熔盐储热罐散热试验研究

王钰森，初泰青，王 智，庞开宇，冯兆兴

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁沈阳 110136；2.辽宁中电投电站燃烧工程技术研究中心有限公司，辽宁沈阳 110179）

“十二五”规划实施以来，我国先后在太阳能光热技术领域、工业节能领域、风电消纳以及电网调峰领域开展了储热技术的示范应用研究工作。在可再生能源利用技术领域，储热技术的应用研发工作取得了明显的进展。太阳能热发电站使用太阳能来产生电力，是一种非常有前景的发电方式，其最具竞争力的优点就是易于和储热系统结合在一起，通过储热系统，电站的发电过程可以摆脱太阳光不稳定带来的影响，更易于满足电网的需求。目前，大部分光热电站使用熔盐显热储热系统，在阳光充足的时候，熔盐获得热量，温度升高，储存在高温熔盐罐中；当阳光不足的时候，高温熔盐罐中的熔盐提供能量，使电站持续稳定的发电，熔盐温度变低，流入低温熔盐罐中[1]。在储热系统之中，熔盐储罐是关键设备，研究熔盐储罐冷却过程中的温度分布及散热机理有助于优化储罐设计及其运行调控。

1熔盐双罐储热系统运行机理

储能光热电站的蓄热系统大致分为单罐和双罐两种。其中，双罐蓄热系统中的冷罐和热罐单独放置，各个罐中盐的温度基本保持稳定，不存在单罐系统的罐内温差，因而技术风险也相对较低，是目前大规模储能发电站比较常用的蓄热方案。根据加热场的热量传输至蓄热系统的方式，双罐蓄热系统又可以分为双罐间接蓄热系统和双罐直接蓄热系统[2]，如图1和图2所示。

间接蓄热系统的传热介质和蓄热介质采用不同的物质，需要换热装置来传递热量。目前储能电站主要采用导热油或水蒸气作为传热流体，采用熔融盐作为蓄热介质。导热油具有较低的凝固点，不存在冻结问题，加热部分无需设置保温设备，运行安全可靠。然而，间接蓄热系统中传热介质与蓄热介质是相互隔离的，两者之间的热量交换需要使用换热器完成，换热时带来不良换热，影响电站的效率；同时其工作温度规定在400℃以下，这也限制了朗肯循环效率的提高[3]。

图1双罐间接储热系统

图2双罐直接储热系统

相对于间接蓄热系统，直接蓄热系统可以有效地解决间接蓄热系统的这些缺点。直接蓄热系统常采用熔融盐作为传热和蓄热介质，蓄热过程不需要换热装置，不存在油—盐换热器，适用于400℃～500℃的高温工况，从而使朗肯循环的发电效率达到40%[4]。中控德令哈10 MW塔式熔融盐太阳能热发电站项目是以二元硝酸盐作为传热和储热介质的双罐直接蓄热项目，也是继西班牙Gemasolar、美国Crescent Dunes之后全球第3座商业化运行的熔融盐塔式电站。

试验台采用双罐直接蓄热系统，熔盐加热（储热）流程：初熔炉→熔盐冷罐→熔盐加热器→熔盐热罐。熔盐换热（放热）流程：熔盐热罐→蒸汽过热器→水蒸发器→再热器→熔盐冷罐。熔盐流程及试验台实景如图3和图4所示。试验台可进行太阳能光热发电熔盐储热模拟试验，该项目采用电加热器及功率控制装置模拟供能变化。

图3熔盐储热试验台系统流程

图4试验台实景

2储热介质及熔盐储热罐设计

2.1熔盐

熔融盐简称熔盐，是盐的熔融态液体，通常说的熔盐指无机盐的熔融体，也包含氧化物熔体和有机物的熔融体。研究较多的中高温传蓄热熔盐有硝酸熔盐、氯化物熔盐、氟化物熔盐、碳酸熔盐、硫酸熔盐[5]。硝酸熔盐一般由碱金属或碱土金属与硝酸盐组成，主要有NaNO3、KNO3、NaNO2、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、LiNO3等组成，具有熔点低、比热容大、热稳定性好、腐蚀性低等优点。目前比较成熟的传蓄热硝酸熔盐是二元硝酸盐（60%NaNO3+40%KNO3）和三元硝酸盐（53%KNO3+7%NaNO3+40%Na-NO2），其热物理性质如表1所示。

