚀性，而遇到水分存在的条件下，对碳钢等金属材料有一定程度的腐蚀作用。通常在两种情况下会产生酚类：一是在温度超过350℃的高温下，二是在长时间使用的情况下。故为了保证整个系统的安全运行，其酚类的浓度最好控制在2 000×10-6以下。

（2）氢化三联苯

当光热发电中导热油循环系统的工作温度为300～350℃时，可以选择氢化三联苯，一般是通过膨胀槽在常压下使用。氢化三联苯的化学结构式如下：

该化学合成导热油为3个苯环连接的三联苯中，结合氢原子，局部开环状结构的一类化合物总称。结合氢的目的是降低三联苯熔点，对位氢化三联苯熔点为212℃，而且氢化率直接影响到化合物的性质和热稳定性。一般氢化率25%以下为固体，可在氢化率为25%～40%范围内选择适当值，以达到最佳热稳定性和物理性。三联苯有邻位体、间位体、对位体三种同分异构体。特别是对位三联苯的含量主要影响整体的耐热性，一般可控制在30%以下。氢化三联苯具有沸点高，可达到343～364℃，而且其凝固点为-10℃以下。

（3）二苯甲基二甲苯

对于在冬季寒冷地区进行光热发电时，当导热油循环系统的工作温度为300～350℃时，可以选择二苯甲基二甲苯（或烷基联苯），也是通过膨胀槽在常压下使用。二苯甲基二甲苯的化学结构式如下：

二苯甲基型是由甲苯的加成反应生成3倍体化合物，且为苯环外连有一个甲基的化学结构。二苯甲基甲苯型具有390℃高沸点及耐热性好的有机合成物，其凝固点为-60℃，具有很好的耐低温特性，可在冬季寒冷地区使用。二苯甲基甲苯有各个同分异构体，其异构体间的混合比，是决定导热油的特性和耐热性的关键。

（4）导热油的技术参数

化学合成型导热油长期加热使用会逐步发生劣化，主要是导热油加热逐渐出现分解及聚合反应，使导热油的原结构发生改变，生成的低分子或高分子物质逐渐增多，从而改变了导热油的特性。导热油的劣化原因主要是有高温、空气中的氧化、贮槽和管路中脱落的铁锈混人，水分的混人等。导热油的劣化速度最初比较缓慢，随着使用时间的延长，劣化速度逐渐加快，最后到呈几何级数递增，此时再生处理已经不可能了。因此导热油再生处理的时期，必须选在其劣化程度还未加快的期间内才会有效。化学合成型导热油物理特性参见表5。

表5　化学合成型导热油物理特性

2　热载体蓄储热能的光热发电站

2.1熔盐蓄热储能的光热发电站

西班牙塞维利亚的Torresol ENergu公司建造50 MW槽式光热电站，采用熔盐做为蓄热载体，并采用化学合成导热油做为吸热循环载体。将低温导热油通过太阳能槽式聚光器加热到400℃高温导热油，并将导热油各并联分管连结汇总到集热总管，将部分导热油直接发电，部分导热油进人熔盐储罐对熔盐储热，晚上在没有太阳时通过储热能量继续推动蒸汽轮机发电，槽式抛物镜面积可达到50万m2，从而对太阳能进行聚光。该光热发电站的年发电量为1.7亿kW·h，不储热时的年发电量为1.15亿kW·h，该50 MW槽式光热电站可带7.5 h储热量，年发电时间为3 200 h。

西班牙Torresol ENergu公司还建造20 MW塔式光热电站，采用熔盐做为蓄热循环载体，冷熔盐贮罐温度为280℃，热熔盐贮罐温度为560℃，冷、热贮罐交替使用。太阳光定日镜共为2 650面，每个定日镜都不相同。因为有了熔盐冷、热贮罐，故可以选择发电的时间，夏天可以发电20 MW，冬天可以减半，从而控制发电量。该20 MW塔式光热电站可以发电1.1亿kW·h，年发电时间为6 000 h。

在热载体蓄热储能方面，50 MW槽式光热电站可储热7.5 h发电量，需要化学合成型导热油7 000 t，熔盐30 000 t。而20 MW塔式光热电站全天可以24 h发电，需要熔盐87 000 t。光热发电站中的熔盐储罐高14 m，直径36 m，熔盐的罐装位置高为12 m，两个熔盐贮罐交替循环使用，高温熔盐贮罐的温度保持在386℃以上。汽轮机发电经变压为20万伏高压后经专线输出，这将使太阳能光热电站在无日照情况下和夜晚进行发电，从而实现全天候连续稳定发电。

2012年美国加州Ivanpah建造392 MW塔式光热电站，最高工作温度为550℃，采用干式冷却方式，年度转化效率为18%，年发电量为1 079 GW·h，建造成本为3.4美元/W，合同电价为0.11美元/kW·h。

