熔鹽槽式光電發(fā)熱電站與熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究

汪琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心（上海 200042）

節(jié)能環(huán)保

熔鹽槽式光電發(fā)熱電站與熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究

汪琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心（上海 200042）

介紹了熔鹽槽式光熱發(fā)電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了熔融鹽槽式電站管路系統(tǒng)的運(yùn)行方式，討論了真空集熱管的涂層薄膜、增透膜、熔封連接、烘烤抽真空等制作技術(shù)，研究了熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，探討了太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的計(jì)算機(jī)智能控制方法。

熔鹽 槽式光熱電站 真空集熱器 太陽(yáng)能集熱場(chǎng) 蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)監(jiān)控

中國(guó)分類號(hào) TK514

熔鹽槽式光電發(fā)熱站是利用槽式拋物面聚光鏡將太陽(yáng)光聚焦到焦線上，在焦線上安裝管狀集熱器吸收聚焦后的太陽(yáng)輻射能，帶有真空玻璃罩的管內(nèi)熔鹽被加熱后，真空集熱管出口熔融鹽溫度可以達(dá)到550℃，其流經(jīng)換熱器時(shí)加熱水產(chǎn)生蒸汽，借助于蒸汽動(dòng)力的循環(huán)來(lái)發(fā)電。聚光集熱裝置由槽式拋物面聚光鏡和真空集熱管構(gòu)成，集熱管隨著拋物面反射鏡一起跟隨太陽(yáng)運(yùn)行，因此要求真空集熱管的集熱效率高、散熱損失小、工作壽命長(zhǎng)。而就野生動(dòng)物保護(hù)來(lái)說(shuō)，熔鹽槽式光熱發(fā)電站可以避免野生飛行類動(dòng)物因太陽(yáng)光聚焦而燒傷致死，所以符合綠色環(huán)保和世界野生動(dòng)物保護(hù)的雙重要求。

1 熔鹽槽式光熱發(fā)電站

意大利西西里島的阿基米德電站為熔鹽槽式光熱發(fā)電站，該電站于2008年7月開工，2010年7月投產(chǎn)，機(jī)組容量為5 MW，電站總占地面積8 km2，造價(jià)高達(dá)6000萬(wàn)歐元，電站的業(yè)主、建設(shè)方和運(yùn)行管理方都是意大利國(guó)家電力公司（ENEL）。太陽(yáng)能鏡場(chǎng)面積為31 860 m2，鏡場(chǎng)部分配置拋物面槽式聚光器，每個(gè)聚光器組件長(zhǎng)100 m，包括192面反射鏡和24支真空集熱管，開口面積共590 m2。設(shè)有9組聚光回路，每個(gè)回路由6個(gè)聚光器組件組成。整個(gè)太陽(yáng)鏡場(chǎng)共54套聚光器組件，10 368面拋物面鏡，1 296根真空集熱管，集熱管的總長(zhǎng)度為5 400 m，根據(jù)估算，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組管路中的熔融鹽容量約為21 m3。熔鹽槽式聚光器的供貨商為意大利COMES公司，玻璃鏡供貨商為Ronda Reflex公司，熔鹽真空集熱管由意大利阿基米德公司供貨。該太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目被接入一個(gè)130 MW的蒸汽輪機(jī)（東芝株式會(huì)社）發(fā)電，汽輪機(jī)入口蒸汽壓力為9.383 MPa，其中約5 MW容量來(lái)自太陽(yáng)能產(chǎn)生的蒸汽，機(jī)組采用強(qiáng)制循環(huán)冷卻塔以濕冷方式進(jìn)行冷卻。汽輪機(jī)滿負(fù)荷時(shí)效率為39.3%，太陽(yáng)能電站的年光電轉(zhuǎn)換效率為15.6%。

