導(dǎo)熱油在儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

牟偉

（中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司西北分公司，河南鄭州 450000）

眾所周知，能源危機(jī)是全人類共同面臨的問題。全球范圍內(nèi)都在開展新能源技術(shù)的研發(fā)。隨著俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，必將進(jìn)一步助推新能源技術(shù)的快速發(fā)展。近年來，風(fēng)電、光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但一直受到“并網(wǎng)”困擾。廣義來講，儲(chǔ)能即能量?jī)?chǔ)存，是指通過一種介質(zhì)或設(shè)備，把一種能量形式用同一種或轉(zhuǎn)換成另一種能量形式存儲(chǔ)，并以規(guī)定能量形式釋放出來的循環(huán)過程。儲(chǔ)能主要指將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、勢(shì)能和化學(xué)能等其他形式的能量存放在儲(chǔ)能裝置中，并在需要時(shí)釋放，實(shí)現(xiàn)電力在供應(yīng)端、輸送端以及用戶端的穩(wěn)定運(yùn)行，提升能源利用效率、提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可幫助風(fēng)電場(chǎng)平滑輸出和“以峰填谷”。

非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵設(shè)備有壓縮機(jī)、透平機(jī)，主要使用汽輪機(jī)油。用油量最大的為蓄熱回?zé)嵯到y(tǒng)的換熱器，主要使用導(dǎo)熱油，具體詳見表1。

表1 鹽穴儲(chǔ)能關(guān)鍵設(shè)備及潤(rùn)滑方案

1 儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目對(duì)導(dǎo)熱油性能要求

作為大規(guī)模新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的國(guó)內(nèi)首個(gè)示范應(yīng)用，國(guó)家級(jí)儲(chǔ)能發(fā)電示范項(xiàng)目采用液相閉式導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)熱油在系統(tǒng)中作為傳熱、儲(chǔ)熱工質(zhì)，只參與間接換熱。項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)流程

項(xiàng)目通過導(dǎo)熱油在熱交換器中的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮熱的利用，系統(tǒng)循環(huán)過程中無燃料補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)了零排放。導(dǎo)熱油在循環(huán)狀態(tài)為閉式、液相循環(huán)、間歇操作模式，與550℃高溫高壓空氣實(shí)現(xiàn)間接換熱，使用過程導(dǎo)熱油溫度為（0～320）℃±5℃，工作壓力0～1 MPa，技術(shù)指標(biāo)滿足GB 23971-2009《有機(jī)熱載體》L-QD 340技術(shù)規(guī)格要求的基礎(chǔ)上，要求導(dǎo)熱油組分單一、黏度適宜、熱傳導(dǎo)系數(shù)高（大于0.08W/（m·k））、10%餾程高于最高使用溫度、安全系數(shù)高（閉口閃點(diǎn)大于160℃，自燃點(diǎn)大于350℃），使用周期長(zhǎng)（正常使用30年），產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

2 L-QD 340導(dǎo)熱油研制分析

導(dǎo)熱油也稱有機(jī)熱載體，用于間接傳遞熱量的的專用油品。與傳統(tǒng)蒸汽加熱相比，利用導(dǎo)熱油加熱后有安全環(huán)保、能耗損失小、控溫精度高、操作壓力低、安全穩(wěn)定、輸送和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，得到廣泛應(yīng)用。

2.1 合成原料的選擇

導(dǎo)熱油執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《有機(jī)熱載體》GB 23971—2009，屬于國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)化學(xué)組成可分為礦物油型導(dǎo)熱油和合成型導(dǎo)熱油；本項(xiàng)目導(dǎo)熱油使用過程最高溫度達(dá)320℃，須使用合成型導(dǎo)熱油方可滿足安全運(yùn)行要求。由于苯環(huán)具有共軛穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，各原子結(jié)合鍵能大，難斷裂，所以熱穩(wěn)定性好的合成型導(dǎo)熱油使用三聯(lián)苯和部分氫化三聯(lián)苯、芐基和二芐基甲苯、聯(lián)苯和聯(lián)苯醚共沸混合物、烷基聯(lián)苯等原料生產(chǎn)，不同原料的性能指標(biāo)見表2。

表2 合成原料的性能指標(biāo)

考慮到裝置運(yùn)行過程中導(dǎo)熱油最高運(yùn)行溫度有波動(dòng)，須選擇最高使用溫度大于320℃的原料生產(chǎn)，故原料d、e、f可選。導(dǎo)熱油黏度在滿足系統(tǒng)及傳熱設(shè)備的泵送性、流動(dòng)性等設(shè)計(jì)要求外，黏度越低傳熱性能越好，但黏度太低閃點(diǎn)也越低，油品的蒸發(fā)性也越大；因該項(xiàng)目導(dǎo)熱油在換熱器和儲(chǔ)罐內(nèi)循環(huán)，為保證油罐安全儲(chǔ)油換氣，儲(chǔ)罐頂部安裝有呼吸孔，同時(shí)為取樣方便，安裝取樣孔和光孔，在導(dǎo)熱油循環(huán)中，罐內(nèi)氣壓高于外界大氣壓，即儲(chǔ)罐處于正壓狀態(tài)，罐內(nèi)油氣散發(fā)到空氣中，造成操作現(xiàn)場(chǎng)異味重，故要求適宜的黏度、（40℃運(yùn)動(dòng)黏度在20-40m2/s）、閉口閃點(diǎn)大于160℃，故原料d和e可選。由于原料市場(chǎng)易得，價(jià)格更有競(jìng)爭(zhēng)力，經(jīng)綜合比較，最終選用原料d生產(chǎn)QD 340導(dǎo)熱油。

