太陽能光熱發(fā)電熔鹽儲(chǔ)罐選材、防腐與絕熱技術(shù)研究

熊新強(qiáng), 杜明俊, 張志貴, 卜明哲, 劉慧超

(中國石油集團(tuán)工程建設(shè)有限公司 華北分公司,河北 任丘 062552)

太陽能光熱發(fā)電熔鹽儲(chǔ)罐選材、防腐與絕熱技術(shù)研究

熊新強(qiáng), 杜明俊, 張志貴, 卜明哲, 劉慧超

(中國石油集團(tuán)工程建設(shè)有限公司 華北分公司,河北 任丘 062552)

熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)是太陽能光熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠性及運(yùn)行成本具有重要影響。在分析二元混合硝酸鹽熔融態(tài)理化特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了高、低溫熔鹽儲(chǔ)罐的選材、防腐、絕熱及罐基礎(chǔ)隔熱方式，并從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度給出熔鹽儲(chǔ)罐的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

光熱發(fā)電； 熔融鹽； 儲(chǔ)罐； 材料； 絕熱

太陽能光熱發(fā)電是新能源利用的一個(gè)重要方向，也是太陽能利用的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。目前，較為成熟的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)是借助聚光反射器將太陽光匯聚到太陽能收集裝置，然后利用太陽能循環(huán)加熱儲(chǔ)能介質(zhì)，并依靠儲(chǔ)能介質(zhì)的顯熱與水進(jìn)行熱交換產(chǎn)生蒸汽，從而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。因太陽能光熱發(fā)電具有穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)化效率高、可儲(chǔ)熱、可調(diào)峰、可循環(huán)發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為可再生能源發(fā)展及投資的重點(diǎn)方向[1-4]。

國外對(duì)太陽能光熱發(fā)電的研究較早，19世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)就設(shè)計(jì)了世界上第一座太陽能塔式電站。19世紀(jì)70年代后，西班牙、美國、德國等國家和地區(qū)陸續(xù)開展了太陽能光熱電站的建設(shè)。截止到2015年底，國外在運(yùn)行的10余座光熱電站總裝機(jī)容量達(dá)1 770 MW[5]。

國內(nèi)對(duì)太陽能光熱發(fā)電的研究起步較晚，19世紀(jì)90年代中科院及部分高校才逐漸開展相關(guān)技術(shù)研究，并取得一定成果[6-8]。我國也從2010年開始逐漸啟動(dòng)了內(nèi)蒙、寧夏、甘肅等大型光熱發(fā)電項(xiàng)目，并成立了太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，截止到2017年7月，聯(lián)盟會(huì)員單位共74家。

對(duì)于聚光集熱方式的太陽能光熱電站來說，蓄熱儲(chǔ)能材料的選擇是電站設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。熔融鹽因其具有溫度范圍寬、飽和蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn)定性好、黏度小、價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已成為全球光熱電站的首選蓄能材料[9-11]。目前，應(yīng)用最廣的熔融鹽是二元混合硝酸鹽，常用的質(zhì)量配比為60%NaNO3+40%KNO3組成的混合鹽。

基于工程設(shè)計(jì)需要，在分析了二元混合硝酸鹽理化特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了高、低溫熔鹽儲(chǔ)罐的材料選擇及防腐絕熱方式，并借助有限元軟件計(jì)算了熔鹽儲(chǔ)罐的絕熱層厚度及罐基礎(chǔ)隔熱層厚度，給出了熔鹽儲(chǔ)罐的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，所得成果可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定理論指導(dǎo)。

1 熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)

太陽能光熱電站按系統(tǒng)功能劃分，可分為太陽能集熱系統(tǒng)、熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)三部分。圖1為熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由冷熱熔鹽儲(chǔ)罐、冷熱熔鹽泵、蒸汽發(fā)生器、過熱器、冷凝器、冷卻塔、冷卻水箱、循環(huán)水泵等設(shè)備組成，其中，冷熱熔鹽罐是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

圖1 熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)簡圖

Fig.1Schematicdiagramofthermalandenergystoragesystemwithmoltensalts

熔鹽系統(tǒng)首次運(yùn)行或檢修后重新啟動(dòng)時(shí)，均是通過安裝在冷熔鹽罐內(nèi)的加熱器將混合鹽融化，當(dāng)冷熔鹽罐內(nèi)的熔鹽被加熱(約290 ℃)到適宜的黏度后，利用冷熔鹽泵，將冷熔鹽輸送到太陽能集熱器內(nèi)，使冷熔鹽繼續(xù)升溫，當(dāng)升到一定溫度后(約565 ℃)，熔鹽進(jìn)入熱熔鹽罐存儲(chǔ)；放熱時(shí)，熱熔鹽通過熱熔鹽泵輸送至蒸汽發(fā)生器內(nèi)與冷卻水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽，從而推動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，熱熔鹽降溫后回冷熔鹽罐存儲(chǔ)，然后再通過冷熔鹽泵提升至太陽能集熱器升溫，循環(huán)往復(fù)。

