基于熔盐介质的线性菲涅尔式光热电站储热换热系统设计

摘 要：本文以某工程为例，介绍了熔盐介质光热电站储热系统、换热系统设计，并对储热系统中的光场循环泵、蒸发器熔盐泵、蒸发器熔盐调温泵、低温熔盐罐、高温熔盐罐，及换热系统中的预热器、蒸发器、过热器、再热器等重点设备选用做了详细阐述。

关键词：菲涅尔;光热电站;熔盐;储热;换热

1 以熔盐为介质的太阳能槽式聚光集热发电系统

新一代的太阳能槽式光热发电系统技术，是以熔盐为代表的热载体，利用抛物线的光学原理，聚集太阳能，太阳能汇集到集热管上，集热管吸收热量后进而加热流过其中的熔盐介质，介质温度从290℃逐渐被加热到550℃。被加热后的高温熔盐流入储热系统中的高温熔盐储罐中，其中一部分高温熔盐会从高温熔盐储罐中流出在蒸汽发生器与水换热，然后流回储热系统中的低温熔盐储罐中，而换热的水变成535℃的水蒸气推动蒸汽轮机发电;另一部分高温熔盐则留在高温熔盐储存在高温熔盐罐中，待夜间无日照时继续输出换热用于夜间蒸汽汽轮机发电。

2 熔盐介质特性分析

当前，商业化运行的槽式光热电站多选用水作为传热介质，但由于其工质温度不高，无法发挥光热电站的储能优势，机组整体发电效率也难以大幅提高。熔盐因其优良的传热储热特性，正在被越来越广泛的应用于建筑供暖、谷电制热、风电消纳、光热电站等领域。

2.1 熔盐介质优点

熔盐作为集热、储热、传热介质，具有较高的使用温度、高热稳定性、高比热容、高对流传热系数、低粘度、低饱和蒸汽压、低价格等优势，是目前光热发电领域中认可度最高的传储热介质之一。

2.2 熔盐介质缺点

熔盐作为光热电站集热、传热、储热介质时，其最大的缺点是冰点高，二元和三元熔盐在120-220℃，所以在实际工程中要考虑如何防止熔盐凝固，因此必须对熔盐管道、储热罐、换热器等部件加装辅热装置，会增加建站成本。

3 储热系统设计

本工程案例中储热系统设计为高低温双罐熔盐储热，低温熔盐（290℃）被输送至太阳集热区收集太阳热能，经集热器加热到550℃的高温熔盐被送至蒸汽发生系统，生成过热蒸汽，进入汽轮机做工，部分携带有多余太阳热能的高温熔盐回到高温熔盐罐储存起来。

3.1 熔盐初装

熔盐初始是以固态颗粒形式运输至现场，在光热电站运行初期，首先要对熔盐进行初始熔化，主要过程包括：破碎、配比掺混和高温加热，在对熔盐进行熔化过程中，同时还需要对熔盐罐进行罐体预热，为注入高温熔盐做好准备。化盐过程中的加热方式可采用燃气、燃油或电加热。使用天然气作为辅助燃料，用于加热熔盐。

3.2 主要设备

3.2.1光场回路循环泵（冷盐泵）。采用高可靠性、低维修要求的变频电机驱动泵，位于低温熔盐罐中，驱动熔盐进入广场吸收热量后回到高温熔盐罐。通过使用变频器来适应不同光照强度下集热管内的流量要求，从而实现最大程度吸收太阳能。

3.2.2蒸发器熔盐泵（热盐泵）。蒸发器熔盐泵为高可靠性、低维修要求的变频电机驱动泵，位于高温熔盐罐中，为高温熔盐流经过热器、再热器、蒸汽发生器、预热器，并最终流至低温熔盐罐提供驱动力。

3.2.3蒸发器熔盐调温泵（调温泵）。蒸发器熔盐调温泵采用高可靠性、低维修要求的变频电机驱动泵，位于低温熔盐罐中。当进入蒸汽发生系统的高温熔盐温度过高时，可通过此泵将低温熔盐泵入掺混调温。