熔盐初融有两种方式，第一种是加水溶化，第二种是直接加热融化，直接加热可采用火焰加热或电加热。试验台熔盐初融过程采用了电加热器加热粉状固态熔盐的方法。因熔盐用量不大，采用人工方式向初融炉内加盐，加入细颗粒状熔盐后开启电加 热器，将液态熔盐以自流方式储存在熔盐储热罐。

表1硝酸熔盐的热物性表

试验台使用了三元硝酸盐，NaNO3、NaNO2、KNO3按质量比为7∶40∶53混配而成，在现场混配后加入初融设备，利用搅拌器使其混合均匀，电加热器加热熔融后送入熔盐储罐储存。混合盐的熔点为142℃，固体时为白色粉末，融化后呈浅黄色液体，三元盐在高于450℃时劣化严重，主要因为亚硝酸盐热分解、氧化，使亚硝酸盐组分含量降低。在整个实验过程中要严格控制混合盐的温度，当三元盐中的亚硝酸盐含量降低后，引起三元盐的熔点上升，在160℃～180℃就可能发生凝固。使用的过程中应对其成分、熔点进行监测，及时发现熔盐性能的变化并及时更换不合格的熔盐，或者部分更换并添加某种组分。作为储热熔盐，一般规定最低使用温度比其熔点高50℃～100℃，最高使用温度比分解温度低50℃～100℃，以保证熔盐在设备和管道中不凝固，确保系统安全。在熔盐管路的某处发生冻堵时，如果不进行处理，将会蔓延到整个熔盐管路，造成设备管路报废，损失巨大。为了维持熔盐的最低工作温度，必然额外提供能源。如果能够使用某种方法，降低熔盐的凝固温度，提高分解温度，使熔盐的使用温度范围增大，将会节约大量的能源。为此，很多科研机构将目光投向熔盐配方的改进，以期降低其熔点。改进的配方是在原有的二元盐和三元盐基础上添加其他品种的硝酸盐、亚硝酸盐而成，由原来的二元盐、三元盐体系变为多元盐体系，使得其凝固温度降低，劣化温度提高，扩大其使用温度范围。依据稳定性、熔点、易得性、价格、安全性和液态温度范围等数据，对可能添加的盐进行筛选后认为，重点仍然是碱金属、碱土金属的硝酸盐、亚硝酸盐。改进配方的成果表明，LiNO3、Ca(NO3)2和 Mg(NO3)2的加入可以显著降低熔盐的熔点，同时Ca(NO3)2、Mg(NO3)2的使用降低了熔盐的使用成本，LiNO3的加入提高了熔盐的热稳定性，也提高了熔盐的应用成本。

2.2熔盐储热罐设计和保温材料分析比较

圆筒形熔盐储热罐设计的关键问题包括储热罐基础、钢材选择、设备强度设计等。大型熔盐储热罐的基础设计是难点，设计失误极容易使设备基础沉降，从而导致熔盐泄露事故。试验台的罐体基础由200 mm细砂找平层、20 mm钢板承重层和300 mm耐火混凝土浇筑隔热台构成。细砂找平层和承重钢板层的尺寸为10 m×15 m，铺满整个试验台区域。耐火材料浇筑圆台直径为1 700 mm，与罐体直径相同，圆形台高度为300 mm。经过实践证明，设备基础能够达到设计要求。

熔盐储热罐本体设计难度相对于熔盐储热罐基础设计难度较小，试验台熔盐储热罐的材料选择了奥氏体不锈钢，材质为022Cr17Ni12Mo2（316不锈钢）。熔盐储热罐设计为立式平盖常压圆筒形，直径为1.7 m，高度为1.7 m，材料为奥氏体不锈钢，上平盖有槽钢制井字型加强，加强筋在罐外；罐底部为圆锥台形，锥台设置4个支腿，支腿底板支撑在耐火材料基础上，并且支腿底板与耐火材料基础固定，以防止储罐摇晃。储热罐的实景如图5所示。

