汪 琦 俞红啸 张慧芬

（上海热油炉设计开发中心)

0 前言

熔盐蓄热储能技术可以解决光热发电中的能源储存难题。相比光伏发电和风力发电而言，光热发电具有电网友好性，更易于被电网所接纳。目前光热发电的聚光反射装置主要分为槽式、塔式、菲涅尔式和碟式等四种，而已大规模使用的是槽式和塔式；槽式在技术上最为成熟，但从成本下降的潜力来看，塔式更具有优势。

槽式系统是利用抛物面槽式反射镜将太阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的热载体 （熔盐或导热油）加热，熔融盐释放的热能用来产生蒸汽，推动蒸汽涡轮机发电；而其中有些热能被储存在高温熔融盐贮罐内，以便在夜晚或者阴雨天释放出来产生电力。塔式系统是利用定日镜将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温熔盐集热器上，加热后的熔融盐可以在更高温度下储存热量，通过熔盐蒸汽发生器产生过热蒸汽，驱动蒸汽涡轮发电机组发电。

1 熔盐蓄热储能技术

光热发电中熔盐蓄热储能技术早在20世纪80年代就已经出现了，当时建造的塔式太阳能光热发电站中采用三元无机熔盐做为蓄热储能材料，它是由硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠混合而成，采用53%KNO3∶7%NaNO3∶40%NaNO2的比例进行配制。现在光热发电中采用的熔盐是二元混合熔盐，它是由60%NaNO3∶40%KNO3混合而成，该熔盐在221℃时开始熔化，在600℃以下热稳定性非常好。采用添加剂可以使二元混合熔盐的熔点大幅度降低，但同时不改变混合熔融盐的热稳定性，甚至还能够进一步提高熔盐的最高使用温度。未来的光热发电寻找一种更好的熔盐混合物做为传热和蓄热载体，这种熔盐混合物能在更高的温度下储存热能，从而提高发电量；同时能在较低温度下保持液态，进而减少用于避免其固化的能源消耗。

美国光环技术公司 （Halotechnics）采用资源充足而且成本低廉的盐类物质替换掉了80%日益昂贵的硝酸钾。该公司的Saltstream 565的第一款产品将至少比现有的存储系统价格便宜20%，因为该系统利用较为便宜的盐类混合物来获得与原有系统相同的操作运行温度565℃。目前在565℃以下的温度存储热能技术是比较成熟的，但是如果有一种熔盐混合物能使光热发电中的操作运行温度提高50～150℃，那么在进行熔盐蓄热储能循环系统的设计时将会非常有利，因为这样就可以在同样质量的熔盐混合物中储存更多的能量，同时可以将熔盐蓄热储能循环系统的建造成本减少10%～20%，而操作运行温度更高，这意味着太阳能光热发电站可以采用更高效的涡轮发电机组来发电。

对于空间动态太阳能发电系统，常用的熔盐混合物是SiC和氟化盐相变蓄热材料，其中一种SiC和共晶LiF-CaF2(摩尔分率分别为80.5%、19.5%)的混合盐，可以用于入口温度高达727～827℃的闭环传统汽轮机上。对于太空中太阳能发电系统，具有更高使用温度的蓄热材料是采用SiC和MgF2的混合盐。通常情况下氟化混合盐LiF-NaF-KF(摩尔分率分别为46.5%、11.5%、42%)的熔点为454℃，在高温条件下其热稳定性更好[1]，能在更高的操作运行温度下蓄热储能，从而产生更多的电力。

2 熔盐蓄热储能的太阳能光热发电站

1981年在意大利西西里的Adrano附近建成了Eurelios塔式太阳能热电站，该电站采用三元无机熔盐做为蓄热载体。1983年西班牙的CESA-1电站也采用三元无机熔盐做为蓄热载体。1984年在美国新墨西哥州Albuquerque建立了0.75 MW熔盐发电试验电站，采用硝酸盐做为传热和蓄热载体，并使用了冷熔盐贮罐和热熔盐贮罐的循环系统。

1996年在美国加利福尼亚的Mojare建成了Solar Two太阳能试验电站[2]。Solar Two是美国能源部在莫哈韦沙漠建造的一套太阳能热发电站原型设施，一排排日光反射装置将太阳能聚焦于塔顶的集热器，集热器里装有在高温下会液化的熔盐；熔盐释放的热能用来产生蒸汽，驱动蒸汽涡轮机发电。其中有一部分热能可以储存在一罐罐熔盐贮罐里，以便在需要时释放出来产生电力。该电站采用二元混合熔盐做为传热和蓄热载体，是由美国联合科技公司United Technologies旗下的洛克达因Rocketdyne火箭发动机研究部开发了熔盐存储技术。该电站采用了冷熔盐贮罐和热熔盐贮罐的循环系统，共存放熔盐1440 t，蓄热能力为105 MWh,可以供蒸汽轮机满负荷运行3 h。该电站1997年投入运行，显示出熔盐做为传热和蓄热载体的巨大优势，集热器的集热效率达到88%，系统自身耗能量减少了27%，系统运行具有较高的稳定性和可靠性。

