光熱電站儲熱系統(tǒng)熔鹽量設(shè)計優(yōu)化及工程應(yīng)用

孫云昊

（上海電氣集團股份有限公司電站分公司，上海201100）

1 引言

近年來，光熱發(fā)電作為一種清潔的太陽能利用技術(shù)，在國內(nèi)外逐步推廣使用。由于太陽能存在波動較大的特點，為了維持電力輸出穩(wěn)定，需要儲熱技術(shù)的支撐[1]。光熱發(fā)電中儲熱系統(tǒng)的投資成本一般占全廠投資的15%～25%[2]。如果能通過設(shè)計優(yōu)化，降低儲熱系統(tǒng)熔鹽的消耗量，將對降低光熱電站的建設(shè)成本發(fā)揮積極的作用。

2 優(yōu)化原理分析

根據(jù)工作介質(zhì)的不同及其在熱力循環(huán)中所發(fā)揮功能的不同，可以將光熱電站劃分為以下子系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽水循環(huán)系統(tǒng)等。

對于儲熱系統(tǒng)，可認為熔鹽在比熱容恒定，對于有固定儲熱量的儲熱系統(tǒng)，所需要的熔鹽的質(zhì)量為：

式中，Q為熔鹽儲熱或放熱過程中吸收或放出的熱量；c為熔鹽的比熱容；m為熔鹽的質(zhì)量；T1為熱熔鹽的溫度；T2為冷熔鹽的溫度。

儲熱系統(tǒng)的儲熱量一般為設(shè)計時的輸入值，在設(shè)計優(yōu)化過程需要保持儲熱量不變。因此，為了降低熔鹽的耗量，需要增大冷熱熔鹽的工作溫差，所以，可得到如下優(yōu)化方向：（1）增大熱熔鹽溫度T1。熱熔鹽的溫度主要由熔鹽集熱系統(tǒng)的設(shè)計決定，因此，需要優(yōu)化熔鹽集熱系統(tǒng)來獲得合理的熱熔鹽設(shè)計溫度。（2）減小冷熔鹽的溫度T2。儲熱系統(tǒng)冷熔鹽的溫度由蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)（Steam Generation System，以下簡稱SGS）的設(shè)計決定，熱熔鹽的溫度確定時，冷熔鹽的溫度主要由SGS系統(tǒng)的冷端給水溫度及冷端溫度端差決定。即:

式中，t1為SGS系統(tǒng)的給水溫度；TTDcold為SGS系統(tǒng)的冷端溫度端差。

為了減小T2，一方面可以降低SGS給水溫度；另一方面需要減小SGS系統(tǒng)的冷端端差。

3 優(yōu)化方法分析

針對以上提出的優(yōu)化方向，可將優(yōu)化過程分解為以下基本流程，如圖1所示。

圖1儲熱系統(tǒng)熔鹽量優(yōu)化的基本流程

以下將針對每項工作的具體優(yōu)化方法做進一步的分析。

3.1 優(yōu)化集熱系統(tǒng)，提高熱熔鹽溫度T1的方法分析

對于塔式光熱電廠，可以通過改進熔鹽吸熱器（Molten Salt Receiver，MSR）的設(shè)計提高其出口熱熔鹽的溫度。但是由于受到熔鹽物理性質(zhì)的限制，熔鹽在升高到一定溫度時物理性質(zhì)不再穩(wěn)定，容易發(fā)生分解。對于工程中普遍使用的二元鹽，MSR出口的熱熔鹽設(shè)計溫度通常不高于565℃。

3.2 優(yōu)化汽水系統(tǒng)，降低給水溫度t1方法分析

對于汽水系統(tǒng)，可以在汽水系統(tǒng)熱力設(shè)計階段減少抽汽回熱量，達到降低給水溫度的目的，但這會導(dǎo)致汽水循環(huán)效率的降低。為了避免汽水循環(huán)效率過低，可采取措施彌補給水溫度降低帶來的不利影響，如提高蒸汽的設(shè)計溫度；降低管道的設(shè)計壓降值；降低汽輪機的設(shè)計排汽背壓等。在進行優(yōu)化時，以上2個方面的措施需要取得平衡，以不降低系統(tǒng)的效率為平衡點。

3.3 優(yōu)化SGS系統(tǒng)，減小冷端溫度端差TTDcold的方法分析

對于SGS系統(tǒng)，在全廠的熱力系統(tǒng)設(shè)計階段，通過提升SGS出口的設(shè)計蒸汽參數(shù)，可以減小SGS的熱端端差，這與3.2中采用的措施是一致的。但提高蒸汽參數(shù)會導(dǎo)致SGS系統(tǒng)換熱器面積的增大，同時也會導(dǎo)致SGS的冷端端差減小。但這會增加SGS系統(tǒng)的投資，因此，需要結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗選擇經(jīng)濟性的熱端端差。通常對于SGS中廣泛采用的管殼式換熱器，其經(jīng)濟性的熱端端差取5～10℃。此外，SGS蒸發(fā)器的夾點溫度的設(shè)置，也會影響SGS冷端的熔鹽出口溫度，可以在優(yōu)化中選取合理的夾點溫度，通常經(jīng)濟性的夾點溫度取2～5℃。

通過以上分析可知，通過調(diào)整各個子系統(tǒng)的設(shè)計，可以得到更加優(yōu)化的邊界條件，進而可以在保證全廠熱效率不變的情況下，達到提高熔鹽溫差的目的，從而降低熔鹽的使用量。

