太阳能光热熔盐发电技术的研究与开发

汪 琦 俞红啸 张慧芬

上海热油炉设计开发中心 （上海 200042）

工作研究

太阳能光热熔盐发电技术的研究与开发

汪 琦 俞红啸 张慧芬

上海热油炉设计开发中心 （上海 200042）

介绍了三元混合熔盐和二元混合熔盐的配方比例，对光热发电中熔盐蓄热储能系统的工艺流程进行了设计开发，介绍了熔盐设备和管道的制作材料，总结了熔盐循环系统在开车启动和停车过程中进行熔盐预热融化以及伴热保温的注意事项，分析了高温熔盐液下泵的结构型式和设计方法。最后，对光热发电站中熔盐贮罐的设计进行了分析研究，讨论了防止熔盐凝固的电伴热系统的设计方案，分析了光热发电站系统的整体与远程温度监测和控制方法。

光热熔盐发电 蓄热储能系统 熔盐液下泵 熔盐贮罐 电伴热系统 温度监控系统

0 前言

太阳能光热熔盐发电系统包括太阳能集热系统，太阳跟踪系统，高温熔盐的蓄热、传热、热交换蒸汽发生器，冷却系统，低压汽轮机等发电系统，计算机控制系统。塔式光热熔盐发电站设计开发的重点为太阳能光场系统，特别是定日镜需要对每一面镜子进行跟踪控制，并根据光热发电站发电出力确定光场的建设面积，同时根据光场的面积计算出集热器的高度和接收器的位置。在熔盐蓄热储能系统的设计开发中，需要计算并设计出储热系统的储热时间，以实现经济效益的最大化，并从设计角度确保熔盐循环系统的安全运行，防止熔盐的低温凝固造成的管路堵塞现象的发生。

太阳能光热熔盐发电站可连续24 h为人们提供源源不断的绿色能源，这将增强人们利用太阳能替代化石能源的信心。特别是对太阳能光热熔盐发电技术的研究与开发，将会加深投资界对太阳能光热熔盐发电的认识，从而为光热熔盐发电站的开发建设吸引更多的投资商和开发资金。

1 熔盐蓄热储能系统的设计开发

1.1 熔盐

光热发电中使用的熔盐是由KNO3，NaNO2和NaNO3组成的混合物。其中，三元混合熔盐的组成为：KNO3，53%（质量分数，下同）；NaNO2，40%；NaNO3，7%。二元混合熔盐A型的组成为：KNO3，40%；NaNO2，60%。二元混合熔盐B型的组成为：KNO3，55%；NaNO2，45%。目前，光热发电中采用的熔盐是二元混合熔盐A型，该熔盐在221℃时开始熔化，在600℃以下热稳定性非常好；采用加入添加剂的方法，可使二元混合熔盐的熔点大幅度降低，同时不改变混合熔融盐的热稳定性，甚至还能够进一步提高熔盐的最高使用温度。

1.2 熔盐蓄热储能系统的设计开发

熔盐蓄热储能系统以二元混合熔盐作为工作介质，将290℃的液态低温熔盐通过熔盐泵从冷熔盐贮罐送至塔顶的熔盐吸热器，吸热器在太阳光的聚焦辐射照射下将热量传递给流经吸热器的熔盐。熔盐吸热后温度升高至约565℃，再通过管道被送至位于地面的热熔盐贮罐。随后，来自热熔盐贮罐的高温熔盐通过熔盐泵被送至熔盐蒸汽发生器，产生的过热蒸汽进入汽轮机内做功发电，而熔盐温度降低后流回冷熔盐贮罐[1]。光热熔盐发电站的双贮罐结构型式同时作为蓄热系统，可满足动力系统的启停和发电机组在日照不足时的用汽需求。

采用二元混合熔盐作为吸热、传热、蓄热介质，可使熔盐循环系统在低压下运行，安全性非常高。另外，熔盐在整个吸热、传热循环中都处于液相强制循环状态，且熔盐热容较大，吸热器可承受较高的热流密度，从而可使吸热器的设计更加紧凑，减少了制造成本，降低了热损耗。但由于熔盐存在高温分解和腐蚀问题[2]，因此，熔盐设备和管道的材料必须耐高温和耐腐蚀，通常可以选用0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti，12Cr1MoV，12CrMoVG等作为熔盐设备和管道的制作材料。

