熔鹽電加熱儲熱技術在園區供熱中的應用

摘" 要：熔鹽具有使用溫度高、熱穩定性強、高比熱容和低飽和蒸汽壓等優點，是優良的傳熱儲能介質。工業園區通過大容量熔鹽儲能與供熱/發電系統耦合，構建分布式儲能-靈活供熱供電系統，不僅可解決新能源電力大幅并網后的消納問題，還為園區供熱提供了新的發展方向。該文通過對某園區熔鹽低碳供熱示范項目分析，探究熔鹽電加熱、熔鹽儲能及蒸汽發生系統相關技術方案，為園區熔鹽供熱技術提供借鑒。

關鍵詞：園區供熱；熔鹽電加熱器；熔鹽儲熱；傳熱儲能介質；供熱供電系統

中圖分類號：TM621" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0183-04

Abstract： Molten salt has the advantages of high operating temperature， strong thermal stability， high specific heat capacity and low saturated vapor pressure， and is an excellent heat transfer and energy storage medium. The industrial park couples large-capacity molten salt energy storage with the heating/power generation system to build a distributed energy-flexible heating and power supply system， which can not only solve the consumption problem of new energy power after being greatly connected to the grid， but also providea new development directionfor park heating. This paper analyzes a low-carbon molten salt heating demonstration project in a park， explores relevant technical solutions for molten salt electric heating， molten salt energy storage and steam generation systems， and provides reference for the park's molten salt heating technology.

Keywords： park heating; molten salt electric heater; molten salt heat storage; heat transfer and energy storage medium; heating and power supply system

能源活動作為我國溫室氣體的主要排放源，據統計2020年，排放的二氧化約占總量的86.9%[1]，電力/熱力行業是我國碳排放的重要源頭，是實現碳達峰、碳中和的主戰場之一。截止到2023年底，全國發電裝機容量29.2億kW，非化石能源裝機約15.7億kW，占比提升至53.9%，歷史性超過火電裝機；其中，風電、光伏裝機10.5億kW[2]，占新增非化石裝機占總新增裝機的85.3%，未來比重將還處于快速提高（圖1、圖2）。

因風、光等可再生綠電具有間歇性和不穩定性，無法大規模并網和消納，使得部分地區存在大量棄電現象，造成資源浪費；另一方面，受煤炭指標和污染物排放容量等限制，一些興起或快速發展的工業園區，無法獲得大量低碳的蒸汽，使得園區發展受限。熔鹽具有較高的熱穩定性、高比熱容，耦合谷電蓄熱，峰電放熱發電，能夠較好解決這一供熱問題，還不外增排碳。本文以桐鄉某園區熔鹽低碳供熱示范項目為契機，對熔鹽電加熱儲熱技術進行分析。

1" 熔鹽電加熱儲熱及供熱機理

20世紀90年代各國開始研究以熔鹽為介質的儲熱技術，熔鹽儲熱和蒸汽發生系統經過光熱電站實踐，其技術成熟、穩定、可靠，可適用于園區儲熱和供熱系統。基于此，形成園區熔鹽電加熱儲熱供熱技術，其基本原理如下。

儲能過程：在電價低谷或園區內富裕蒸汽時段，熔鹽儲能系統利用谷電或富裕蒸汽進行儲能，同時還產生工業蒸汽供熱用戶使用。具體如圖3所示。

供熱過程：在電價高峰和尖峰時段，儲能系統釋放熱能和電能，滿足園區熱/電用戶的高峰用電和供熱需求，具體如圖4所示。

由于下游用戶供熱要求的不同，熔鹽儲能供熱采用熔鹽類型、系統配置又有差異[3-4]，具體見表1。

2" 熔鹽電加熱儲熱系統

圖5為桐鄉某園區低碳供熱示范項目系統圖，該項目建設規模為70 MW/343 MWht熔鹽儲熱系統配1×6.5 MW背壓式發電機，1套1 923 m3高溫熔鹽熱罐、1套1 788 m3低溫熔鹽冷罐、2臺冷鹽泵（一用一備）、2臺熱鹽泵（一用一備）組成，熔鹽泵選用立式長軸液下泵，安裝在儲罐頂部，配兩列多套式電加熱器系統。