2013年美国亚利桑那州Solana建造280 MW槽式光热电站，可储热6 h发电量，最高工作温度为371℃，采用湿式冷却方式，年度转化效率为15%，年发电量为903 GW·h，建造成本为3.57美元/W，合同电价为0.14美元/kW·h。

2011年美国Mojare Solar的250 MW槽式光热电站，美国Genesis Solar的250 MW槽式光热电站、美国Crescent Dunes的110 MW塔式光热电站等也建造完成，并且随着熔盐蓄热储能技术的不断进步，未来的光热电站将会具有巨大的市场潜力。

2.2光热发电生物质能混合发电站

全球第一个光热发电生物质能混合发电站是FermosolarBorges电站，项目建造方是西班牙Comsa Emte公司和Abantia公司。该项目投资1.53亿欧元，于2011年3月底开工建设，2012年12月12日正式投运，建设期共持续20个月，发电站总装机为22.5 MW，电站由槽式光热镜场和生物质能锅炉两大部分组成，在白天太阳光照较好的时候主要采用光热发电，在晚间或太阳光照条件不佳的时候主要采用生物质能发电，采用这种互补发电的方式可实现24 h持续发电。

该电站设计发电量为98 GW·h，年发电能力可满足27 000户普通家庭的日常用电需求，年CO2减排24 500 t，其中该电站的槽式光场系统共装配了2 688套槽式反射系统，共224个回路，采用的是西门子的SCAS太阳能集热器系统和西门子UVAC2010型号集热管，生物质锅炉由德国INTEC公司提供，蒸汽轮发电机由MAN公司提供。采用水冷系统，同时配备了一定量的天然气，用于光场系统的辅助加热。

采用生物质能与光热发电进行混合发电的技术克服了光热电站的成本较高、系统集成难度较高等缺陷，提升了整体发电效率，不需要配置额外的储热系统，即可实现灵活的可调度电源，又降低了发电成本。这样不论白天还是黑夜，太阳能光热发电生物质能混合发电站都将可以带给人们源源不断的绿色能源，增强了人们利用太阳能替代化石能源的信心。

3　熔盐蓄热储能的设计分析

3.1熔盐蓄热储能循环系统的工艺流程设计分析

太阳能光热发电站采用冷熔盐储罐和热熔盐储罐存放熔盐，循环系统工作时，冷熔盐储罐内的熔融盐经熔盐泵被输送到太阳能集热器内，吸收热能升温进人热熔盐储罐中，随后高温熔融盐从热熔盐储罐流进熔盐蒸汽发生器，加热冷水产生过热蒸汽，驱动蒸汽涡轮机运行发电，而熔融盐温度降低后流回冷熔盐储罐。笔者设计开发的光热发电熔盐蓄热储能循环系统的工艺流程图如图1所示。该系统包括：聚光反射装置、聚光吸热器、冷熔盐储罐、热熔盐储罐、熔盐泵、熔盐蒸汽发生器、熔盐预热器、熔盐过热器、熔盐融化保温装置、熔盐输送管路预热保温装置、熔盐防冻、抗冻和解冻加热装置、熔盐安全防泄漏装置、以及配套辅机和阀门仪表、电控柜等。同时在熔盐循环系统内设置了熔融盐中间回路，使得太阳能集热系统和蒸汽发电系统相互独立运行，从而发电机组不会出现频繁启停的情况［1］。

在光热发电站的熔盐蓄热储能循环系统的设计开发时，应当考虑配置多少时间的蓄热储能规模大小，才能达到经济效益的最大化。首先通过计算分析确定出熔盐存贮总量和系统循环流量，并计算出冷熔盐储罐和热熔盐储罐的体积，同时设计出相应的结构型式，绘制出熔盐循环系统的管路图，然后选择熔盐泵规格型号以及阀门仪表的规格型号，再设计计算出熔盐蒸汽发生器与熔盐预热器和熔盐过热器的结构尺寸，并且从设计角度确保熔盐的使用安全，再配备相应的熔盐安全防泄漏装置，同时采用电伴热系统防止熔盐凝固、造成管路的堵塞现象。

3.2熔盐储罐的设计分析

熔盐储罐分为冷熔盐储罐和热熔盐储罐，其内径和高度的大小取决于熔盐存储容量，储罐的壁厚采用薄壁圆筒的壁厚计算公式。另外，在储罐壁厚的设计上还要考虑到地震力、风压力等短时期荷载的影响，也就是因地震而造成壁板的失稳、因风压而造成壁板的局部失稳，故在防止对策的设计方法上，采用在储罐外周设置安装加强圈或增加壁板厚度的方法。储罐壁板采用双面对接焊，纵向接头采用全焊透型式，圆筒形立式储罐的顶部包边角钢规格要根据储罐的内径大小来决定。