图5熔盐储热罐

圆筒形储热罐的高径比，即储罐的高度与直径的比值，涉及到设备强度、设备初投资、运行经济性等，还受到风雪载荷、地震载荷的制约和限制。当高径比小于1时，储罐是矮胖形，占地面积大，经济性差；当高径比等于1时，在容积不变的情况下，储罐所用的钢材最少；高径比大于1时，储罐是细高形，因受到风雪、地震等载荷限制，不能过大。一般工程储罐的高径比小于1.65。

当熔盐储热罐内的温度在200℃以上时，如不采取保温措施，会造成大量热损失。因此，对熔盐储热罐做好保温具有重要意义。试验台首次进行换热试验选用的是30 mm厚的硅酸盐保温材料，其导热系数低，能够实现对熔盐储热罐的保温。但在使用中仍存在一些无法解决的问题，如容易吸水的特性，吸水后的保温层不但降低了保温效果，而且会对罐体造成腐蚀；保温材料要拼装施工，存在接缝多、影响美观、防水性差、使用寿命短等缺点。

为了减少熔盐储热罐向外界散失的热量以提高熔盐系统运行的经济性，保温材料更换为新型太空隔热涂料，主要由特种陶瓷微珠、惰性乳胶和二氧化钛组成，具有良好的隔热、防腐作用，可以有效地阻止热量传导，隔热保温效率可达90%左右；涂料中添加的颜填料具有很高的耐酸碱性，可起到防腐作用［6］。

2.3储热罐内熔盐温降记录

将5 t固态三元混合盐投放进入熔盐初融炉中，采用电加热器进行加热。在整个加热过程中，熔盐温度未超过450℃。当熔盐温度达到410℃时，开始将初融炉内的液态盐分阶段转入熔盐储罐，转入时间为25 h。熔盐进入储罐后，关闭加热器，冷熔盐罐液位为930 mm（3.5 t），此时冷储热罐内熔盐的3个测点的平均温度为370℃，热熔盐储热罐液位为350 mm（1.5 t），此时储热罐内熔盐的3个测点的平均温度为350℃。记录熔盐温度随时间的变化数据及当日天气。在自然冷却情况下，第一次连续记录冷罐的熔盐温度变化如表2所示，熔盐温度为熔盐储热罐中3个熔盐测点每日24：00的平均温度。其中，5月29日的熔盐温度为当日6：00的温度，此时已经接近安全使用温度，启动熔盐加热器对熔盐进行加热。熔盐的自然冷却时间为5月26日12时至5月29日6时，自然冷却时间为90 h。第二次连续记录冷罐的熔盐温度变化如表3所示，熔盐温度为熔盐储热罐中3个熔盐测点每日24：00的平均温度。自然冷却时间为90 h。

表2熔盐温度随时间的变化数据

3结论

通过利用熔盐储热实验平台，在不同保温材料自然冷却的条件下，对熔盐储热罐内的熔盐温度随时间变化的数据进行记录和分析，得出了以下结论：

1）经过统计计算，熔盐储热罐日平均温度降低8.6℃。熔盐温降主要发生在夜间，而且与当日的天气有一定关系：当天气情况为低温大风时，熔盐罐内熔盐热损失较大，温度降低较多；当天气晴朗无风、气温稍暖时，熔盐温降较少。

2）熔盐在自然冷却条件下需要耗费大量电能维持其不发生凝固的最低温度。在不同液位下，太空隔热涂料具有良好的隔热保温性能，经济效益好，避免了因固体保温材料吸水造成的保温效果下降和外壁腐蚀等问题。

3）5 t熔盐加热至460℃时送入熔盐储热罐，自然冷却4 d后，温度降至293℃。保证熔盐不发生凝固的最长间隔时间为4.8 d。

4）相同条件下，熔盐液位越高，熔盐发生凝固所需的时间越长；熔盐液位越低，所需凝固时间越短。