基于高溫熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的電加熱器對比及分析

陳曉彤

［關(guān)鍵詞］熔鹽；光熱電廠；儲(chǔ)能；電加熱器

隨著溫室效應(yīng)及全球氣候變化加劇，促進(jìn)了以綠色低碳為目標(biāo)的能源轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)隨之進(jìn)入了能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期[1]。截至2023年年底，我國兆瓦級規(guī)模以上光熱發(fā)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量588 MW，在全球太陽能熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量中占比7.8%[2]。隨著光電規(guī)模的迅猛發(fā)展，其間歇性與不穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大負(fù)面影響，而儲(chǔ)熱技術(shù)是解決這一問題的最佳方法。

儲(chǔ)熱型光熱發(fā)電能夠保持穩(wěn)定的電力輸出，具備良好的調(diào)節(jié)特性，可迅速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求。由此可見，儲(chǔ)熱型光熱發(fā)電機(jī)組具有更靈活性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性[3]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)正在推進(jìn)的53個(gè)光熱發(fā)電項(xiàng)目中，有25 個(gè)采用熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)[4]。熔鹽儲(chǔ)能，是以液態(tài)熔鹽作為儲(chǔ)熱和傳熱工質(zhì)，將太陽能光熱、低熱、工業(yè)余熱低品位廢熱、谷電等轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在熔鹽中，在需要時(shí)釋放熱能，延長電站的運(yùn)行時(shí)間，確保一定時(shí)段內(nèi)無論是否存在太陽能輻射，汽輪發(fā)電機(jī)組均可以連續(xù)運(yùn)行[5]。熔鹽電加熱器是熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)的電加熱設(shè)備，能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到儲(chǔ)能裝置的成本投資、動(dòng)力消耗、經(jīng)濟(jì)效益[6]。

1 工程概況與儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作流程

1.1 工程概況

項(xiàng)目裝機(jī)容量：330 MW 光伏（不含已經(jīng)建成的10 MWp 光伏）、200 MW/540 MWh 電池儲(chǔ)能；熔鹽儲(chǔ)能1200 MW·ht，熔鹽加熱器功率150 MW，熱儲(chǔ)發(fā)電配置背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組12 MW；配置電蒸汽鍋爐45 MW。

本工程為光伏儲(chǔ)能一體化項(xiàng)目，配置3×50MW熔鹽電加熱器，用于吸收光伏電量，將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。利用光伏發(fā)電加熱熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱，將電能以熱能形式補(bǔ)充到儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)。

1.2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作流程

根據(jù)DL/T 5622-2021《太陽能熱發(fā)電廠儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，本工程儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并采用質(zhì)量比6：4硝酸鈉和硝酸鉀的二元熔鹽。

工程不設(shè)置集熱系統(tǒng)，設(shè)置了200 MW/540 MWh容量的電化學(xué)儲(chǔ)能，并通過設(shè)置150 MW熔鹽電加熱器利用光伏加熱熔鹽。

低溫熔鹽經(jīng)熔鹽電加熱器加熱升溫后首先進(jìn)入儲(chǔ)熱系統(tǒng)高溫熔鹽儲(chǔ)罐，其中高溫熔鹽一部分進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，與高壓給水進(jìn)行換熱，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電，汽輪機(jī)排汽供至用汽點(diǎn)。剩余部分高溫熔鹽儲(chǔ)存于高溫熔鹽儲(chǔ)罐中，當(dāng)光資源較弱或無光資源時(shí)，調(diào)用儲(chǔ)存高溫熔鹽，繼續(xù)向蒸汽發(fā)生系統(tǒng)提供熱量維持汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電并進(jìn)行工業(yè)供汽。

2 電加熱器系統(tǒng)設(shè)備選型

熔鹽電加熱器根據(jù)發(fā)熱原理的不同，可以分為傳統(tǒng)電阻式（簡稱：電阻式）、電極式和電感式熔鹽電加熱器。根據(jù)工作電壓等級區(qū)分，可以分為高壓熔鹽電加熱器和低壓熔鹽電加熱器，其中電阻式熔鹽電加熱器采用的電壓等級為低壓380 V或中壓690 V，高壓等級的電阻式熔鹽電加熱器廠家正在進(jìn)行研發(fā)，市面上還沒有相關(guān)產(chǎn)品。電極式和電感式熔鹽電加熱器可以采用6 kV或者10 kV的高壓進(jìn)行供電。

工程熔鹽電加熱器設(shè)計(jì)條件：進(jìn)口熔鹽溫度為290℃，出口565℃，暫定熔鹽流量最大為1425 t/h。以下為選用不同電加熱器的使用情況。