熔鹽的配制質(zhì)量比例為40%硝酸鉀與60%硝酸鈉，采用熔鹽雙罐直接蓄熱技術(shù)，蓄熱時(shí)間為8 h，蓄熱罐高6.5 m，直徑為13.5 m，總體積為930 m3，可存儲(chǔ)1580 t熔鹽，蓄熱量達(dá)到100 MW·h。真空集熱管的吸收比大于95%，真空度為0.013 3 Pa，在400℃運(yùn)行溫度下，發(fā)射比小于10%；在580℃下，發(fā)射比小于14%。在5 MW的小型機(jī)組條件下，電站效率可達(dá)15.6%，年凈發(fā)電量為9.2 GW·h。

熔鹽槽式光熱發(fā)電站由三部分組成：鏡場(chǎng)熔融鹽吸熱部分、熔融鹽儲(chǔ)熱部分、水/水蒸汽常規(guī)發(fā)電部分，換熱部分由熔融鹽-水/水蒸汽的一次換熱完成。太陽(yáng)能鏡場(chǎng)部分中，進(jìn)口溫度為290℃的熔融鹽經(jīng)真空集熱管串、并聯(lián)后，出口熔融鹽溫度達(dá)到550℃，經(jīng)閥門切換后分別送到蓄熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱量不足時(shí)，熔融鹽直接給水/水蒸汽換熱發(fā)電；熱量多余時(shí)，熔融鹽直接儲(chǔ)存到高溫熔融鹽罐中，動(dòng)力由熔鹽泵提供。儲(chǔ)熱部分由兩個(gè)獨(dú)立的冷、熱熔融鹽罐組成。加熱時(shí)，冷罐中的熔融鹽流入真空集熱管，經(jīng)加熱后流進(jìn)高溫熔融鹽罐儲(chǔ)存；放熱時(shí)，高溫罐中的熔融鹽經(jīng)過(guò)熔融鹽-水/水蒸汽換熱器加熱給水，再經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器，使蒸汽溫度從350℃提高到510℃以上用于發(fā)電[1-2]。通常，白天由真空集熱管內(nèi)的出口熔融鹽提供熱量，直接加熱水/水蒸汽；夜晚則由熱罐中的高溫熔融鹽提供熱量，直接加熱水/水蒸汽。這兩種形式的儲(chǔ)熱發(fā)電方式，循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效，未來(lái)將可能形成大型化、規(guī)?；奶?yáng)能拋物面槽式熔融鹽光熱發(fā)電模式。

2 真空集熱管

真空集熱管是槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電中的關(guān)鍵設(shè)備，為了更好地提高吸熱能力、降低散熱損失、延長(zhǎng)使用壽命，需要進(jìn)行如下關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)。

在高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層研究方面，反射層用于阻止高溫工作時(shí)的紅外輻射能量損失，減反層利用光學(xué)干涉原理提高光線的透過(guò)率。吸收層可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光能量更好的吸收，粘接層的作用是提高膜層與不銹鋼管的附著力，同時(shí)解決高溫?zé)岱€(wěn)定性和制作成本問(wèn)題。在太陽(yáng)能選擇性吸收涂層材料方面，采用金屬紅外反射、金屬陶瓷吸收和介質(zhì)減反層的多層干涉吸收薄膜結(jié)構(gòu)，涂層材料含有Mo，W，Ni，Pt，Cu，Al，Au等金屬。

在玻璃增透膜技術(shù)方面，為了減少太陽(yáng)光在玻璃管表面的反射損失，需要在玻璃管內(nèi)外表面鍍制增透膜。由于玻璃管形狀的特殊性，擬采用溶膠-凝膠法制作。將工件放置在前驅(qū)液中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)或提拉方式對(duì)薄膜沉積過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)于異形大尺寸表面的增透膜采用鍍制的方式。

在單靶涂層方面，介質(zhì)為Al，Al-AlN和AlN選擇性吸收涂層，用直流反應(yīng)濺射方法，控制各層中成分比例。該方法制作成本低，但介質(zhì)金屬Al熔點(diǎn)較低，其高溫條件下的穩(wěn)定性有待研究。另一種合金靶涂層技術(shù)，采用硅基合金氮氧化物材料。金屬-介質(zhì)復(fù)合材料方面，將Al，Al-AlN，AlN和Al2O3；Mo，Mo-SiO2和SiO2；Cu，TiAlN，TiAlON和Si3N4等介質(zhì)分別用于不同層的方法也在研究中。

