基于熔鹽介質(zhì)的線性菲涅爾式光熱電站儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文以某工程為例，介紹了熔鹽介質(zhì)光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的光場循環(huán)泵、蒸發(fā)器熔鹽泵、蒸發(fā)器熔鹽調(diào)溫泵、低溫熔鹽罐、高溫熔鹽罐，及換熱系統(tǒng)中的預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器等重點(diǎn)設(shè)備選用做了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：菲涅爾;光熱電站;熔鹽;儲(chǔ)熱;換熱

1 以熔鹽為介質(zhì)的太陽能槽式聚光集熱發(fā)電系統(tǒng)

新一代的太陽能槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，是以熔鹽為代表的熱載體，利用拋物線的光學(xué)原理，聚集太陽能，太陽能匯集到集熱管上，集熱管吸收熱量后進(jìn)而加熱流過其中的熔鹽介質(zhì)，介質(zhì)溫度從290℃逐漸被加熱到550℃。被加熱后的高溫熔鹽流入儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的高溫熔鹽儲(chǔ)罐中，其中一部分高溫熔鹽會(huì)從高溫熔鹽儲(chǔ)罐中流出在蒸汽發(fā)生器與水換熱，然后流回儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的低溫熔鹽儲(chǔ)罐中，而換熱的水變成535℃的水蒸氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電;另一部分高溫熔鹽則留在高溫熔鹽儲(chǔ)存在高溫熔鹽罐中，待夜間無日照時(shí)繼續(xù)輸出換熱用于夜間蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電。

2 熔鹽介質(zhì)特性分析

當(dāng)前，商業(yè)化運(yùn)行的槽式光熱電站多選用水作為傳熱介質(zhì)，但由于其工質(zhì)溫度不高，無法發(fā)揮光熱電站的儲(chǔ)能優(yōu)勢，機(jī)組整體發(fā)電效率也難以大幅提高。熔鹽因其優(yōu)良的傳熱儲(chǔ)熱特性，正在被越來越廣泛的應(yīng)用于建筑供暖、谷電制熱、風(fēng)電消納、光熱電站等領(lǐng)域。

2.1 熔鹽介質(zhì)優(yōu)點(diǎn)

熔鹽作為集熱、儲(chǔ)熱、傳熱介質(zhì)，具有較高的使用溫度、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對流傳熱系數(shù)、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價(jià)格等優(yōu)勢，是目前光熱發(fā)電領(lǐng)域中認(rèn)可度最高的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)之一。

2.2 熔鹽介質(zhì)缺點(diǎn)

熔鹽作為光熱電站集熱、傳熱、儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)，其最大的缺點(diǎn)是冰點(diǎn)高，二元和三元熔鹽在120-220℃，所以在實(shí)際工程中要考慮如何防止熔鹽凝固，因此必須對熔鹽管道、儲(chǔ)熱罐、換熱器等部件加裝輔熱裝置，會(huì)增加建站成本。

3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程案例中儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為高低溫雙罐熔鹽儲(chǔ)熱，低溫熔鹽（290℃）被輸送至太陽集熱區(qū)收集太陽熱能，經(jīng)集熱器加熱到550℃的高溫熔鹽被送至蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生成過熱蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)做工，部分?jǐn)y帶有多余太陽熱能的高溫熔鹽回到高溫熔鹽罐儲(chǔ)存起來。

3.1 熔鹽初裝

熔鹽初始是以固態(tài)顆粒形式運(yùn)輸至現(xiàn)場，在光熱電站運(yùn)行初期，首先要對熔鹽進(jìn)行初始熔化，主要過程包括：破碎、配比摻混和高溫加熱，在對熔鹽進(jìn)行熔化過程中，同時(shí)還需要對熔鹽罐進(jìn)行罐體預(yù)熱，為注入高溫熔鹽做好準(zhǔn)備?；}過程中的加熱方式可采用燃?xì)?、燃油或電加熱。使用天然氣作為輔助燃料，用于加熱熔鹽。

3.2 主要設(shè)備

3.2.1光場回路循環(huán)泵（冷鹽泵）。采用高可靠性、低維修要求的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，位于低溫熔鹽罐中，驅(qū)動(dòng)熔鹽進(jìn)入廣場吸收熱量后回到高溫熔鹽罐。通過使用變頻器來適應(yīng)不同光照強(qiáng)度下集熱管內(nèi)的流量要求，從而實(shí)現(xiàn)最大程度吸收太陽能。

3.2.2蒸發(fā)器熔鹽泵（熱鹽泵）。蒸發(fā)器熔鹽泵為高可靠性、低維修要求的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，位于高溫熔鹽罐中，為高溫熔鹽流經(jīng)過熱器、再熱器、蒸汽發(fā)生器、預(yù)熱器，并最終流至低溫熔鹽罐提供驅(qū)動(dòng)力。

3.2.3蒸發(fā)器熔鹽調(diào)溫泵（調(diào)溫泵）。蒸發(fā)器熔鹽調(diào)溫泵采用高可靠性、低維修要求的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，位于低溫熔鹽罐中。當(dāng)進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的高溫熔鹽溫度過高時(shí)，可通過此泵將低溫熔鹽泵入摻混調(diào)溫。