2.1 電阻式熔鹽電加熱器

2.1.1 基本原理

電阻加熱主要是電阻絲通電后產(chǎn)生熱量，經(jīng)過熱傳遞加熱熔鹽。熱量傳導(dǎo)過程為：電能→電阻絲熱能→絕緣層→保護(hù)層→被加熱流體。單個(gè)電阻加熱功率小，大功率設(shè)備需要多支路電阻串聯(lián)、并聯(lián)形成。圖1為電阻式熔鹽電加熱器的原理示意圖。

2.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

電阻式加熱器，因結(jié)構(gòu)簡單、適用性廣，低壓進(jìn)電，技術(shù)成熟，已大量應(yīng)用于石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域。

圖2為電阻式熔鹽加熱器的主要結(jié)構(gòu)示意圖，它由電熱元件、筒體、封頭、支座、吊耳、進(jìn)口接管及出口接管等組成。筒體上設(shè)有管口，用于連接安全閥管線以及排污管線等。低溫熔鹽通過泵、管道輸送進(jìn)入電加熱器，吸收電阻產(chǎn)生的熱量后高溫熔鹽從設(shè)備出口通過管道進(jìn)入高溫熔鹽儲(chǔ)罐。

電阻式電加熱器的電熱元件為電加熱管，一臺(tái)電加熱器一般由多組加熱管組成。管狀加熱器的電加熱管可以為直管、U形管或蛇形管狀。

2.1.3 本工程電阻式熔鹽電加熱器技術(shù)方案

電阻式熔鹽電加熱方案：配置3套50 MW熔鹽電加熱器，獨(dú)立控制。供貨范圍：變壓器（6 kV 轉(zhuǎn)690 V）、低壓開關(guān)柜、調(diào)功柜、PLC柜、1臺(tái)上位機(jī)（工程師站和操作站，100 MW共用）、調(diào)功柜至加熱器的電纜、PLC柜至加熱器的測溫電纜。

用戶提供一路功率消耗需求至PLC，DCS根據(jù)功率需求調(diào)節(jié)熔鹽流量，廠家根據(jù)功率消耗需求和出口溫度調(diào)節(jié)加熱器的輸出功率，優(yōu)先調(diào)節(jié)出口溫度，消耗功率為輔，用戶調(diào)節(jié)流量和消耗功率需求的精度決定了出口溫度和加熱器輸出功率的精度，出口溫度精度正負(fù)3℃，50 MW最小輸出功率不能低于500 kW。

2.2 電極式熔鹽電加熱器

2.2.1 基本原理

電極熔鹽加熱方式，以熔鹽本身作為發(fā)熱電阻直接發(fā)熱，無中間傳熱、換熱過程，有效解決傳統(tǒng)電熱管熔鹽加熱器單機(jī)功率低、加熱溫度受限、易腐蝕、故障率高等問題，適應(yīng)于大功率（單臺(tái)10 MW以上）和超高溫（500℃以上）熔鹽加熱領(lǐng)域。

電極式基本原理同電極式熱水鍋爐，適宜高功率及高電壓等級，具有較少的配電投資，配電系統(tǒng)相對簡單。圖3為電極式熔鹽電加熱器基本原理。

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

電極熔鹽電加熱器單臺(tái)功率可以做到10 MW，20 MW或50 MW，也可實(shí)現(xiàn)更高功率，10 kV高壓直接接入。電極直接加熱熔鹽，無需加熱絲電熱管，易損件少，維護(hù)工作少。

與水介質(zhì)電極鍋爐類似，電極式熔鹽加熱器采用液態(tài)熔鹽作為介質(zhì)，利用液態(tài)熔鹽具有的高電導(dǎo)率特性使熔鹽本身成為發(fā)熱電阻，通過自身的均勻發(fā)熱將電能轉(zhuǎn)化成熱能，加熱效率超過比較高。圖4為電極式熔鹽電加熱器結(jié)構(gòu)圖。

2.2.3 本工程電極式熔鹽電加熱器技術(shù)方案

本工程本期配置15臺(tái)10 MW電極式熔鹽鍋爐，電壓等級采用6 kV。單臺(tái)10 MW電極式熔鹽電加熱器性能參數(shù)見表1所示。

2.3 電感式熔鹽電加熱器

2.3.1 基本原理

電感式熔鹽電加熱器是利用電磁感應(yīng)加熱原理，感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱的材料的內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的，相對于傳統(tǒng)感應(yīng)加熱，電磁熔鹽加熱器選用了更為高效的電磁耦合，通過流體管道自身均勻發(fā)熱，湍流換熱以達(dá)到加熱熔鹽的目的。