2 熔鹽儲(chǔ)罐的選材

目前，針對(duì)光熱發(fā)電行業(yè)所用熔鹽產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未見報(bào)道，設(shè)計(jì)人更多參考的是工業(yè)硝酸鈉(GB/T4553—2016)、工業(yè)硝酸鉀(GB1918—2011)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。熔鹽的腐蝕特性主要體現(xiàn)在氯離子替換金屬表面鈍化膜中的氧原子，從而加速鈍化膜的破壞[12]。因此，為更好的降低熔鹽對(duì)儲(chǔ)罐的腐蝕性，應(yīng)嚴(yán)格控制熔鹽中氯離子的含量。

熔鹽儲(chǔ)罐的選材主要取決于兩個(gè)方面：一是介質(zhì)自身特性；二是介質(zhì)運(yùn)行溫度。

2.1 介質(zhì)特性

二元混合硝酸鹽(NaNO3和KNO3)均為強(qiáng)堿強(qiáng)酸鹽，熔融狀態(tài)下pH為中性，對(duì)碳鋼和不銹鋼基本無腐蝕。通過查詢《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》可知NaNO3和KNO3處于熔融狀態(tài)時(shí)，選擇碳鋼、不銹鋼均可?？紤]熔鹽中不可避免的會(huì)含有少量的NaCl等腐蝕性雜質(zhì)，因此，熔鹽儲(chǔ)罐的材質(zhì)應(yīng)具備抗氯離子腐蝕的特性。

2.2 介質(zhì)溫度

熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)包括：冷熔鹽罐(設(shè)計(jì)溫度290 ℃)和熱熔鹽罐(設(shè)計(jì)溫度565 ℃)兩種儲(chǔ)罐，針對(duì)高溫條件下的儲(chǔ)罐選材，主要考慮4個(gè)方面的影響：

(1) 高溫條件下長期使用的材料，應(yīng)考慮因組織或性能變化對(duì)材料使用可靠性的影響。

(2) 蠕變溫度以上長期使用的材料，應(yīng)考慮因蠕變引起的過度變形、過大位移及材料組織和性能的劣化影響。

(3) 高溫條件下使用的材料，應(yīng)考慮因化學(xué)腐蝕引起材料失效。

(4) 通過熱處理強(qiáng)化的材料，如果長期在接近或高于回火溫度下使用，應(yīng)考慮材料強(qiáng)度降低的因素。

碳鋼不宜在425 ℃以上的溫度下長期使用；鉻鉬鋼不宜在 470 ℃以上的溫度下長期使用；鐵素體不銹鋼及馬氏體不銹鋼不宜在370 ℃以上的溫度下使用；鉻鎳奧氏體不銹鋼在 540～900 ℃ 溫度下長期使用可能產(chǎn)生σ相脆化等影響；低碳奧氏體不銹鋼的蠕變溫度為800 ℃，可長期在600 ℃溫度下使用，且具有較強(qiáng)的抗氯離子腐蝕特性。因此，熱熔鹽儲(chǔ)罐可選擇低碳奧氏體不銹鋼(具體可根據(jù)氯離子質(zhì)量濃度選擇304/316/347系列)；母材的碳含量、熱處理及晶粒度應(yīng)滿足《工業(yè)硝酸鉀》GB1918—2011的相關(guān)要求。而冷熔鹽儲(chǔ)罐溫度上限為290 ℃，小于碳鋼的蠕變溫度(375 ℃)限制及高溫脆性臨界溫度，因此冷鹽罐選擇碳鋼(Q345系列板材，并考慮一定腐蝕余量)即可。

由于熔鹽溫度較高，目前沒有專門的熔鹽儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外熔鹽儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)制造多參考API650《鋼制焊接石油儲(chǔ)罐》及ASME VⅢ-I卷《壓力容器》。