3.2.4低温熔盐罐（冷盐罐）。低温熔盐罐用于储存来自熔盐制备系统、蒸汽发生系统来的液态熔盐。冷盐罐熔盐温度受汽轮机运行负荷变化会有较明显变化，额定负荷时返回制冷盐罐的熔盐温度可能到298℃，而且还受到实际运行工况的影响，如夜间小流量循环时，冷熔盐罐中的熔盐温度可能低至200℃，所以冷罐熔盐温度在200℃～300℃之间。

3.2.5高温熔盐罐（热盐罐）。高温熔盐罐用于储存经集热场加热后的高温熔盐，额定工况熔盐温度约550℃。冷、热熔盐储罐要设计有足够大的容量，以保证机组具备足够的储热能力。

3.2.6防凝措施。本工程选用了凝固点为120℃的低熔点盐，熔盐管所有熔盐介质设备（冷热储箱底部除外），如管道、阀门、热交换器都需加装电加热装置，避免熔盐固化。夜间为防止太阳能集热场熔盐凝结，采用小流量循环方式运行。

4 换热系统设计

换热系统主要包括蒸汽发生系统和启动给水预热系统。

4.1蒸汽发生系统

蒸汽发生系统用于将熔盐存储的热量传递给汽轮机工质水（汽），以驱动汽轮发电机组产生电能。主要设备包括：过热器、再热器、蒸发器和预热器。从常规岛来的除盐水以250℃的温度进入三级换热器，通过与高温熔盐换热，生成535℃过热蒸汽（主蒸汽）进入汽轮机做功。高压缸排出的饱和蒸汽，进入再热器与高温熔盐换热，生成535℃过热蒸汽（再热蒸汽）再进入汽轮机做功。上述四种换热器均采用管壳式换热器形式，换热介质为熔盐——水/蒸汽。

主要用到的设备及选型如下：

预热器：用于将250℃的给水进一步预热后输送至蒸发器，同时保证出口熔盐温度为290℃。

蒸发器：实现汽水转化过程，产生所需压力下的饱和蒸汽。

过热器：从为获得较高品质的蒸汽，通过设置过热器，将从蒸发器来的饱和蒸汽进一步加热成过热蒸汽（主蒸汽）主蒸汽温度需达到汽轮机做工需要的535℃。

再热器：为提高汽轮机效率，通过设置再热器，使从高压缸排出的蒸汽，进入再热器与高温熔盐换热成高品质过热蒸汽，再次进入汽轮机做功。再热蒸汽温度需达到汽轮机做工需要的535℃。

蒸汽发生器，即预热器、蒸发器、过热器和再热器可配置为单列或双列。

4.2 启动给水预热系统

启动给水预热系统包括一台电加热器，用于启动初期给蒸汽发生系统提供热水。由于蒸汽发生系统中的换热介质是低熔点熔盐，正常工作温度范围在190℃—570℃，在120℃开始凝固的物性，要求机组在启动初期对蒸汽发生系统中的设备进行暖管。其蒸汽发生系统设備的预热则是通过电加热器将给水逐渐加热成蒸汽，输送进蒸汽发生器及主蒸汽管道，对整个蒸汽发生系统进行预热。

主要用到的设备有电加热器，该设备主要用于机组启动初期，用于加热给水生成饱和蒸汽，对蒸汽发生器预热，并为除氧器启动初期供汽。

5 小结

近年来，随着我国太阳能热发电示范项目的推进，我国光热发电进入了一个快速发展阶段，在槽式、塔式光热发电领域都取得了一些实用的研究成果，本文介绍的基于熔盐介质线性菲涅尔式光热电站的储热换热系统设计已在某示范项目中获得成功。未来，随着技术的不断成熟，基于熔盐介质的线性菲涅尔式光热发电技术必将取得新突破。

参考文献：

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作者简介：

祁正荣（1988- ），男，大学本科，讲师，主要从事太阳能光热技术开发应用、太阳能光伏发电技术开发应用等工作。

基金项目： 甘肃省创新能力提升项目2020A-286