图1　光热发电熔盐蓄热储能循环系统工艺流程图

熔盐储罐顶部通常采用圆锥顶，当储罐内径小于10 m时，采用以顶板本身支承整个罐顶的支承式圆锥顶，顶板的排列则根据罐顶坡度和储罐内径，一般是对应任意的直径平行排列；但当坡度较大时，自支承式圆锥顶应按射线排列。当熔盐储罐内径大于10 m、但小于30 m时，采用有柱式圆锥顶。在强度计算中，柱应按梁的弯曲理论来设计，使之能充分承受罐顶自重的静载荷、附加的动载荷与积雪偏心载荷，必须使柱具有足够的稳定性。另外为了防止顶板支承构件的旋转，需要采用拉杆将最外圈支柱互相连接。当熔盐储罐内径大于30 m时，采用桁架式圆锥顶。同样在强度计算中，梁应按梁的弯曲理论来设计，使之能充分承受罐顶自重的静载荷、附加的动载荷与积雪偏心载荷，必须使梁具有足够的稳定性。而桁架的各构件材料根据受力情况，求出作用于该构件材料的力后再进行设计。另外为了防止因横向载荷所产生的旋转，需要采取装人斜撑等措施，而且顶角的设计必须能充分承受来自桁架的载荷。

通常为了防止熔盐的热量损失，需要采用使保温材料对熔盐储罐进行隔热保温，首先应根据外部环境气温和储存熔盐温度之间的温差、以及所采用的保温材料的导热系数，计算确定出保温材料的厚度。而熔盐储罐所采用的保温材料为硅酸铝纤维保温材料和石棉保温材料叠加组合而成，对于熔盐储罐的侧壁保温，要用类似于罐壁径向形状的保温板或保温毡，沿着储罐外壁的曲面进行保温。对于直径较小的储罐保温层要用镀锌铁丝网和Y型锚钉进行固定；对于直径较大的储罐保温层要用镀锌铁丝网和支承环钢带进行固定。最后采用镀锌铁皮或彩色薄钢板作为储罐的外防护层［2］。

3.3熔盐电伴热系统的设计分析

光热发电站中通常采用硝酸钠和硝酸钾的二元混合熔盐，其熔点为221℃，低于这一熔点温度时，熔盐就会发生凝固现象，而凝固的熔盐将堵塞管道系统，并造成整个发电站系统停运。另外。熔盐管道或熔盐储罐中的熔盐凝固后，其内部压力将变小，而在外界大气压作用下，将可能使熔盐储罐因受外压而遭受损坏。所以，熔盐的温度应当维持在270℃以上，光热发电站正常运行时将270℃的熔盐加热至565℃，再通过熔盐蒸汽发生器产生蒸汽，推动蒸汽涡轮发电机发电。为了保持熔盐能够长期处于270℃以上的熔融状态，光热发电站应当采取伴热系统用于熔盐的保温，通常电伴热系统装置的成本比较低，蒸汽伴热系统装置的成本较高，而热风伴热系统装置的成本居中。电伴热系统设计选用的设备即为发热电缆，发热电缆是以电力为能源，利用合金电阻丝进行通电发热，与被保温熔盐进行换热来达到保温的效果。在光热发电站的设计开发时，应根据熔盐管道和熔盐储罐的位置及结构，进行电伴热系统装置的设计，而设计的主要目标是以最小化的投资额和最小化的耗电量来实现最优化的熔盐保温效果［3］。

电伴热系统的设计方案确定后，将开始在光热发电站的熔盐管道和熔盐储罐周围铺设发热电缆，同时安装DCS控制系统，DCS控制系统与发热电缆相互连接，以实现对各部位的温度监控，并配备相关的温度检测设备，当某处温度降至设定的温度点时，温度检测设备将发出信号，电伴热系统立刻启动运行，将其进行加热以保证熔盐不会凝固。另外采用网络监测系统则可以实现对系统的整体与远程温度监测和控制，并可以与操作人员的移动电脑进行互联，实现远程操作，整个系统看起来就像是一个移动互联网络系统，方便随时随地对光热发电站系统的温度进行监控和调整。

4　结语

将熔盐蓄热储能循环技术应用在光热发电中，使得太阳能热发电站实现了24 h持续发电，从而使得太阳能的利用不再受夜间乃至多云天气的影响，这样太阳能光热发电就成为了一种可控的优质绿色电力生产方式。目前我们在熔盐蓄热储能循环系统的光热电站设计上，采用了一些新的设计方法和设计理念，优化光热电站的整体设计，提高光热电站的工作温度，以此来提高发电效率，降低熔盐用量，削减发电成本，并采用先进的熔盐蓄热储能循环技术来降低光热电站的投资成本，使光热发电更加具有成本优势和经济效益。

［1］汪琦，俞红啸，张慧芬.太阳能光热发电中熔盐蓄热储能循环系统的设计开发［J］.化工装备技术，2014（1）：11-14.

［2］汪琦.熔盐加热炉和熔盐加热系统的开发［J］.化工装备技术，2000（2）：40-43.

［3］汪琦，俞红啸.熔盐加热炉的结构设计和熔盐过热的研究［J］.化工装备技术，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

作者介绍：汪琦（1961—），男，高级工程师，长期从事热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计、研究、开发工作.