某高溫相變光熱發電項目消防設計問題的探討

李文書，梁濤

（中能建江蘇省電力設計院有限公司，南京 211102）

1 引言

某新能源小鎮以清潔能源替代建設為重點，構建了多種能源協同互補的區域能源互聯網，建立了清潔低碳、安全高效的新型能源體系，引領城市能源變革發展，由此打造了世界首臺、首套、首創項目之一的高溫相變光熱項目。該示范性項目利用聚光技術將低密度太陽能流進行聚焦，產生高密度的熱能；利用高溫相變材料實現熱能的存儲與釋放；利用發電裝置實現熱能向電能的轉化，出口蒸汽經過冷凝用于供暖；利用液化空氣儲能技術將電能轉化為液態空氣的內能進行存儲。

該項目核心部分為高溫相變光熱發電系統，該系統由碟式光熱發電機組和儲熱系統組成，碟式光熱發電系統利用碟形鏡面收集太陽能，加熱工質，提供蒸汽驅動汽輪發電機發電，剩余熱量可儲存于采用高溫相變材料的儲熱系統中，在無光照情況下仍能帶動汽輪發電，主要設備包括2臺100 m2碟式太陽能聚光器、1臺300 kW·h高溫相變儲熱裝置和1套10 kW汽輪機發電機組。另外，為消納峰期電能，本項目設立了500 kW液化空氣儲能系統示范項目，深冷液化空氣儲能技術將電能轉化為液態空氣的內能并存儲，儲能時，電能將空氣壓縮，使得空氣冷卻并液化。存儲該過程中釋放的熱能可用于釋能時加熱空氣。釋能時，液態空氣被加壓、氣化，推動輪機發電，同時，存儲該過程的冷能，用于儲能時冷卻空氣。

相比傳統新能源發電項目，本項目主要增加了高溫儲熱裝置及空氣儲能裝置，擬對上述項目中的新型配套設備，包括高溫相變儲熱裝置及液化空氣儲能裝置的火災危險性進行分析，提出適當的消防設計方案，為相關工程的消防設計提供借鑒。

2 高溫相變儲熱裝置

本項目光熱發電系統包括碟式聚光集熱子系統及換熱子系統。碟式聚光集熱子系統由碟式拋物面反光鏡、接收器和跟蹤裝置構成；換熱子系統包含2部分，一部分為導熱油/熔融鹽換熱器，另一部分為導熱油/水換熱器。該系統中熔融鹽相變儲熱材料及導熱油系統是儲裝置核心部分，本文針對該部分的消防設計方案進行重點探討。

2.1 高溫相變儲熱材料

儲熱系統按照熱的形式可分為3類：顯熱儲熱、相變儲熱和化學儲熱[1]。顯熱儲熱主要利用物質本身在溫度的升高或降低過程中進行的熱量儲存與釋放，典型儲熱介質包括水、導熱油、熔融鹽、鵝卵石、混凝土、鑄鐵等[2]；相變儲熱主要利用物質隨溫度變化而發生相變過程中的可逆反應來進行熱量的儲存與釋放，典型儲熱介質包括水合鹽、熔融鹽、石蠟、金屬和合金等；化學儲熱主要是利用物質的可逆化學反應過程來進行熱量的儲存與釋放，典型儲熱介質包括氫化鎂、鹽氨合物等。結合目前國內外的研究成果，上述3種儲熱形式中顯熱儲熱技術市場應用最為成熟，但顯熱儲熱材料儲能密度偏低，容易導致儲熱系統體積龐大；化學儲熱的儲熱密度最大，但尚處于實驗室研究階段，工業應用時間尚遠；相變儲熱綜合了顯熱儲熱工藝簡單及化學儲熱熱密度高的優點，發展潛力巨大，而且相變蓄放熱過程基本保持恒溫，可以減少蓄放熱過程中能量品位的損失[3]，目前已經進入商業化應用階段。

