基于高温熔盐储热系统的电加热器对比及分析

陈晓彤

［关键词］熔盐；光热电厂；储能；电加热器

随着温室效应及全球气候变化加剧，促进了以绿色低碳为目标的能源转型，电力系统随之进入了能源转型的关键时期[1]。截至2023年年底，我国兆瓦级规模以上光热发电机组累计装机容量588 MW，在全球太阳能热发电累计装机容量中占比7.8%[2]。随着光电规模的迅猛发展，其间歇性与不稳定性对电力系统的安全稳定运行产生较大负面影响，而储热技术是解决这一问题的最佳方法。

储热型光热发电能够保持稳定的电力输出，具备良好的调节特性，可迅速响应电网负荷需求。由此可见，储热型光热发电机组具有更灵活性、经济性、环保性[3]。相关数据显示，目前国内正在推进的53个光热发电项目中，有25 个采用熔盐储能技术[4]。熔盐储能，是以液态熔盐作为储热和传热工质，将太阳能光热、低热、工业余热低品位废热、谷电等转化为热能储存在熔盐中，在需要时释放热能，延长电站的运行时间，确保一定时段内无论是否存在太阳能辐射，汽轮发电机组均可以连续运行[5]。熔盐电加热器是熔盐储能技术的电加热设备，能否正常运行直接关系到储能装置的成本投资、动力消耗、经济效益[6]。

1 工程概况与储热系统工作流程

1.1 工程概况

项目装机容量：330 MW 光伏（不含已经建成的10 MWp 光伏）、200 MW/540 MWh 电池储能；熔盐储能1200 MW·ht，熔盐加热器功率150 MW，热储发电配置背压式汽轮发电机组12 MW；配置电蒸汽锅炉45 MW。

本工程为光伏储能一体化项目，配置3×50MW熔盐电加热器，用于吸收光伏电量，将电能转化为热能储存在储罐中。利用光伏发电加热熔盐进行储热，将电能以热能形式补充到储热系统内。

1.2 储热系统工作流程

根据DL/T 5622-2021《太阳能热发电厂储热系统设计规范》中的规定，本工程储热系统采用双罐储热系统，并采用质量比6：4硝酸钠和硝酸钾的二元熔盐。

工程不设置集热系统，设置了200 MW/540 MWh容量的电化学储能，并通过设置150 MW熔盐电加热器利用光伏加热熔盐。

低温熔盐经熔盐电加热器加热升温后首先进入储热系统高温熔盐储罐，其中高温熔盐一部分进入蒸汽发生系统，与高压给水进行换热，产生过热蒸汽驱动汽轮发电机组做功发电，汽轮机排汽供至用汽点。剩余部分高温熔盐储存于高温熔盐储罐中，当光资源较弱或无光资源时，调用储存高温熔盐，继续向蒸汽发生系统提供热量维持汽轮发电机组做功发电并进行工业供汽。

2 电加热器系统设备选型

熔盐电加热器根据发热原理的不同，可以分为传统电阻式（简称：电阻式）、电极式和电感式熔盐电加热器。根据工作电压等级区分，可以分为高压熔盐电加热器和低压熔盐电加热器，其中电阻式熔盐电加热器采用的电压等级为低压380 V或中压690 V，高压等级的电阻式熔盐电加热器厂家正在进行研发，市面上还没有相关产品。电极式和电感式熔盐电加热器可以采用6 kV或者10 kV的高压进行供电。

工程熔盐电加热器设计条件：进口熔盐温度为290℃，出口565℃，暂定熔盐流量最大为1425 t/h。以下为选用不同电加热器的使用情况。

2.1 电阻式熔盐电加热器

2.1.1 基本原理

电阻加热主要是电阻丝通电后产生热量，经过热传递加热熔盐。热量传导过程为：电能→电阻丝热能→绝缘层→保护层→被加热流体。单个电阻加热功率小，大功率设备需要多支路电阻串联、并联形成。图1为电阻式熔盐电加热器的原理示意图。

2.1.2 技术特点

电阻式加热器，因结构简单、适用性广，低压进电，技术成熟，已大量应用于石油、化工、电力等工业领域。

图2为电阻式熔盐加热器的主要结构示意图，它由电热元件、筒体、封头、支座、吊耳、进口接管及出口接管等组成。筒体上设有管口，用于连接安全阀管线以及排污管线等。低温熔盐通过泵、管道输送进入电加热器，吸收电阻产生的热量后高温熔盐从设备出口通过管道进入高温熔盐储罐。

电阻式电加热器的电热元件为电加热管，一台电加热器一般由多组加热管组成。管状加热器的电加热管可以为直管、U形管或蛇形管状。

2.1.3 本工程电阻式熔盐电加热器技术方案

电阻式熔盐电加热方案：配置3套50 MW熔盐电加热器，独立控制。供货范围：变压器（6 kV 转690 V）、低压开关柜、调功柜、PLC柜、1台上位机（工程师站和操作站，100 MW共用）、调功柜至加热器的电缆、PLC柜至加热器的测温电缆。

用户提供一路功率消耗需求至PLC，DCS根据功率需求调节熔盐流量，厂家根据功率消耗需求和出口温度调节加热器的输出功率，优先调节出口温度，消耗功率为辅，用户调节流量和消耗功率需求的精度决定了出口温度和加热器输出功率的精度，出口温度精度正负3℃，50 MW最小输出功率不能低于500 kW。