2001年意大利启动了ENEA聚光太阳能热电计划，准备在意大利南部建一个28 MW的太阳能槽式热发电系统，该发电系统采用熔融盐作为传热和蓄热载体[3]。2003年意大利建成了太阳能槽式集热器熔融盐循环测试系统，该系统中熔融盐贮罐装有熔融盐0.95 t，最大的传热功率为0.5 MW，集热器中熔融盐出口温度可达550℃。该系统2003年12月进行了将盐熔化的操作，经过初步测试后于2004年4月开始运行，已经有约2000 h的运行经验，大约经历了200个充盐和排盐循环。

2007年西班牙的安达索尔 （Andasol）聚光太阳能热发电工程建立了一个50 MW、采用熔融盐做为蓄热载体的太阳能塔式热电站，采用的熔盐达到35000 t。2011年安达索尔-I热电站开始发电，并已经上电网投入商业运行；同时计划在2015年之前再建造两个这样的太阳能热发电站，即安达索尔-Ⅱ、Ⅲ。安达索尔聚光太阳能发电站是欧洲第一个抛物槽式太阳能热电站，共计划组装7296个抛物槽式太阳能集热器组，整体设备质量超过18000 t。安达索尔-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ热电站的太阳能聚光装机面积达到150万m2表面积，相当于210个足球场的面积之和。50 MW的蒸汽涡轮机专门设计了高压和低压模块组，与传统的发电机组相比，太阳能热发电机组必须被专门设计成能够根据蒸汽的供应情况每天启动和关闭。安达索尔聚光太阳能发电站将每年为大约50万人提供清洁的可再生能源，同时实现45万t的二氧化碳减排。安达索尔-Ⅲ热电站利用210000个抛物反射镜捕捉太阳能，捕捉到的太阳能用于加热熔盐，并通过熔盐蒸汽发生器产生过热蒸汽，推动蒸汽涡轮发电机运转。安达索尔-Ⅲ热电站还包含一个由28500 t熔盐组成的热能存储系统，在全速运行下可以运转发电机组7.5 h，这将使该太阳能发电站在无日照情况下和夜晚进行发电，从而实现全天候连续稳定的发电。

3 熔盐蓄热储能循环系统的设计开发

太阳能光热发电站采用冷熔盐贮罐和热熔盐贮罐存放熔盐。循环系统工作时，冷熔盐贮罐内的熔融盐经熔盐泵被输送到太阳能集热器内，吸收热能升温后进入热熔盐贮罐中，随后高温熔融盐从热熔盐贮罐流进熔盐蒸汽发生器，加热冷水产生过热蒸汽，驱动蒸汽涡轮机运行发电，而熔融盐温度降低后流回冷熔盐贮罐。

图1 光热发电熔盐蓄热储能循环系统的工艺流程

笔者设计开发的光热发电熔盐蓄热储能循环系统的工艺流程如图1所示。该系统包括下述设备：聚光反射装置、聚光吸热器、冷熔盐贮罐、热熔盐贮罐、熔盐泵、熔盐蒸汽发生器、熔盐预热器、熔盐过热器、熔盐融化保温装置、熔盐输送管路预热保温装置、熔盐防冻抗冻和解冻加热装置、熔盐安全防泄漏装置以及配套辅机和阀门仪表、电控柜等。在熔盐循环系统内还设置了熔融盐中间回路，使得太阳能集热系统和蒸汽发电系统相互独立运行，以避免发电机组出现频繁启停的情况。

冷熔盐贮罐容积大小的确定必须充分考虑到粉状盐熔融操作时体积的增加，以及停止运行时高温熔盐的排放量。首先将粉状的二元混合盐 （60%NaNO3+40%KNO3）放入冷熔盐贮罐内，通过安装在贮罐内的间接式热风加热装置或者以电加热的方法将其加热融化。当冷熔盐贮罐内的熔盐被加热到合适的黏度后，就可以用熔盐泵打循环，将熔融盐输送到聚光吸热器中。在聚光吸热器中，熔融盐被加热升温。升温后的热熔盐进入热熔盐贮罐，然后被输送到熔盐蒸汽发生器中放热，加热冷水产生过热蒸汽，推动蒸汽涡轮机发电。蒸汽冷凝后通过水泵返回到熔盐蒸汽发生器内再吸收热量，而熔融盐温度降低后流回冷熔盐贮罐。上述过程不断循环，构成熔盐蓄热储能循环系统和蒸汽发电系统。当运行停止时，熔融盐应排到冷熔盐贮罐内。