熔鹽電磁感應(yīng)加熱器主要由感應(yīng)加熱電源、感應(yīng)線圈和被加熱的金屬管道3部分構(gòu)成，基本工作原理如圖5所示。

2.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

高壓電磁感應(yīng)加熱主要特點(diǎn)：

（1）壽命長，熔鹽管道采用厚壁管，強(qiáng)度好耐腐蝕，使用壽命久（＞200000 小時(shí)），后期更換維護(hù)成本低。

（2）絕緣性高，采用電磁隔離，絕緣性能好，容易實(shí)現(xiàn)高電壓低電流加熱，可根據(jù)現(xiàn)場供電情況設(shè)計(jì)6 kV、10 kV、35 kV等不同電壓等級。

（3）新型電磁感應(yīng)加熱區(qū)別于傳統(tǒng)感應(yīng)加熱，采用更為高效電磁耦合，具有功率因數(shù)高，效率高的特點(diǎn)。

（4）單體功率大可設(shè)計(jì)500 kW～10 MW不同功率等級，滿足不同工業(yè)現(xiàn)場需求。多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，可應(yīng)用群控技術(shù)智能分配功率，可實(shí)現(xiàn)零諧波污染。

（5）換熱效率高熔鹽管道直接發(fā)熱，湍流換熱，換熱效率高。均勻換熱熔鹽管道均勻發(fā)熱，管道內(nèi)無死區(qū)，不存在熔鹽過熱問題，傳統(tǒng)電熱管雖有折流板改善均流，但仍存在高溫死區(qū)。

（6）設(shè)備可直接接入35 kV/10 kV/6 kV高壓電網(wǎng)，免去了繁雜的配電和變壓設(shè)備。高壓小電流使得設(shè)備間主回路連接體積小、重量輕、現(xiàn)場易布置，降低了對現(xiàn)場條件的要求，無論是新建項(xiàng)目還是改造項(xiàng)目都能靈活布置，更容易接入運(yùn)行。

2.3.3 本工程電感式熔鹽電加熱器技術(shù)方案

本方案采用15×10 MW電感式熔鹽電加熱器，電感式熔鹽電加熱器系統(tǒng)由高壓感應(yīng)電源柜、高壓感應(yīng)熔鹽加熱器、低壓控制柜、冷卻系統(tǒng)（如有）組成，具體見圖6高壓感應(yīng)熔鹽加熱系統(tǒng)圖。

單臺(tái)10 MW電極式熔鹽電加熱器設(shè)備參數(shù)見表2所示。

2.4 技術(shù)路線總結(jié)

通過上述內(nèi)容的論述與比較，電阻式、電極式及電感式三種技術(shù)路線均可用于熔鹽的電加熱，從表3中可了解相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)。

小功率電阻式熔鹽加熱器技術(shù)成熟，在光熱電站中防止熔鹽低溫凝固應(yīng)用場景，已有較多運(yùn)行業(yè)績，該應(yīng)用場景與本項(xiàng)目應(yīng)用場景相比，主要區(qū)別在于，設(shè)備功率小，加熱溫度低（防止熔鹽凝固）等。單體功率3MW以上的電阻式熔鹽加熱器目前有安徽華瑞電氣有限公司在紹興綠電熔鹽儲(chǔ)能及北京民利儲(chǔ)能項(xiàng)目上有合同業(yè)績，其中北京民利儲(chǔ)能項(xiàng)目尚未投運(yùn)，紹興綠電熔鹽儲(chǔ)能尚未經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，無錫恒業(yè)具有敦煌大成線性菲涅耳50MW光熱電站業(yè)績，但運(yùn)行時(shí)間還較短，其他廠家運(yùn)行實(shí)際運(yùn)行效果還未有更多信息報(bào)道。

電極式熔鹽加熱器與電感式熔鹽加熱器并無實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行業(yè)績。且這兩種技術(shù)國內(nèi)做的廠家相對比較單一。

3 結(jié)論

綜上所述，本文細(xì)論述了電阻式、電極式及電感式三種技術(shù)路線的原理、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行維護(hù)以及優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合目前匯總了各個(gè)技術(shù)路線對應(yīng)國內(nèi)的主要廠家及業(yè)績情況，推薦某廠使用電阻式電加熱器設(shè)計(jì)。

近年來，我國新能源市場迎來了極大的發(fā)展契機(jī)，國內(nèi)光熱發(fā)電市場站在了快速發(fā)展的高速路上。熔鹽儲(chǔ)熱已廣泛應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電及火力發(fā)電機(jī)組的靈活性改造、供暖與余熱回收利用等場景。不同熔鹽電加熱器在光電發(fā)電機(jī)組靈活性改造項(xiàng)目中選型的問題缺少研究。

本文綜合比較了三種不同的熔鹽電加熱器，可為光熱發(fā)電廠熔鹽罐的電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型提供一定參考和借鑒。