在熔盐循环系统运行初始时，需要将粉末状的熔盐加热到其熔点以上，使其在熔融流动状态下循环使用。首先，将粉末状的熔盐放入熔融槽内，通过槽内安装的蒸汽加热管或电加热管对其进行加热[3]，一直加热到槽内熔盐的黏度适合用熔盐泵打循环为止；然后，用熔盐泵将熔盐送到熔盐循环系统内进一步循环升温，使整个系统成为流动的可循环状态，系统温度达到可以正常使用的生产工艺温度。

由于熔盐在常温下为固体，所以在启动开车前必须对其进行预热，停车时系统中的熔盐必须全部回流到冷熔盐贮罐中。考虑到熔盐的低温凝固特点，必须对高温、低温熔盐贮罐采取保温措施，以防止熔盐凝固；对于熔盐管道，则需要进行预热和电伴热，采用绝缘发热电缆，即利用合金电阻丝进行通电发热，并与熔盐管道换热以达到保温的效果。

1.3 熔盐液下泵

由于卧式熔盐泵轴封难度大，有熔盐泄露的危险，故一般采用液下泵。由于熔盐泵的下轴承组合长期浸于高温熔融盐溶液中，而高温液下泵与常温液下泵的主要区别在于，高温液下泵需着重解决与热膨胀、高温机械强度和刚度有关的一系列结构设计问题。因此，在选取熔盐泵中各种零件的材料时，需保证材料的热膨胀系数尽量相同或接近，而在设计选型时需选用耐高温、耐腐蚀和线胀系数小的材料。

在结构型式上，熔盐泵采用常规液下泵的结构，即用一根出液管。熔盐泵运行时，出液管内充满高温熔盐，而中央支撑管仅下部接触熔盐，出液管的温度比支撑管的高，导致二者的热膨胀量不同；由于热膨胀量不同产生的热膨胀力很大，易使泵体偏斜，缩短底轴承使用寿命，或使叶轮与泵体密封环相碰，致使密封环偏磨，内泄漏量增大。所以，如果高温熔盐液下泵在设计上采用双出液管的结构型式，就可以消除轴向的不均匀膨胀。

熔盐液下泵有液下底轴承，由于熔盐的润滑性不好，且高温下滑动轴承的间隙值很难选得合适，故下轴承的寿命较短。另外，轴套的磨损使得叶轮偏斜，径向离心力增大，从而进一步加剧了轴套和叶轮密封环的磨损。所以，这种有底轴承结构的熔盐液下泵检修频繁，而合理的结构设计应是采用悬臂式的结构型式。

双蜗壳泵体可以大幅度地减小熔盐泵在非设计工况下运行时的径向力，减少悬臂端挠度。采用双蜗壳泵体与双出液管相结合的结构型式，就可以取消单出液管双蜗壳泵体中180°的隔板，从而简化了铸造方法。

大多数高温熔盐液下泵底座上方的下轴承处都设有水冷夹套，从而加强了轴承冷却措施。如果熔盐液下泵用轴上自带的风扇进行冷却，则效果不如水冷夹套的冷却效果好。高温熔盐液下泵的轴承用稀润滑油强制循环润滑，润滑油依靠轴承下方的小叶轮进行循环，轴承座侧面须设置油箱，内部应设置冷却盘管。轴承的密封采用非接触式折流罩密封，从而解决了高温熔盐液下泵的漏油问题。

熔盐泵轴封方式的选择要考虑高温下的寿命问题和更换的方便性。熔盐液下泵的轴封是针对氮气的密封，制造厂都采用填料密封，向填料腔中部的灯笼环处通入氮气。填料腔四周应设置水冷夹套以延长填料寿命。

为了使高温熔盐液下泵能够正常工作，熔盐泵的出液管路重量绝对不能作用在泵体上，这就要求熔盐液下泵应有专门的支承钢架，否则会出现熔盐泵出液管破裂的现象。这是因为，如果熔盐液下泵没有专门的支承钢架，就会导致作用力不能完全作用在熔盐泵上，从而会产生额外的压力，这些压力有可能导致熔盐泵的泵轴和电机轴不对中，进而引起出液管、定子变形和应力过大，发生破裂，最终导致熔盐液下泵的寿命缩短。因此，为了保证熔盐液下泵的安全可靠运行，在结构型式设计时，熔盐液下泵必须设有专门的支承钢架，同时在设计中还应考虑出液管重量的支撑方式和热膨胀的消除方法。