3 熔鹽儲(chǔ)罐的防腐

根據(jù)以上論述，熱熔鹽罐采用低碳奧氏體不銹鋼材質(zhì)，無需外防腐；而冷熔鹽罐采用碳鋼材質(zhì)，需進(jìn)行外防腐設(shè)計(jì)。針對(duì)冷熔鹽罐的存儲(chǔ)溫度(290 ℃)，并結(jié)合各類防腐涂料適用范圍?？蛇x用的外防腐涂料有兩種：一種是有機(jī)硅系列的耐熱涂料(不同系列，耐溫300～700 ℃不等)，該類涂料在石油化工等高溫設(shè)備防腐中應(yīng)用較多；另一種是惰性聚合物系列的耐熱涂料(不同系列，耐溫300～650 ℃不等)，該涂料不屬于環(huán)氧類、有機(jī)硅、無機(jī)鋅等常規(guī)涂料中的任何一種，國外應(yīng)用較多。

兩種涂料均滿足冷熔鹽罐的防腐要求，但從投資角度分析，推薦使用有機(jī)硅系列的耐熱涂料為宜。

4 熔鹽儲(chǔ)罐的絕熱

考慮熔鹽儲(chǔ)罐存儲(chǔ)溫度較高，根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50264—2013的相關(guān)要求：當(dāng)存儲(chǔ)介質(zhì)溫度大于120 ℃時(shí)，需要對(duì)罐壁、罐頂進(jìn)行保溫。按照規(guī)范要求，存儲(chǔ)介質(zhì)溫度在290 ℃時(shí)，保溫層外壁面允許的最大散熱量為163 W/m2；存儲(chǔ)介質(zhì)溫度為565 ℃時(shí)，保溫層外壁面允許的最大散熱量為254 W/m2。參考常規(guī)絕熱材料及新材料的性能指標(biāo)，給出適用于熔鹽罐的絕熱材料見表1。

表1 適用于熔鹽儲(chǔ)罐的絕熱材料Table 1 Insulation materials apply to molten salt tank

考慮冷熱熔鹽罐選用同樣的絕熱材料，且對(duì)應(yīng)溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)不宜過大，故推薦硅酸鋁、氣凝膠產(chǎn)品、陶瓷納米隔熱氈等制品作為絕熱材料備選項(xiàng)。

下面以2座1×104m3熔鹽儲(chǔ)罐為例，進(jìn)行絕熱層厚度計(jì)算。儲(chǔ)罐所在區(qū)域的最冷月平均氣溫-5 ℃，風(fēng)速2 m/s，低溫熔鹽罐維溫290 ℃，高溫熔鹽罐維溫565 ℃。熔鹽罐傳熱數(shù)學(xué)模型見式(1)、(2) 。

熔鹽與罐內(nèi)壁面為流固耦合傳熱，即各交界面處靠近壁面的流體被滯止而處于無滑移狀態(tài)，二者之間的熱量傳遞主要是對(duì)流換熱及輻射傳熱。

式中，λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λl為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ts、Tl分別為流固耦合界面處固體溫度和流體溫度，K；qf為輻射換熱熱流量，W/m2。

儲(chǔ)罐、保溫層的傳熱屬于固體傳導(dǎo)，柱坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)傳熱方程：

式中，i為變量，分別表示罐壁、保溫層的各物性參數(shù)，如：ρ1為罐壁鋼板的密度，kg/m3，c1為罐壁鋼板的比熱容，J/(kg·K)，λ1為罐壁鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

由傳熱模型，計(jì)算絕熱層厚度,見表2。

表2 熔鹽儲(chǔ)罐絕熱層計(jì)算厚度Table 2 Calculation thickness of the insulation layer of molten salt tank mm

結(jié)合目前各材料的市場(chǎng)價(jià)格，經(jīng)核算熔鹽儲(chǔ)罐保溫層采用硅酸鋁制品最為經(jīng)濟(jì)。圖2給出了冷熱熔鹽罐采用硅酸鋁絕熱材料的溫度場(chǎng)云圖。

由數(shù)值計(jì)算可知，冷熔鹽罐采用150 mm保溫層后，外壁面散熱量為157 W/m2，表面溫度2.4 ℃(275.4 K)；熱熔鹽罐采用220 mm保溫層后，外壁面散熱量為246 W/m2，表面溫度7.2 ℃(280.2 K)，均滿足規(guī)范要求。

圖2 冷熱熔鹽罐溫度場(chǎng)云圖(局部放大圖)Fig.2 The temperature field nephogram of cold and hot molten salt tank (partial enlarged drawing)