2.2 產(chǎn)地選擇

合成導(dǎo)熱油市場(chǎng)需求量少，一般設(shè)備裝填在30噸以下。該項(xiàng)目一次性初裝約3 000噸，可滿足數(shù)量需求的生產(chǎn)廠家較少，該文結(jié)合中國(guó)市場(chǎng)該原料產(chǎn)地進(jìn)行不同批次質(zhì)量考察，具體詳見表3。

由表3可以看出，不同產(chǎn)地的沸點(diǎn)、2%餾程和自燃點(diǎn)性能相當(dāng)；產(chǎn)地1黏度偏大，閉口閃點(diǎn)低，且不能滿足該項(xiàng)目要求的不大于160℃；產(chǎn)地2不同批次均能滿足要求，故選用產(chǎn)地2原料。

表3 不同產(chǎn)地的性能指標(biāo)

2.3 L-QD 340導(dǎo)熱油的性能指標(biāo)

熱穩(wěn)定性是導(dǎo)熱油特有的使用性能和安全性能；其影響主要因素是分子結(jié)構(gòu)、純度、使用溫度等，加入任何添加劑，均不能改變其熱穩(wěn)定性。

L-QD 340導(dǎo)熱油由氫化三聯(lián)苯加入超高溫的功能添加劑調(diào)配而得，具有卓越的熱穩(wěn)定性，液相使用溫度高、凝固點(diǎn)低、餾份重、蒸氣壓低、操作壓力低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于溫度在320～340℃左右的傳熱系統(tǒng)。

QD340導(dǎo)熱油技術(shù)指標(biāo)不但遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還具有以下特點(diǎn)：

（1）閉口閃點(diǎn)高。閉口閃點(diǎn)是導(dǎo)熱油運(yùn)輸和安全運(yùn)行的基本指標(biāo)，閉口閃點(diǎn)越高，發(fā)生著火的幾率越小，運(yùn)行安全系數(shù)越高。

（2）自燃點(diǎn)高。自燃點(diǎn)指導(dǎo)熱油在運(yùn)行中發(fā)生泄漏時(shí)在空氣中自燃的傾向，自燃點(diǎn)越高，發(fā)生自燃的傾向性越小，運(yùn)行安全系數(shù)越高。

（3）熱穩(wěn)定性好。熱穩(wěn)定性是導(dǎo)熱油特有的使用性能和安全性能；其主要影響因素是分子結(jié)構(gòu)、純度、使用溫度等，加入任何添加劑均不能改變其熱穩(wěn)定性。GB 23971-2009以變質(zhì)率（氣相分解產(chǎn)物、低沸物、高沸物和不能蒸發(fā)產(chǎn)物之和）來評(píng)價(jià)導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性，即導(dǎo)熱油在高溫下抵抗化學(xué)分解的能力。L-QD340導(dǎo)熱油熱穩(wěn)定性試驗(yàn)后變質(zhì)率優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（變質(zhì)率不大于10%）要求，變質(zhì)率比對(duì)見圖2。

圖2 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)后樣品變質(zhì)率

此外，L-QD340導(dǎo)熱油密度高、蒸汽壓低、比熱大、焓值高、導(dǎo)熱系數(shù)高、黏度低，在確保運(yùn)行安全的同時(shí)，大大提升了熱利用的綜合效率，特殊溫度點(diǎn)的液相物性參數(shù)詳見表4。

表4 QD340導(dǎo)熱油液相物性參數(shù)

導(dǎo)熱油的餾程反映蒸餾過程中從初餾點(diǎn)到終餾點(diǎn)之間的溫度范圍及其對(duì)應(yīng)的蒸餾量比例。餾程表征了導(dǎo)熱油中輕重組分的餾出溫度和比例，餾程較窄的導(dǎo)熱油，其化學(xué)組分相對(duì)簡(jiǎn)單，各組分的物性參數(shù)差異相對(duì)較小；QD340導(dǎo)熱油的蒸餾量從0.5%到99.5%，溫度變化小，說明餾分窄，產(chǎn)品純度高，熱穩(wěn)定性好。具體餾程見表5。

表5 QD340導(dǎo)熱油餾程

3 導(dǎo)熱油應(yīng)用分析

L-長(zhǎng)城QD340導(dǎo)熱油自2021年9月使用至今設(shè)備運(yùn)行正常，滿足該項(xiàng)目工藝要求及設(shè)備運(yùn)行要求；2022年5月底進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣并議進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，設(shè)備運(yùn)行5個(gè)月以來，在用油指標(biāo)滿足GB 24747-2009《有機(jī)熱載體安全技術(shù)條件》中規(guī)定允許使用質(zhì)量指標(biāo)要求；根據(jù)該產(chǎn)品性能及在其它行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可滿足30年的要求使用期限。

表6 QD 340導(dǎo)熱油技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

1）作為地下儲(chǔ)能技術(shù)導(dǎo)熱介質(zhì)，導(dǎo)熱油兼顧熔鹽、水二者優(yōu)點(diǎn)，取熱的溫度范圍更有利于熱能的收集和利用，操控的安全性和便捷性也經(jīng)過成功檢驗(yàn)。未來將廣泛應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)、油脂工業(yè)、食品工業(yè)、紡織印染工業(yè)等眾多領(lǐng)域；應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷得到發(fā)展，相應(yīng)技術(shù)水平也會(huì)隨之提高。

2）鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削谷填峰，提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和新能源消納能力，是具有發(fā)展前景的大規(guī)模清潔物理儲(chǔ)能技術(shù)。

3）L-QD 340導(dǎo)熱油不但滿足國(guó)家級(jí)儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目對(duì)導(dǎo)熱油性能要求，并且使用效果良好，運(yùn)行9個(gè)月的導(dǎo)熱油指標(biāo)與出廠性能相當(dāng)，可滿足30年使用要求。