熔融鹽真空集熱管表面涂層薄膜由多層金屬層組成，分層采用陶瓷-金屬材料（金屬陶瓷）。外部玻璃的抗反射涂層曲面對(duì)太陽(yáng)能的透射率大于96.5%。為實(shí)現(xiàn)較好的真空度，每個(gè)波紋管與玻璃-金屬的交界處焊有減震器管。

采用波紋管膨脹節(jié)來(lái)彌補(bǔ)金屬與玻璃的膨脹差，以減少內(nèi)應(yīng)力。金屬管和玻璃之間的連接方式主要有膠聯(lián)、密封圈聯(lián)、熱壓封聯(lián)和熔封連接等，從長(zhǎng)期運(yùn)行的角度考慮，主要采用熱壓封聯(lián)和熔封連接兩種方式。熱壓封聯(lián)適合工作溫度低于200℃的集熱管，溫度過(guò)高時(shí)會(huì)影響其使用壽命。熔封連接是利用火焰將玻璃熔化，將金屬和玻璃封接在一起，通常采用氬弧焊方法完成，以保證焊接面的密封性能和強(qiáng)度。

真空度的獲得和保持方面，可采用高溫烘烤抽真空的方法，使集熱管呈高真空狀態(tài)。在管子制作完成后，通過(guò)高頻激活，將吸氣材料沉積在玻璃管和不銹鋼管壁上，用以吸附氣體。吸氣劑為鋇鋁吸氣劑或鋇鈦吸氣劑。

3 熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制

太陽(yáng)能熔鹽槽式光熱發(fā)電站通過(guò)聚光鏡收集太陽(yáng)能，聚光鏡將太陽(yáng)光反射并聚焦于集熱管之上，集熱管安裝在一個(gè)由鋼材塔門和軸承構(gòu)成的機(jī)械支撐件上，支撐件位于拋物面聚光鏡的焦線位置上。每個(gè)太陽(yáng)能集熱器組合可以獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)，使焦線始終位于合適的位置，而且能夠防止集熱元件過(guò)熱，構(gòu)成具有跟蹤功能、控制和通信系統(tǒng)的獨(dú)立單元。為此，每個(gè)集熱器均安裝有局部測(cè)量傳感器、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和局部控制器。

太陽(yáng)能集熱場(chǎng)受現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控控制器（FSC）的控制，以一個(gè)整體來(lái)運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控控制器是位于中心控制室的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，與每個(gè)太陽(yáng)能集熱器組合通訊，并與熱發(fā)電站的集散控制系統(tǒng)（DSC）通信?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控控制器收集各個(gè)太陽(yáng)能集熱器組合的信息和分散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與指令，向集熱場(chǎng)區(qū)發(fā)出總控指令，向太陽(yáng)能集熱器組合回路發(fā)出模塊式控制指令。在白天和發(fā)電站條件允許時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控控制器可以投入使用、并有效地控制太陽(yáng)能集熱場(chǎng)；在夜間或強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)，可以將相關(guān)設(shè)備收藏起來(lái)，避免其受到損壞?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控控制器與熱發(fā)電站集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以整體協(xié)調(diào)和控制發(fā)電區(qū)、熔融鹽循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)和太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的運(yùn)行。

