某高温相变光热发电项目消防设计问题的探讨

李文书，梁涛

（中能建江苏省电力设计院有限公司，南京 211102）

1 引言

某新能源小镇以清洁能源替代建设为重点，构建了多种能源协同互补的区域能源互联网，建立了清洁低碳、安全高效的新型能源体系，引领城市能源变革发展，由此打造了世界首台、首套、首创项目之一的高温相变光热项目。该示范性项目利用聚光技术将低密度太阳能流进行聚焦，产生高密度的热能；利用高温相变材料实现热能的存储与释放；利用发电装置实现热能向电能的转化，出口蒸汽经过冷凝用于供暖；利用液化空气储能技术将电能转化为液态空气的内能进行存储。

该项目核心部分为高温相变光热发电系统，该系统由碟式光热发电机组和储热系统组成，碟式光热发电系统利用碟形镜面收集太阳能，加热工质，提供蒸汽驱动汽轮发电机发电，剩余热量可储存于采用高温相变材料的储热系统中，在无光照情况下仍能带动汽轮发电，主要设备包括2台100 m2碟式太阳能聚光器、1台300 kW·h高温相变储热装置和1套10 kW汽轮机发电机组。另外，为消纳峰期电能，本项目设立了500 kW液化空气储能系统示范项目，深冷液化空气储能技术将电能转化为液态空气的内能并存储，储能时，电能将空气压缩，使得空气冷却并液化。存储该过程中释放的热能可用于释能时加热空气。释能时，液态空气被加压、气化，推动轮机发电，同时，存储该过程的冷能，用于储能时冷却空气。

相比传统新能源发电项目，本项目主要增加了高温储热装置及空气储能装置，拟对上述项目中的新型配套设备，包括高温相变储热装置及液化空气储能装置的火灾危险性进行分析，提出适当的消防设计方案，为相关工程的消防设计提供借鉴。

2 高温相变储热装置

本项目光热发电系统包括碟式聚光集热子系统及换热子系统。碟式聚光集热子系统由碟式抛物面反光镜、接收器和跟踪装置构成；换热子系统包含2部分，一部分为导热油/熔融盐换热器，另一部分为导热油/水换热器。该系统中熔融盐相变储热材料及导热油系统是储装置核心部分，本文针对该部分的消防设计方案进行重点探讨。

2.1 高温相变储热材料

储热系统按照热的形式可分为3类：显热储热、相变储热和化学储热[1]。显热储热主要利用物质本身在温度的升高或降低过程中进行的热量储存与释放，典型储热介质包括水、导热油、熔融盐、鹅卵石、混凝土、铸铁等[2]；相变储热主要利用物质随温度变化而发生相变过程中的可逆反应来进行热量的储存与释放，典型储热介质包括水合盐、熔融盐、石蜡、金属和合金等；化学储热主要是利用物质的可逆化学反应过程来进行热量的储存与释放，典型储热介质包括氢化镁、盐氨合物等。结合目前国内外的研究成果，上述3种储热形式中显热储热技术市场应用最为成熟，但显热储热材料储能密度偏低，容易导致储热系统体积庞大；化学储热的储热密度最大，但尚处于实验室研究阶段，工业应用时间尚远；相变储热综合了显热储热工艺简单及化学储热热密度高的优点，发展潜力巨大，而且相变蓄放热过程基本保持恒温，可以减少蓄放热过程中能量品位的损失[3]，目前已经进入商业化应用阶段。

目前，国内外用于太阳能光热发电的储热材料主要包括高温储热混凝土、熔融盐和相变金属。其中，熔融盐属于一种相变储热材料，由于具有稳定性高、储热密度高的特点，再加上蒸汽度较低、成本较低，是目前光热发电中应用最广泛的储热材料。熔融盐以钠、钾等第一主族元素的化合物为主，根据阴离子又可分为碳酸盐、氯化盐、硝酸盐和氟化盐等，其中，60%硝酸钠（NaNO3）+40%硝酸钾（KNO3）的二元盐及53%硝酸钾（KNO3）+40%亚硝酸钠（NaNO2）+7%硝酸钠（NaNO3）、48%硝酸钙[Ca（NO3）2]+45%硝酸钾（KNO3）+7%硝酸钠（NaNO3）的三元盐是光热电站普遍采用的熔融盐类型。根据国外相关研究，相变材料包括无机相变材料及有机相变材料，其中，有机相变材料主要用于建筑围护机构的节能保温，属于易燃物质，需要在材料中加入阻燃剂以改善消防安全[4]，而无机相变材料则相反，属于非易燃物质。太阳能光热发电系统中使用的熔融态的熔融盐属于无机类的相变材料，其物理和化学性质是稳定的，无爆炸危险，高温熔融盐溢出后，在大气环境中会很快凝固，基本不存在火灾危险，国外已投运的熔融盐太阳能光热电站对熔融盐换热器、管道等设施均未采取特殊的防火设计[5]。

该能源小镇光热发电项目从系统运行效率及经济性两方面对储热材料进行选取，最终确定采用相变点为710℃的熔融盐复合相变储热材料，属于无机相变材料的一种，无须采取特殊的防火设计。

2.2 导热油系统

导热油输送系统由导热油、泵机及输送管道组成，其中，导热油是输送系统的核心。当光照条件满足汽轮机运行要求时，导热油经由吸热器升温，一部分进入热交换装置，通过热交换将热量转移至水，将液态水变为水蒸气，驱动汽轮机发电；另一部分进入相变蓄热装置，通过热交换将热量转移至相变材料，实现热量的存储，以便在无光照条件下通过相变材料放热，加热导热油进入热交换装置，并通过油水热交换驱动汽轮机发电。