4 優(yōu)化方案的工程應(yīng)用

DEWA四期700MW太陽能光熱項目位于阿聯(lián)酋迪拜，該項目包含1×100MW的塔式光熱電站與3×200MW的槽式光熱電站。對塔式機組，其設(shè)計凈出力為100MW，儲熱系統(tǒng)的設(shè)計儲熱量為3 588MW·t·h。此項目的設(shè)計優(yōu)化按照圖1所示的流程，從以下幾個方面展開。

4.1 初始全廠熱平衡圖的評估及優(yōu)化方法的提出

此項目中使用的熔鹽儲熱介質(zhì)為二元鹽（40% KNO3：60%NaNO3），其比熱容為1517kJ/（kg·℃）。初始全廠熱平衡圖如2所示。

圖2 DEWA項目塔式機組初始全廠熱平衡圖

與熔鹽耗量優(yōu)化相關(guān)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1初始方案主要設(shè)計參數(shù)

根據(jù)式（1）及表1可得到本項目需要配備的有效儲熱熔鹽量m1為:

分析初始的設(shè)計參數(shù)，可以看出熱熔鹽的設(shè)計運行溫度T1接近熔鹽的最高允許運行溫度，繼續(xù)提高熱熔鹽罐的設(shè)計運行溫度已經(jīng)十分困難；SGS過熱器及再熱器出口熱端端差較大，可以進行優(yōu)化；給水溫度通過優(yōu)化汽水系統(tǒng)的設(shè)計，存在降低的可能。因此，在后續(xù)的優(yōu)化中，將重點針對SGS系統(tǒng)及汽水系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化。

4.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

從表1可以看出，過熱器及再熱器的熱端端差均較高，分別達到了12.5℃和12.8℃。而對SGS系統(tǒng)通常采用的管殼式換熱器而言，其經(jīng)濟性的熱端端差通常為5～10℃，因此，可以通過提高過熱、再熱蒸汽的設(shè)計溫度來減小熱端端差。在初步的優(yōu)化中，選取過熱器的目標熱端端差為7℃，因此，調(diào)整過熱器及再熱器出口的目標設(shè)計溫度為558℃。

初始熱平衡中蒸發(fā)器夾點溫度端差為5℃，在設(shè)計中，可以通過降低蒸發(fā)器出口熔鹽設(shè)計溫度達到減小夾點端差的目的。由于管殼式熔鹽發(fā)生器，而其經(jīng)濟性的夾點端差為2～5℃，在優(yōu)化中，選取蒸發(fā)器的夾點端差為3℃。

4.3 汽水系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

本項目的汽水系統(tǒng)初始的熱力系統(tǒng)圖及設(shè)計邊界條件如表2所示，汽水循環(huán)熱效率為46.39%。

表2汽水系統(tǒng)的初始設(shè)計邊界條件

汽水系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化，在降低給水設(shè)計溫度時，為了維持系統(tǒng)的熱效率，需要在設(shè)計優(yōu)化中改善其余的邊界條件。

通過4.2節(jié)的優(yōu)化，使過熱、再熱蒸汽參數(shù)得以提高，汽輪機入口蒸汽溫度提高到557℃，蒸汽參數(shù)的提高，為降低給水溫度、保證汽水系統(tǒng)的效率值保留了調(diào)整的空間。影響汽水系統(tǒng)效率的一個重要邊界條件為汽輪機的排汽背壓。在冷端優(yōu)化中，將汽輪機的設(shè)計排汽背壓由10.5kPa調(diào)整為10kPa。排汽背壓的改善，將給降低給水溫度進一步保留了調(diào)整的空間。對于其余的邊界條件，初始設(shè)計中的設(shè)定值可優(yōu)化的余量已經(jīng)不大，因此，本次優(yōu)化中，不再進一步的調(diào)整。

經(jīng)過優(yōu)化，重新生成汽水系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)圖。在給水溫度降低為230℃時，汽水系統(tǒng)的效率值為46.54%，優(yōu)于初始值。優(yōu)化后汽水系統(tǒng)的設(shè)計邊界條件如表3所示。

表3優(yōu)化后汽水系統(tǒng)的設(shè)計邊界條件

4.4 優(yōu)化后的結(jié)果分析

通過設(shè)計參數(shù)調(diào)整，重新進行全廠熱力系統(tǒng)圖的計算，得到優(yōu)化后的全廠熱平衡圖如圖3所示。優(yōu)化后的與熔鹽量相關(guān)的設(shè)計參數(shù)如表4所示。

圖3 Dewa項目塔式機組優(yōu)化后的全廠熱平衡圖

表4優(yōu)化后方案主要設(shè)計參數(shù)

根據(jù)式（1）及表4及可得優(yōu)化后儲熱系統(tǒng)所需的熔鹽量m1*為:

通過對熱力系統(tǒng)參數(shù)的初步設(shè)計優(yōu)化，儲熱系統(tǒng)熔鹽量可由32 724t減少到31 396t，減少熔鹽消耗1 328t，按照現(xiàn)階段二元熔鹽價格約5 000元/t計算，減少熔鹽投資664萬元，占初始熔鹽投資的4.06%。與此同時，全廠的熱效率也可得到改善。

5 結(jié)語

光熱電站熔鹽量的設(shè)計優(yōu)化需要在保證機組熱效率的前提下，合理地調(diào)整各子系統(tǒng)的設(shè)計邊界條件。各子系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化，要結(jié)合工程經(jīng)驗，選取經(jīng)濟性的設(shè)計參數(shù)，最終達到增大熔鹽的設(shè)計運行溫差的目的，從而降低熔的鹽耗量，降低項目的投資成本。