通過熔鹽儲能系統產生高壓蒸汽進入背壓機發電后供熱和供電，并保持全天24 h連續穩定向周邊用戶提供32～38.5 t/h（1.0 MPa，245 ℃）低壓工業蒸汽，其中熔鹽儲能兼供汽的時長為12 h。項目具體運行模式，見表2。

2.1" 熔鹽選擇

目前常用的硝酸熔鹽有Solar Salt、Hitec、Hitec-XL[5]。其性能參數見表3。

由表3看出，根據用戶的用熱參數，可大致分為高溫（大于600 ℃）、中溫（350～575 ℃）、低溫（100～350 ℃）和室溫（小于100 ℃）四大熔鹽體系，當然各體系之間無嚴格的溫度界限。

本項目考慮示范及發電作用，選用高參數的二元鹽（Solar Salt）作為儲熱介質，高溫熔鹽工作溫度為560 ℃，低溫熔鹽工作溫度為290 ℃。

2.2" 電加熱器

熔鹽電加熱器是整個電轉熱的核心部件，目前熔鹽電加熱器主要有電阻式、電極式、電磁式等形式。受絕緣材料限制，國內當前技術比較成熟為低壓系統，接入電源380 V或690 V，10 kV還處于試驗研發階段，這就造成系統的變壓器和控制柜多，連接電力電纜多且大，線纜損耗大，投資高。

熔鹽還還存在高溫分解，除造成熔鹽損失外，還產生有毒有害的氣體，會對系統運行造成極大危害。而電加熱器內是熔鹽系統溫度最高處，為最不利點。為控制溫度，項目35 MW熔鹽電加熱系統，分成2個50% （17.5 MW）電加熱器組列。單組列由前后四套獨立電加熱器串聯，各級電功率逐步減少，分別由6、5.5、4和2 MW組成，前幾級大功率加熱快速升溫，后幾級小功率精準控溫，同時最后一級還進行內部進一步細分控溫。這樣克服單一功率的末端難以控溫，造成局部超溫的弊端，保證熔鹽不超溫分解。

2.3" 熔鹽儲罐

熔鹽儲罐作為蓄熱核心設備，一旦發生泄漏事故，因熔鹽凝固，清除困難，恢復時間長。特別是高溫熔鹽儲罐，具有大直徑、液體附加壓力大（熔鹽密度遠大于水和油品，單位面積附加載荷大）、沉降量大等特點；同時還存在①儲存溫度高，575 ℃左右；②基礎保溫及不均勻沉降要求高等特性，故其安全隱患大。據現有報道的熔鹽儲罐泄漏事故，罐底焊接質量、基礎沉降和膨脹受限是產生熔鹽儲罐泄漏的關鍵[6-7]。

根據熔鹽儲罐的功能，分為低溫和高溫熔鹽儲罐，現有常用的材料特性見表4。對于低溫熔鹽儲罐使用溫度為290～400 ℃，一般選用Q345R或SA516-70作為罐體材料；高溫熔鹽儲罐正常工作溫度為565～580 ℃，一般選用S31603或SA347H作為罐體材料[8-9]。

2.4" 熔鹽泵

熔鹽泵作為熔鹽系統的主循環泵，擔負著傳熱介質輸送及轉移的功能。高溫熔鹽泵工作環境苛刻，輸送溫度高達400～600 ℃，目前主流選用API610的VS1～VS5結構的濕坑型立式懸吊泵[10-12]。

針對園區電加熱儲熱，有別于塔式光熱電站，無需將冷鹽輸送至超百米聚光塔，其冷鹽泵僅需要克服電加熱器、系統管道的阻力損失和設備高度，揚程僅為40～50 m，與啟動熔鹽泵的揚程相近，可通過水泵出口回流調節管和旁路管，實現系統啟動，故可不設啟動熔鹽泵，如系統圖5所示。