本工程为实现复合相变材料的高效利用，选用国内外太阳能光热电站广泛使用的改性三联苯合成导热油，其主要相关参数见表1。

表1 导热油相关参数

国内光热电站常用的26.5%联苯和73.5%联苯醚混合导热油，其闪点为124℃，本工程所用导热油虽然有相对高的闪点，但仍有较大的火灾危险性，对一些设备需要采取特殊的防火措施。导热油系统主要设备包括低位储油罐、高位膨胀油罐、储热装置排油罐、导热油循环泵及注油泵，导热系统的火灾危险性主要发生在事故泄漏状态。

当导热系统的导热油泵、管道等发生泄漏时，由于保温层的虹吸作用，泄漏的导热油会浸入保温层，保温层处于高温状态，容易形成自燃引起火灾。另外，高温导热油泄漏到空气中会气化与冷空气接触而凝结形成气雾，气雾达到一定浓度遇火会燃烧[6]。针对上述火灾隐患，本项目设置了1座低位储油罐，事故状态时，导热油绝大部分排入低位储油罐，低位油槽罐采用地下布置方式，此种布置方式可有效减小事故状态着火规模，而且着火状态下较易灭火，一般使用灭火毯和灭火沙就可扑灭，低位储油罐区域周围配置手提式干粉灭火器、推车式泡沫灭火器、灭火毯及灭火沙等灭火工具，使用上述灭火器材可有效扑救低位储油罐区的火灾，同时，扑救时也可使用附近的消火栓接出喷雾（开花）水枪进行人身掩护，并冷却附近地面。低位油槽底部设潜水排污泵，潜水排污泵采用人工控制方式，严禁根据槽内水位自动启停，同样可保证少量流入油槽内的导热油不外排扩散，防止事故外延。

当储热装置中的导热油出现泄漏时，导热油进入相变材料中，相变材料作为一种氧化剂会加速导热油的氧化，此时，导热油会冒烟，时间久了会聚集热量，温度突然不正常升高，罐体内压力变大，烟雾也会明显增多，但该过程十分缓慢，且有相应的探测器可以检测到。处理措施是将储热装置中的导热油在一定的时间内排至储热系统专用储油罐，同时，向储热装置中通入压力为0.15 MPa的氮气，氮气具有冷却及隔绝氧气的作用。控制逻辑是当探测到储热装置中的压力异常增大到0.5 MPa以上，或者温度超过380℃，或者通过烟气探测器探测到导热油开始出现大量的氧化分解现象，此时，储热装置和储油罐之间的阀门打开，导热油通过重力自动排到储油罐中，同时，氮气管道和储热装置之间的阀门打开，向储热装置中通入0.15 MPa的氮气，导热油排油设计在10 min内排完，此时，储热装置就不会出现大量冒烟的现象，待储热装置彻底冷却后可以进行检修。为进一步降低导热油泄漏扩散的危险性，储热装置区（储热装置、储油罐等）外围设置300 mm高的围堰，可以存储系统全部的导热油量，围堰周围同样配置手提式干粉灭火器、推车式泡沫灭火器、灭火毯及灭火沙等灭火工具，可有效扑救储热装置区的火灾。

3 液化空气储能技术

储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源大规模接入、电力系统削峰填谷，以及分布式供能系统的关键技术，是目前解决能源环境问题的一个重要途径。用于可再生能源消纳的储能技术包括机械储能技术、化学储能技术、电储能技术和相变储能，其中，以电池储能、抽水蓄能和压缩空气储能为典型代表[7]。压缩空气储能不需要大量水资源，且具有寿命长、环境污染小、占地面积小、规模化效应明显、运行维护费用低的特点,是未来规模化能量型存储的方向之一。本项目为500 kW液化空气储能系统示范项目，该项目采用深冷压缩空气储能技术，将电能转化为液态空气的内能并存储，储能时，电能将空气压缩、分子筛吸附净化、空气循环增压、膨胀机制冷、中压循环利用高级冷能，使得空气冷却并液化，同时，存储该过程中释放的热能可用于释能时加热空气；释能时，液态空气被加压、气化，推动轮机发电，同时，存储该过程的冷能，用于储能时冷却空气。该储能技术液化空气采用罐体常压低温存储，储能密度高，不再需要地下洞穴，摆脱了地理条件的限制，而且储能密度高，预期运行效率达到50%~60%[8]。

本项目压缩空气储能项目介质为液态空气，储热介质为水，蓄冷介质为玄武岩颗粒并含少量乙二醇，主要生产介质包括空气、水及岩石（主要成分为二氧化硅），均不燃不爆，含有的少量乙二醇是一种无色无臭的液体，冰点是-11.5℃，可用作载冷剂，其沸点是197.4℃，自燃点为418℃，火灾危险性等级较小，因此，压缩空气储能设施无须设置特殊的消防措施，可利用常规的消火栓及灭火器等灭火器材进行灭火。

4 结语

本文主要对高温相变光热项目、空气储能项目中使用的介质性质及运行过程进行分析，力求寻找出系统中主要火灾危险点，并提出了相应的消防措施。但由于国内高温相变光热项目、空气储能等项目实际应用较少，且对相变储热材料、导热油等材料的特性研究深度有限，发电厂常用消防规范GB 50229—2019《火力发电厂与变电站设计防火标准》主要使用对象为燃煤及燃气电厂，没有光热发电、空气储能等新能源项目部分的消防设计内容，因此，现阶段进行具体项目的消防设计时，建议组织相关专家对具体方案进行论证及评审，以最大限度地提高项目运行的安全保障性。