在熔盐循环系统运行初始时，所有熔盐设备和熔盐循环管路都是处于常温状态，需要采用间接式热风加热装置或者电加热方法进行预热，以防止熔盐进入后在管路内发生固化堵塞[4]。熔盐循环系统的配管设计、熔盐蒸汽发生器的结构设计都很重要，如果熔融盐在管路内滞留固化，则可引起管路堵塞并发生事故。

熔盐系统停止运行时，循环系统内的全部熔融盐都要排入冷熔盐贮罐，所以在配管设计时必须有合理的弯曲度，使之不至于有残余熔盐滞留。冷熔盐贮罐必须安置在最低处，在循环系统紧急停车或停止运行时，为了防止冷熔盐贮罐内熔盐固化，可以使用间接式热风加热装置或者电加热方法将熔盐的温度保持在融熔点以上。因为冷熔盐贮罐体积通常比较大，所以一旦冷熔盐贮罐内出现熔盐固化现象，再进行熔融就非常耗时了。

熔盐循环系统中的熔盐流量不能过大，否则熔盐泵的功耗和造价会增大；熔盐流量也不能过小，如果流量过小了，熔盐的温度将会被迫升高，导致系统中的熔盐过热现象发生[5]。在熔盐蓄热储能循环系统设计开发时，应该保证熔盐设备和熔盐管路内熔盐的流速合理、准确。如果熔盐流速过高，设备和管道内阻力降过大，熔盐泵的动力消耗将增多，并冲刷磨损设备和管路的内壁面。熔盐流速过低时，熔盐会呈现出层流状态，这不仅会影响传热效果，也会造成熔盐流体传热不均匀。熔盐膜壁温度增高，尤其是当设备和管路内熔盐膜壁温度达到630℃时，熔盐过热会造成熔盐发生分解反应，盐膜变黑并粘附在高温壁面上，形成一层硬壳，该硬壳色黑而且坚硬、质脆。如果熔盐膜壁温度超过了630℃的危险温度，并继续上升，则分解反应将继续进行，黑色分解物将继续增厚，而且温度越高，分解反应就越加剧烈。剧烈反应的分解物是一种黑色固体，下部密实、上部疏松，而且不具有流动性，以沉积物的形态出现，沉淀在设备和管路的内壁面上，严重时会导致某一段管路堵死。所以在熔盐蓄热储能循环系统设计开发时，计算出准确合理的熔盐流量和流速十分重要。

熔盐的热稳定性好，导热系数较高，而且在600℃以下时几乎不产生蒸气。但熔盐属于危险品，高温熔盐如果与有机化合物接触，易发生剧烈的反应，引起着火、爆炸，因此在循环系统中熔盐绝不允许与有机物质接触。为了防止空气进入熔盐系统，应尽可能将熔盐循环系统密封好，并在熔盐贮罐内充入一定量的惰性气体或者氮气进行气体密封保护，且处于正压状态。熔融盐与水接触也容易出现水蒸气爆炸，因此在打开检修孔时必须十分注意安全保护。

4 结束语

光热发电能够直接产生交流电，并且可以连续发电，不像光伏和风力为间歇发电。如果采用蒸汽涡轮发电机，光热发出的电符合供电系统的要求，适合并入电网使用，属于电网友好型电源。目前西班牙Andasol光热电站采用熔融盐蓄热储能可储热7.5 h发电量，意大利Archimede光热电站可储热15 h发电量，该两座电站均已经投入运行，可连续24 h发电。熔盐蓄热储能技术的研究和发展使得太阳能光热发电在昼夜变化和天气阴晴变化时的发电应变能力大大提高，并且随着熔盐蓄热储能技术的不断进步，未来的光热发电将具有成为主要替代能源的潜在优势。

[1] Williams D F,Wilson D F,et al.Research on molten fluorides as high temperature heat transfer agents[A].Global 2003.New Orleans，2003： 16-20.

[2] Reilly H E,Kolb G J.An evaluation of molten-salt power towers including results of the solar two project[R].Sandia National Laboratories Report，2001.

[3] Vignolini M.ENEA research activities solar collector assembly test loop and laboratory studies[R].Italian nationalagency for new technologies.Energy and Environment Research and Development Unit,2003.

[4] 汪琦.熔盐加热炉和熔盐加热系统的开发 [J].化工装备技术，2000，21 （2）： 40-43.

[5] 汪琦，俞红啸.熔盐加热炉的结构设计和熔盐过热的研究 [J].化工装备技术，2012，33（5）：39-42.