2.5" 蒸汽發生系統（SGS）

根據功能要求，園區供熱儲能電站其主要目的為供熱為主，發電為輔助，系統設置預熱器、蒸發器、汽包和過熱器，不再設置再熱器。

系統中的預熱器、蒸發器、預熱器均選用U形管換熱器模式，由于熔鹽側的壓力不高（通常在0.3～0.5 MPa（熔鹽）），而汽水側壓力偏高（一般由發電及供汽要求確定，大于等于5.0 MPa），這與光熱電站有較大差異，故推薦熔鹽走殼程，汽水走管程，消除熔鹽對汽水的滲漏，還利于設備檢修熔鹽的疏放[13]。

2.6" 熔鹽管道及閥門系統

熔鹽在低溫易凝結，難以清除，為保證后期檢修需要，系統中的一些閥門、管道等水平連接及臥式設備均需設置一定坡度，一般在1%左右，使熔鹽依靠自重排至疏鹽罐。系統上的儀表及閥門內部結構設計應盡可能消除內部凹槽，避免熔鹽殘留在設備內部無法清理和維修。

3" 經濟性分析

園區電加熱儲熱供汽利用峰谷電的差額實施谷電儲熱供汽，峰電供汽和發電，與其他供汽系統相比，成本介于燃煤與燃氣供熱之間（表5），與燃煤熱電相比，價格還是偏高較多，差價在100元/t左右，目前優勢還不是特別明顯，但伴隨設備的成熟和國產化，未來成本將逐步下降。

此外，園區電加熱儲熱發電供汽還存在電網政策問題，一是容量電費問題；二是用電屬性問題，屬于用戶側還是發電側，還未有明確界定政策；三是對峰電期間輔助發電上網電費還缺少相應的補貼政策。

4" 結論

熔鹽儲熱具有儲熱功率高（可實現百兆瓦級），大儲熱時間長（單日10 h），儲熱參數高（達到575 ℃），效率高（大于90%）等優點，應用與園區電加熱儲能供熱，系統具有以下特點。

1）電加熱系統通過前端高功率，后端低功率的逐級下降模式，可實現對熔鹽系統精確控溫，降低分解的危險。

2）利用熔鹽冷泵低揚程特性，通過閥門及管道回流，實現系統啟動，無需設置啟動熔鹽泵。

3）以供熱為主，蒸汽發生系統（SGS）可不設蒸汽再熱系統。

未來隨著電網政策的打開，熔鹽電加熱儲熱具有平衡電網和消納綠電功能，以及環保要求提高，將為園區供汽/電開辟一條新的清潔能源發展路線。

參考文獻：

[1] 丁仲禮，張濤，等.碳中和邏輯體系與技術需求[M].北京：科學出版社，2022.

[2] 電力規劃設計總院.中國電力發展報告2024[P].北京：人民日報初步社，2024.

[3] 張怡，李毅，韋瓏珅，等.應用與蒸汽供熱的蓄熱技術研究[J].熱力發電，2023，52（2）：73-77.

[4] 左芳菲，韓偉，姚明宇.熔鹽儲能在新型電力系統中應用現狀與發展趨勢[J].熱力發電，2023，52（2）：1-9.

[5] 陳曉利，高繼錄，李博，等.基于熔鹽儲熱的綜合智慧能源系統方案研究[J].節能技術，2020，38（221）：230-234.

[6] 葉冬挺，鄭維棟，李芳芽，等.高溫熔鹽儲罐泄漏原因及預防措施[J].設備與技術，2023（1）：149-151.

[7] 王鵬.太陽能光熱發電熔鹽儲罐設計技術研究[J].青海電力，2018，37（3）：37-40.

[8] 壓力容器 第2部分：材料：GB/T 150.2—2024[S].2024.

[9] 立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范：GB 50341—2014[S].北京：北京計劃出版社，2014.

[10] 劉磊，王強.太陽能熱發電領域高溫熔鹽泵的選擇與應用[J]. 通用機械，2018（15）：14-15.

[11] 操松林，呼核升，操瑞嘉，等.熔鹽泵現狀與展望[J].流體機械，2019，47（11）：49-55.

[12] 張江濤，陳乃娟，湯文斌，等.50 MW級太陽能光熱熔鹽泵水力數值分析及試驗研究[J].水泵技術，2021（6）：31-34.

[13] 閆勃東.光熱電站蒸汽發生系統設計[J].創新與實踐，2017， 24（6）：7，11.