目前，國內外用于太陽能光熱發電的儲熱材料主要包括高溫儲熱混凝土、熔融鹽和相變金屬。其中，熔融鹽屬于一種相變儲熱材料，由于具有穩定性高、儲熱密度高的特點，再加上蒸汽度較低、成本較低，是目前光熱發電中應用最廣泛的儲熱材料。熔融鹽以鈉、鉀等第一主族元素的化合物為主，根據陰離子又可分為碳酸鹽、氯化鹽、硝酸鹽和氟化鹽等，其中，60%硝酸鈉（NaNO3）+40%硝酸鉀（KNO3）的二元鹽及53%硝酸鉀（KNO3）+40%亞硝酸鈉（NaNO2）+7%硝酸鈉（NaNO3）、48%硝酸鈣[Ca（NO3）2]+45%硝酸鉀（KNO3）+7%硝酸鈉（NaNO3）的三元鹽是光熱電站普遍采用的熔融鹽類型。根據國外相關研究，相變材料包括無機相變材料及有機相變材料，其中，有機相變材料主要用于建筑圍護機構的節能保溫，屬于易燃物質，需要在材料中加入阻燃劑以改善消防安全[4]，而無機相變材料則相反，屬于非易燃物質。太陽能光熱發電系統中使用的熔融態的熔融鹽屬于無機類的相變材料，其物理和化學性質是穩定的，無爆炸危險，高溫熔融鹽溢出后，在大氣環境中會很快凝固，基本不存在火災危險，國外已投運的熔融鹽太陽能光熱電站對熔融鹽換熱器、管道等設施均未采取特殊的防火設計[5]。

該能源小鎮光熱發電項目從系統運行效率及經濟性兩方面對儲熱材料進行選取，最終確定采用相變點為710℃的熔融鹽復合相變儲熱材料，屬于無機相變材料的一種，無須采取特殊的防火設計。

2.2 導熱油系統

導熱油輸送系統由導熱油、泵機及輸送管道組成，其中，導熱油是輸送系統的核心。當光照條件滿足汽輪機運行要求時，導熱油經由吸熱器升溫，一部分進入熱交換裝置，通過熱交換將熱量轉移至水，將液態水變為水蒸氣，驅動汽輪機發電；另一部分進入相變蓄熱裝置，通過熱交換將熱量轉移至相變材料，實現熱量的存儲，以便在無光照條件下通過相變材料放熱，加熱導熱油進入熱交換裝置，并通過油水熱交換驅動汽輪機發電。

本工程為實現復合相變材料的高效利用，選用國內外太陽能光熱電站廣泛使用的改性三聯苯合成導熱油，其主要相關參數見表1。

表1 導熱油相關參數

國內光熱電站常用的26.5%聯苯和73.5%聯苯醚混合導熱油，其閃點為124℃，本工程所用導熱油雖然有相對高的閃點，但仍有較大的火災危險性，對一些設備需要采取特殊的防火措施。導熱油系統主要設備包括低位儲油罐、高位膨脹油罐、儲熱裝置排油罐、導熱油循環泵及注油泵，導熱系統的火災危險性主要發生在事故泄漏狀態。

當導熱系統的導熱油泵、管道等發生泄漏時，由于保溫層的虹吸作用，泄漏的導熱油會浸入保溫層，保溫層處于高溫狀態，容易形成自燃引起火災。另外，高溫導熱油泄漏到空氣中會氣化與冷空氣接觸而凝結形成氣霧，氣霧達到一定濃度遇火會燃燒[6]。針對上述火災隱患，本項目設置了1座低位儲油罐，事故狀態時，導熱油絕大部分排入低位儲油罐，低位油槽罐采用地下布置方式，此種布置方式可有效減小事故狀態著火規模，而且著火狀態下較易滅火，一般使用滅火毯和滅火沙就可撲滅，低位儲油罐區域周圍配置手提式干粉滅火器、推車式泡沫滅火器、滅火毯及滅火沙等滅火工具，使用上述滅火器材可有效撲救低位儲油罐區的火災，同時，撲救時也可使用附近的消火栓接出噴霧（開花）水槍進行人身掩護，并冷卻附近地面。低位油槽底部設潛水排污泵，潛水排污泵采用人工控制方式，嚴禁根據槽內水位自動啟停，同樣可保證少量流入油槽內的導熱油不外排擴散，防止事故外延。