通過(guò)太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和熔鹽儲(chǔ)熱儲(chǔ)能裝置，熔鹽循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)將太陽(yáng)能熱量從集熱管傳送到蒸汽發(fā)生器和熔鹽蓄熱儲(chǔ)能罐內(nèi)。而在動(dòng)力區(qū)，熔鹽流體在管路、泵和膨脹閥及控制閥構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，要求熔鹽循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)和太陽(yáng)能集熱場(chǎng)管路系統(tǒng)的所有元件絕熱，從而可以最大限度地降低熱損失。對(duì)于熔融鹽集熱管，如果熔鹽輸送管路發(fā)生凍堵，熔融鹽無(wú)法流入集熱管，則集熱管表面溫度將會(huì)上升，故需要通過(guò)控制熔融鹽集熱管表面溫度或熔融鹽的流量來(lái)控制聚光鏡的動(dòng)作，任何一項(xiàng)超標(biāo)時(shí)，即可移動(dòng)聚光鏡到安全位置。使熔鹽循環(huán)系統(tǒng)保持24 h循環(huán)流動(dòng)是防凍的最佳措施，而熔鹽循環(huán)系統(tǒng)在不發(fā)電時(shí)應(yīng)采用熔融鹽溫度控制的方法進(jìn)行操作。對(duì)于熔鹽槽式光熱發(fā)電的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)，由于熔鹽管道大多采用平面布置方式，故需要使用隔熱和伴熱加熱的方法來(lái)防止熔融鹽的凍結(jié)[3]。如果熔鹽循環(huán)管路采用電伴熱輔助加熱的方法，應(yīng)做好閥門、法蘭、傳感器接口、彎頭和熔鹽泵接口等部位的電伴熱布置工作，以防止在局部位置發(fā)生熔鹽凝固凍結(jié)的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能熔鹽槽式光熱發(fā)電站的熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)包括：太陽(yáng)能聚光鏡，聚光集熱管，冷熔鹽儲(chǔ)罐，熱熔鹽儲(chǔ)罐，冷熔鹽循環(huán)泵，熱熔鹽循環(huán)泵，熔鹽預(yù)熱器，熔鹽蒸汽發(fā)生器，熔鹽過(guò)熱器，熔鹽融化保溫裝置，熔鹽輸送管路預(yù)熱保溫裝置，熔鹽防凍、抗凍和解凍加熱裝置，熔鹽安全防泄漏裝置，以及配套輔機(jī)和閥門儀表、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。在熔鹽槽式光熱電發(fā)電站中，連接各集熱回路的出口母管距離蓄熱儲(chǔ)能區(qū)域不宜太遠(yuǎn)，由于熔鹽溫度高、熔點(diǎn)高、腐蝕性大，可能帶來(lái)燃燒、爆炸、凍堵等一系列安全問(wèn)題[4]。由于蓄熱儲(chǔ)能區(qū)域涉及高溫狀態(tài)，故應(yīng)考慮預(yù)留熔鹽泄漏后采取搶險(xiǎn)措施的空間和通道。設(shè)備布置區(qū)域應(yīng)該位于熔鹽光熱發(fā)電站的下風(fēng)向。

目前在熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)上，采用了一些新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化了光熱發(fā)電站的整體設(shè)計(jì)，提高了光熱發(fā)電站的工作溫度，進(jìn)而提高了發(fā)電效率，降低了熔鹽用量，削減了發(fā)電成本。此外，采用了先進(jìn)的熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)技術(shù)來(lái)降低光熱發(fā)電站的投資成本，使熔鹽光熱發(fā)電站更加具有成本優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.太陽(yáng)能光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].化工裝備技術(shù)，2014,35（1）：11-14.

[2]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熔鹽和導(dǎo)熱油蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)在光熱發(fā)電中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)爐，2016,38（3）：34-38,48.

[3]汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統(tǒng)的開發(fā)[J].化工裝備技術(shù)，2000,21（2）：40-43.

[4]汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熔鹽過(guò)熱的研究[J].化工裝備技術(shù)，2012,33（5）：39-42.

Study on Parabolic Trough Solar Power Station and Thermal-Energy Storage System with Molten Salt

Wang Qi Zhang Huifen Yu Hongxiao Wang Yuyou

The structural characteristics of the parabolic trough solar thermal power station with molten salt were introduced,and the operation mode of the pipeline system was analyzed.The technologies related to evacuated collector tube were discussed,including the coating film,the antireflective film,the sealing connection,and the vacuum degree obtained by baking.And the design and development process of the thermal storage and energy storage circulation system with molten salt were studied.At last,the computer intelligent control method of solar collectors and thermal field was discussed.

Molten salt;Parabolic trough solar power station;Evacuated collector tube;Solar collector;Heat and energy storage system;Computer monitor

2017年1月

汪琦男1961年生碩士高級(jí)工程師目前從事熱油爐、熔鹽爐、道生爐、聯(lián)苯爐、生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)研究開發(fā)工作