3.2.4低溫熔鹽罐（冷鹽罐）。低溫熔鹽罐用于儲(chǔ)存來自熔鹽制備系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)來的液態(tài)熔鹽。冷鹽罐熔鹽溫度受汽輪機(jī)運(yùn)行負(fù)荷變化會(huì)有較明顯變化，額定負(fù)荷時(shí)返回制冷鹽罐的熔鹽溫度可能到298℃，而且還受到實(shí)際運(yùn)行工況的影響，如夜間小流量循環(huán)時(shí)，冷熔鹽罐中的熔鹽溫度可能低至200℃，所以冷罐熔鹽溫度在200℃～300℃之間。

3.2.5高溫熔鹽罐（熱鹽罐）。高溫熔鹽罐用于儲(chǔ)存經(jīng)集熱場加熱后的高溫熔鹽，額定工況熔鹽溫度約550℃。冷、熱熔鹽儲(chǔ)罐要設(shè)計(jì)有足夠大的容量，以保證機(jī)組具備足夠的儲(chǔ)熱能力。

3.2.6防凝措施。本工程選用了凝固點(diǎn)為120℃的低熔點(diǎn)鹽，熔鹽管所有熔鹽介質(zhì)設(shè)備（冷熱儲(chǔ)箱底部除外），如管道、閥門、熱交換器都需加裝電加熱裝置，避免熔鹽固化。夜間為防止太陽能集熱場熔鹽凝結(jié)，采用小流量循環(huán)方式運(yùn)行。

4 換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換熱系統(tǒng)主要包括蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和啟動(dòng)給水預(yù)熱系統(tǒng)。

4.1蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)用于將熔鹽存儲(chǔ)的熱量傳遞給汽輪機(jī)工質(zhì)水（汽），以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。主要設(shè)備包括：過熱器、再熱器、蒸發(fā)器和預(yù)熱器。從常規(guī)島來的除鹽水以250℃的溫度進(jìn)入三級換熱器，通過與高溫熔鹽換熱，生成535℃過熱蒸汽（主蒸汽）進(jìn)入汽輪機(jī)做功。高壓缸排出的飽和蒸汽，進(jìn)入再熱器與高溫熔鹽換熱，生成535℃過熱蒸汽（再熱蒸汽）再進(jìn)入汽輪機(jī)做功。上述四種換熱器均采用管殼式換熱器形式，換熱介質(zhì)為熔鹽——水/蒸汽。

主要用到的設(shè)備及選型如下：

預(yù)熱器：用于將250℃的給水進(jìn)一步預(yù)熱后輸送至蒸發(fā)器，同時(shí)保證出口熔鹽溫度為290℃。

蒸發(fā)器：實(shí)現(xiàn)汽水轉(zhuǎn)化過程，產(chǎn)生所需壓力下的飽和蒸汽。

過熱器：從為獲得較高品質(zhì)的蒸汽，通過設(shè)置過熱器，將從蒸發(fā)器來的飽和蒸汽進(jìn)一步加熱成過熱蒸汽（主蒸汽）主蒸汽溫度需達(dá)到汽輪機(jī)做工需要的535℃。

再熱器：為提高汽輪機(jī)效率，通過設(shè)置再熱器，使從高壓缸排出的蒸汽，進(jìn)入再熱器與高溫熔鹽換熱成高品質(zhì)過熱蒸汽，再次進(jìn)入汽輪機(jī)做功。再熱蒸汽溫度需達(dá)到汽輪機(jī)做工需要的535℃。

蒸汽發(fā)生器，即預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器和再熱器可配置為單列或雙列。

4.2 啟動(dòng)給水預(yù)熱系統(tǒng)

啟動(dòng)給水預(yù)熱系統(tǒng)包括一臺電加熱器，用于啟動(dòng)初期給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)提供熱水。由于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的換熱介質(zhì)是低熔點(diǎn)熔鹽，正常工作溫度范圍在190℃—570℃，在120℃開始凝固的物性，要求機(jī)組在啟動(dòng)初期對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行暖管。其蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備的預(yù)熱則是通過電加熱器將給水逐漸加熱成蒸汽，輸送進(jìn)蒸汽發(fā)生器及主蒸汽管道，對整個(gè)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。

主要用到的設(shè)備有電加熱器，該設(shè)備主要用于機(jī)組啟動(dòng)初期，用于加熱給水生成飽和蒸汽，對蒸汽發(fā)生器預(yù)熱，并為除氧器啟動(dòng)初期供汽。

5 小結(jié)

近年來，隨著我國太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的推進(jìn)，我國光熱發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展階段，在槽式、塔式光熱發(fā)電領(lǐng)域都取得了一些實(shí)用的研究成果，本文介紹的基于熔鹽介質(zhì)線性菲涅爾式光熱電站的儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)已在某示范項(xiàng)目中獲得成功。未來，隨著技術(shù)的不斷成熟，基于熔鹽介質(zhì)的線性菲涅爾式光熱發(fā)電技術(shù)必將取得新突破。

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作者簡介：

祁正榮（1988- ），男，大學(xué)本科，講師，主要從事太陽能光熱技術(shù)開發(fā)應(yīng)用、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等工作。

基金項(xiàng)目： 甘肅省創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目2020A-286