當儲熱裝置中的導熱油出現泄漏時，導熱油進入相變材料中，相變材料作為一種氧化劑會加速導熱油的氧化，此時，導熱油會冒煙，時間久了會聚集熱量，溫度突然不正常升高，罐體內壓力變大，煙霧也會明顯增多，但該過程十分緩慢，且有相應的探測器可以檢測到。處理措施是將儲熱裝置中的導熱油在一定的時間內排至儲熱系統專用儲油罐，同時，向儲熱裝置中通入壓力為0.15 MPa的氮氣，氮氣具有冷卻及隔絕氧氣的作用。控制邏輯是當探測到儲熱裝置中的壓力異常增大到0.5 MPa以上，或者溫度超過380℃，或者通過煙氣探測器探測到導熱油開始出現大量的氧化分解現象，此時，儲熱裝置和儲油罐之間的閥門打開，導熱油通過重力自動排到儲油罐中，同時，氮氣管道和儲熱裝置之間的閥門打開，向儲熱裝置中通入0.15 MPa的氮氣，導熱油排油設計在10 min內排完，此時，儲熱裝置就不會出現大量冒煙的現象，待儲熱裝置徹底冷卻后可以進行檢修。為進一步降低導熱油泄漏擴散的危險性，儲熱裝置區（儲熱裝置、儲油罐等）外圍設置300 mm高的圍堰，可以存儲系統全部的導熱油量，圍堰周圍同樣配置手提式干粉滅火器、推車式泡沫滅火器、滅火毯及滅火沙等滅火工具，可有效撲救儲熱裝置區的火災。

3 液化空氣儲能技術

儲能技術是實現風能、太陽能等可再生能源大規模接入、電力系統削峰填谷，以及分布式供能系統的關鍵技術，是目前解決能源環境問題的一個重要途徑。用于可再生能源消納的儲能技術包括機械儲能技術、化學儲能技術、電儲能技術和相變儲能，其中，以電池儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能為典型代表[7]。壓縮空氣儲能不需要大量水資源，且具有壽命長、環境污染小、占地面積小、規模化效應明顯、運行維護費用低的特點,是未來規模化能量型存儲的方向之一。本項目為500 kW液化空氣儲能系統示范項目，該項目采用深冷壓縮空氣儲能技術，將電能轉化為液態空氣的內能并存儲，儲能時，電能將空氣壓縮、分子篩吸附凈化、空氣循環增壓、膨脹機制冷、中壓循環利用高級冷能，使得空氣冷卻并液化，同時，存儲該過程中釋放的熱能可用于釋能時加熱空氣；釋能時，液態空氣被加壓、氣化，推動輪機發電，同時，存儲該過程的冷能，用于儲能時冷卻空氣。該儲能技術液化空氣采用罐體常壓低溫存儲，儲能密度高，不再需要地下洞穴，擺脫了地理條件的限制，而且儲能密度高，預期運行效率達到50%~60%[8]。

本項目壓縮空氣儲能項目介質為液態空氣，儲熱介質為水，蓄冷介質為玄武巖顆粒并含少量乙二醇，主要生產介質包括空氣、水及巖石（主要成分為二氧化硅），均不燃不爆，含有的少量乙二醇是一種無色無臭的液體，冰點是-11.5℃，可用作載冷劑，其沸點是197.4℃，自燃點為418℃，火災危險性等級較小，因此，壓縮空氣儲能設施無須設置特殊的消防措施，可利用常規的消火栓及滅火器等滅火器材進行滅火。

4 結語

本文主要對高溫相變光熱項目、空氣儲能項目中使用的介質性質及運行過程進行分析，力求尋找出系統中主要火災危險點，并提出了相應的消防措施。但由于國內高溫相變光熱項目、空氣儲能等項目實際應用較少，且對相變儲熱材料、導熱油等材料的特性研究深度有限，發電廠常用消防規范GB 50229—2019《火力發電廠與變電站設計防火標準》主要使用對象為燃煤及燃氣電廠，沒有光熱發電、空氣儲能等新能源項目部分的消防設計內容，因此，現階段進行具體項目的消防設計時，建議組織相關專家對具體方案進行論證及評審，以最大限度地提高項目運行的安全保障性。