2 熔盐蓄热储能的光热发电站设计

2.1 国外光热发电站

2007年，西班牙Andasol建造了50 MW的光热电站，采用熔融盐作为蓄热载体，包含一个由35000 t熔盐组成的热能存储系统，可储热7.5 h发电量，这将使该太阳能发电站可在无日照情况下和夜晚进行发电，从而实现全天候连续稳定的发电。

2012年，美国加州Ivanpah建造了392 MW的塔式光热电站，最高工作温度为550℃，采用干式冷却方式，年度转化效率为18%，年发电量为1079 GW·h，建造成本为3.4美元/瓦，合同电价为0.11美元/千瓦时。

2013年，美国亚利桑那州Solana建造了280 MW的槽式光热电站，可储热6 h发电量，最高工作温度为371℃，采用湿式冷却方式，年度转化效率为15%，年发电量约为903 GW·h，建造成本约为3.57美元/瓦，合同电价为0.14美元/千瓦时。

2011年，美国Mojave Solar的250 MW槽式光热电站、Genesis Solar的250 MW槽式光热电站、Crescent Dunes的110 MW塔式光热电站等也建造完成。随着熔盐蓄热储能技术的不断进步，未来的光热电站将会具有巨大的市场潜力。

2.2 熔盐贮罐的设计分析

熔盐贮罐分为冷熔盐贮罐和热熔盐贮罐，其内径和高度的大小取决于熔盐存储容量，贮罐壁厚的计算采用薄壁圆筒的壁厚计算公式。另外，在设计贮罐壁厚时，还要考虑地震力、风压力等短时期荷载的影响，即因地震而造成壁板的失稳、因风压而造成壁板的局部失稳，故在防止对策的设计上，采用在贮罐外周设置安装加强圈或增加壁板厚度的方法。贮罐壁板采用双面对接焊，纵向接头采用全焊透型式，圆筒形立式贮罐的顶部包边角钢规格，要根据贮罐的内径大小来确定。

熔盐贮罐的罐顶通常采用圆锥顶，当贮罐内径小于10 m时，采用以顶板本身支承整个罐顶的支承式圆锥顶，顶板的排列方式则根据罐顶坡度和贮罐内径来确定，一般是对应任意的直径平行排列；但当坡度较大时，自支承式圆锥顶应按射线方式排列。当熔盐贮罐内径大于10 m、但小于30 m时，采用有柱式圆锥顶；在强度计算中，柱应按梁的弯曲理论来设计，使之能充分承受罐顶自重的静载荷、附加的动载荷与积雪偏心载荷，并具有足够的稳定性；另外，为了防止顶板支承构件的旋转，需要采用拉杆将最外圈支柱互相连接。当熔盐贮罐内径大于30 m时，采用桁架式圆锥顶；在强度计算中，梁应按梁的弯曲理论来设计，使之能充分承受罐顶自重的静载荷、附加的动载荷与积雪偏心载荷，并具有足够的稳定性；而对于桁架各构件的材料，应根据受力情况，计算出作用于该构件材料的力后再进行设计；另外，为了防止因横向载荷的作用而产生的旋转，需要采取装入斜撑等措施，而且顶角的设计必须能充分承受来自桁架的载荷。

通常为了防止熔盐的热量损失，需要采用保温材料对熔盐贮罐进行隔热保温。首先，应根据外部环境气温和贮存熔盐温度之间的差值，以及所采用的保温材料的导热系数，计算出保温材料的厚度。熔盐贮罐所采用的保温材料，由硅酸铝纤维保温材料和石棉保温材料叠加组合而成，对于熔盐贮罐的侧壁，要用类似于罐壁径向形状的保温板或保温毡，沿着贮罐外壁的曲面进行保温。对于直径较小的贮罐，保温层要用镀锌铁丝网和Y型锚钉进行固定；对于直径较大的贮罐，保温层要用镀锌铁丝网和支承环钢带进行固定。最后，采用镀锌铁皮或彩色薄钢板作为贮罐的外防护层。