5 熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的隔熱

對(duì)于熔鹽罐來說，除了做好罐壁、罐頂?shù)谋赝?，還應(yīng)對(duì)罐底進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，以減少熱量損失，降低供熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本。目前，尚未查到高溫儲(chǔ)罐罐底隔熱層設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。部分專利中對(duì)隔熱層厚度的說明也只是一個(gè)范圍(20～60 cm)。在沒有設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，建議參考《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50264—2013的相關(guān)要求，即介質(zhì)溫度為565 ℃時(shí)，隔熱層外壁允許的最大散熱量為254 W/m2，考慮理論計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行的差異，加之施工質(zhì)量及長期運(yùn)行后材料老化等影響，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)建議散熱量低于200 W/m2為宜。

隔熱層材料的選擇不僅要滿足隔熱要求，還要滿足基礎(chǔ)承重要求。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并參考LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)隔熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，熔鹽罐隔熱材料擬選擇(耐溫≤450 ℃)泡沫玻璃。由于冷熔鹽罐運(yùn)行溫度只有290 ℃，低于泡沫玻璃耐溫極限，故按照規(guī)范要求的散熱量設(shè)置一定厚度的隔熱層即可；而熱熔鹽罐由于運(yùn)行溫度為565 ℃，高于泡沫玻璃的耐溫極限，故首先應(yīng)在罐底板至泡沫玻璃隔熱層之間設(shè)置一定厚度的隔熱耐火磚，將溫度降至450 ℃以下。下面以熱熔鹽罐為例，計(jì)算隔熱耐火磚及泡沫玻璃隔熱層厚度。熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式見圖3，相關(guān)材料的物性參數(shù)見表3，基礎(chǔ)溫度場(chǎng)云圖見圖4。

圖3 熔鹽罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 The diagram of molten salt tank foundation structure

基礎(chǔ)材料ρ/(kg·m-3)λ/(W·m-1·K-1)c/(J·kg-1·K-1)砂墊層1450隔熱耐火磚6600．22858泡沫玻璃1200．13800混凝土24001．74970

注：最冷月份混凝土基礎(chǔ)底部溫度為0 ℃。

圖4 熱熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)溫度場(chǎng)云圖

Fig.4Thetemperaturefieldnephogramofhotmoltensalttankfoundation

經(jīng)核算，熱熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的砂墊層厚度為20 cm，隔熱耐火磚厚度為30 cm，泡沫玻璃隔熱層厚度為20 cm，混泥土厚度為50 cm。此時(shí)，泡沫玻璃隔熱層下表面散熱量為178 W/m2，滿足要求。由圖4可知，隔熱層上表面溫度為308 ℃，下表面溫度為32 ℃，20 cm泡沫玻璃的溫度梯度為276 ℃，隔熱效果明顯。

6 結(jié)論

從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，針對(duì)熔鹽蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中的冷熱熔鹽罐的選材、防腐及絕熱方式進(jìn)行系統(tǒng)研究，并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，得出冷鹽罐最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為：碳鋼罐體+耐高溫有機(jī)硅防腐涂料+硅酸鋁保溫層；熱鹽罐最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為：不銹鋼罐體+硅酸鋁保溫層。冷熱熔鹽罐基礎(chǔ)均需要進(jìn)行隔熱處理，具體應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐周圍環(huán)境溫度進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

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Research on Material Selection, Anticorrosion and Thermal Insulation Technology of Solar Thermal Power Generation Molten Salt Storage Tank

Xiong Xinqiang, Du Mingjun, Zhang Zhigui, Bu Mingzhe, Liu Huichao

(ChinaPetroleumEngineering&ConstructionCorpNorthCompany,RenqiuHebei062552,China)

Molten salt heat storage system is the key point of solar thermal power station, which has important influence on the safety, reliability and operation cost of power generation system. Based on the analysis of the two element nitrate melt physicochemical properties, the material selection, corrosion resistance, thermal insulation, tank foundation insulation method of the high and low temperature molten salt tank were systematically studied. The optimum design scheme of molten salt tank was given from the angle of technical economy.

Solar thermal power generation; Molten salt; Tank; Material; Thermal isolation

2017-10-10

2017-10-27

中國石油工程設(shè)計(jì)公司技改項(xiàng)目(2015DK-JG-02)。

熊新強(qiáng)(1976-)，男，碩士研究生,高級(jí)工程師，從事石油天然氣工程設(shè)計(jì)研究;E-mail:xxinqiang@cnpc.com.cn。

杜明俊(1983-)，男，博士研究生，工程師，從事石油天然氣工程材料腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究；E-mail:dmj260750009@163.com。

1006-396X(2017)06-0059-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TK512

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.012

(編輯 王戩麗)