2.2 电极式熔盐电加热器

2.2.1 基本原理

电极熔盐加热方式，以熔盐本身作为发热电阻直接发热，无中间传热、换热过程，有效解决传统电热管熔盐加热器单机功率低、加热温度受限、易腐蚀、故障率高等问题，适应于大功率（单台10 MW以上）和超高温（500℃以上）熔盐加热领域。

电极式基本原理同电极式热水锅炉，适宜高功率及高电压等级，具有较少的配电投资，配电系统相对简单。图3为电极式熔盐电加热器基本原理。

2.2.2 技术特点

电极熔盐电加热器单台功率可以做到10 MW，20 MW或50 MW，也可实现更高功率，10 kV高压直接接入。电极直接加热熔盐，无需加热丝电热管，易损件少，维护工作少。

与水介质电极锅炉类似，电极式熔盐加热器采用液态熔盐作为介质，利用液态熔盐具有的高电导率特性使熔盐本身成为发热电阻，通过自身的均匀发热将电能转化成热能，加热效率超过比较高。图4为电极式熔盐电加热器结构图。

2.2.3 本工程电极式熔盐电加热器技术方案

本工程本期配置15台10 MW电极式熔盐锅炉，电压等级采用6 kV。单台10 MW电极式熔盐电加热器性能参数见表1所示。

2.3 电感式熔盐电加热器

2.3.1 基本原理

电感式熔盐电加热器是利用电磁感应加热原理，感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的，相对于传统感应加热，电磁熔盐加热器选用了更为高效的电磁耦合，通过流体管道自身均匀发热，湍流换热以达到加热熔盐的目的。

熔盐电磁感应加热器主要由感应加热电源、感应线圈和被加热的金属管道3部分构成，基本工作原理如图5所示。

2.3.2 技术特点

高压电磁感应加热主要特点：

（1）寿命长，熔盐管道采用厚壁管，强度好耐腐蚀，使用寿命久（＞200000 小时），后期更换维护成本低。

（2）绝缘性高，采用电磁隔离，绝缘性能好，容易实现高电压低电流加热，可根据现场供电情况设计6 kV、10 kV、35 kV等不同电压等级。

（3）新型电磁感应加热区别于传统感应加热，采用更为高效电磁耦合，具有功率因数高，效率高的特点。

（4）单体功率大可设计500 kW～10 MW不同功率等级，满足不同工业现场需求。多台设备同时工作时，可应用群控技术智能分配功率，可实现零谐波污染。

（5）换热效率高熔盐管道直接发热，湍流换热，换热效率高。均匀换热熔盐管道均匀发热，管道内无死区，不存在熔盐过热问题，传统电热管虽有折流板改善均流，但仍存在高温死区。

（6）设备可直接接入35 kV/10 kV/6 kV高压电网，免去了繁杂的配电和变压设备。高压小电流使得设备间主回路连接体积小、重量轻、现场易布置，降低了对现场条件的要求，无论是新建项目还是改造项目都能灵活布置，更容易接入运行。

2.3.3 本工程电感式熔盐电加热器技术方案

本方案采用15×10 MW电感式熔盐电加热器，电感式熔盐电加热器系统由高压感应电源柜、高压感应熔盐加热器、低压控制柜、冷却系统（如有）组成，具体见图6高压感应熔盐加热系统图。

单台10 MW电极式熔盐电加热器设备参数见表2所示。

2.4 技术路线总结

通过上述内容的论述与比较，电阻式、电极式及电感式三种技术路线均可用于熔盐的电加热，从表3中可了解相关优缺点。

小功率电阻式熔盐加热器技术成熟，在光热电站中防止熔盐低温凝固应用场景，已有较多运行业绩，该应用场景与本项目应用场景相比，主要区别在于，设备功率小，加热温度低（防止熔盐凝固）等。单体功率3MW以上的电阻式熔盐加热器目前有安徽华瑞电气有限公司在绍兴绿电熔盐储能及北京民利储能项目上有合同业绩，其中北京民利储能项目尚未投运，绍兴绿电熔盐储能尚未经过长时间运行考验，无锡恒业具有敦煌大成线性菲涅耳50MW光热电站业绩，但运行时间还较短，其他厂家运行实际运行效果还未有更多信息报道。

电极式熔盐加热器与电感式熔盐加热器并无实际项目运行业绩。且这两种技术国内做的厂家相对比较单一。

3 结论

综上所述，本文细论述了电阻式、电极式及电感式三种技术路线的原理、经济性、运行维护以及优缺点，结合目前汇总了各个技术路线对应国内的主要厂家及业绩情况，推荐某厂使用电阻式电加热器设计。

近年来，我国新能源市场迎来了极大的发展契机，国内光热发电市场站在了快速发展的高速路上。熔盐储热已广泛应用于太阳能光热发电及火力发电机组的灵活性改造、供暖与余热回收利用等场景。不同熔盐电加热器在光电发电机组灵活性改造项目中选型的问题缺少研究。

本文综合比较了三种不同的熔盐电加热器，可为光热发电厂熔盐罐的电加热系统设计选型提供一定参考和借鉴。