2.3 熔盐电伴热系统的设计分析

光热发电站中通常采用NaNO3和KNO3组成的二元混合熔盐，其熔点为221℃，当温度低于熔点时，熔盐就会发生凝固，而凝固的熔盐将堵塞管道系统，并造成整个发电站系统停运。另外，熔盐管道或熔盐贮罐中的熔盐凝固后，其内部压力将变小，而在外界大气压作用下，将可能使熔盐贮罐因受外压而损坏。所以，熔盐的温度应当维持在270℃以上，光热发电站正常运行时，将270℃的熔盐加热至565℃，再通过熔盐蒸汽发生器产生蒸汽，推动蒸汽涡轮发电机发电。为了保证熔盐能够长期处于270℃以上的熔融状态，光热发电站应当采用伴热系统对熔盐进行保温。通常，电伴热系统装置的成本较低，蒸汽伴热系统装置的成本较高，而热风伴热系统装置的成本居中。电伴热系统设计选用的设备即为发热电缆，发热电缆以电力为能源，利用合金电阻丝进行通电发热，通过与被保温熔盐进行热交换来达到保温的效果。在光热发电站的设计开发中，应根据熔盐管道和熔盐贮罐的位置及结构，进行电伴热系统装置的设计，而设计的主要目标是以最小化的投资额和最小化的耗电量，来实现最优化的熔盐保温效果。

电伴热系统的设计方案确定后，将开始在光热发电站的熔盐管道和熔盐贮罐周围铺设发热电缆，同时安装集散控制系统（DCS），该系统与发热电缆相互连接，以实现对各部位的温度监控，并配备相关的温度检测设备；当某处温度降至设定的温度点时，温度检测设备将发出信号，电伴热系统会立刻启动运行，对其进行加热以保证熔盐不会凝固。另外，采用网络监测系统则可以实现对系统的整体与远程温度检测和控制，并可以与操作人员的移动电脑进行互联，实现远程操作，整个系统看起来就像是一个移动互联网络系统，方便随时随地对光热发电站系统的温度进行监控和调整。

3 结语

将熔盐蓄热储能循环技术应用在光热发电中，使太阳能热发电站实现了24 h持续发电，从而使太阳能的利用不再受夜间乃至多云天气的影响，由此，太阳能光热发电就成为一种可控的优质绿色电力生产方式。目前，在熔盐蓄热储能循环系统的光热电站设计上，采用了一些新的设计方法和设计理念，以优化光热电站的整体设计，提高光热电站的工作温度，进而提高发电效率，降低熔盐用量，削减发电成本；同时，采用先进的熔盐蓄热储能循环技术来降低光热电站的投资成本，使光热发电更加具有成本优势和经济效益。

[1]汪琦,俞红啸,张慧芬.太阳能光热发电中熔盐蓄热储能循环系统的设计开发 [J].化工装备技术,2014,35(1): 11-14.

[2]汪琦,俞红啸.熔盐加热炉的结构设计和熔盐过热的研究[J].化工装备技术,2012,33(5):39-42.

[3]汪琦.熔盐加热炉和熔盐加热系统的开发 [J].化工装备技术,2000,21(2):40-43.

Research and Development of Molten Salt Solar Thermal Power Generation Technology

Wang Qi Yu Hongxiao Zhang Huifen

The proportion of ternary mixed molten salt and binary mixed molten salt was introduced.The technological process of molten salt heat storage and energy storage system in solar thermal power generation was designed and developed.The materials of molten salt equipment and pipeline were introduced.The molten salt preheating melting process and the precautions of heat tracing during the process of starting and stopping of the molten salt circle system were summarized.The structure type and design of the high temperature molten salt submerged pump were analyzed.Finally,the design of molten salt storage tank in the solar thermal power station was analyzed and discussed.The design scheme of the electric heat tracing system to prevent molten salt solidification was discussed.The whole and remote temperature monitoring and control methods of the solar thermal power station were analyzed.

Solar thermal molten salt power generation;Thermal energy storage system;Molten salt submerged pump;Molten salt storage tank;Electric heating system;Temperature monitoring system

TM615

2016年2月

汪琦 男 1961年生 硕士 高级工程师 现从事热载体加热技术与新能源技术的研究设计开发工作