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槽式光热电站熔盐管道系统防凝研究进展

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：张自成

[导读] 摘要：糟式光热发电是当前应用最广、技术最成熟的太阳能热发电技术。

        山东电力建设第三工程有限公司山东青岛 266000
        摘要：糟式光热发电是当前应用最广、技术最成熟的太阳能热发电技术。熔盐凭借其工作温度高、循环效率高、价格低廉等优势，正在成为光热电站传热和储热介质的首选。基于此本文阐述了熔盐槽式光热电站管道热损失特性及系统防凝解冻方案的研究和应用进展。
        关键词：光热发电；熔盐；槽式；热损失；防凝；解冻；电伴热
        按照聚光形式的不同，光热电站可分为槽式、塔式、线性菲涅尔式及碟式等4种。其中，槽式光热发电是当前应用最广、技术最成熟的光热发电技术。目前，在全球已建成和在建的光热电站中，槽式光热电站数量最多。这些槽式电站绝大多数釆用导热油作为传热介质，而以熔盐作为传热介质的电站目前仅有意大利的5MWArchimede示范电站。导热油作为传热介质产生蒸汽的最高温度只能达到约393℃，蒸汽朗肯循环效率只能达到37%，且高温导热油的价格非常昂贵。而若釆用熔盐作为传热介质，则工作温度可达550℃以上，蒸汽朗肯循环效率可达40%以上，能够显著提高发电效率囹，且其价格低廉。因此，熔盐槽式正在成为槽式光热电站的主要发展方向。近年来槽式集热器呈大型化的发展趋势，配合熔盐作为传热介质的应用，将进一步削减聚光集热场投资成本，提高单位集热器的能量输出，从而进一步提升槽式电站系统性能。
        一、熔融盐及其特性
        所谓熔融盐（以下简称熔盐）指的是无机盐在高温下熔化形成的液态盐。形成熔融态的无机盐其固态大部分为离子晶体，高温熔化后形成离子熔体。常见的熔盐主要有碳酸盐、氯化盐、硝酸盐以及氟化盐等。熔盐的特性主要表现在以下几个方面：
        1.液体温度范围宽，工作上限温度高；
        2.饱和蒸汽压低；
        3.热容量大；
        4.黏度较低，流动性非常优良；
        5.化学性能稳定；
        6.不易燃，安全性较好；
        7.原料价格低廉，易获得；
        8.凝固点较高。
        硝酸盐以其价格低、腐蚀性小及在较高温度下不分解的显著优点，在太阳能热发电领域得到了广泛应用。将各种单质熔盐按照一定比例混合使用，可以形成多种新型混合共晶熔盐，可获得各种焰点和使用温区的熔盐介质。应用较广的熔盐主要有二元熔盐SolarSalt、三元熔盐Hitec和HitecXL等。
        为减少管道散热主要釆用常规保温岩棉或硅酸铝作为管道保温材料，但一般缠裹在管道外的保温层较厚，散热面积较大，且导热系数也较大，因此散热损失仍较大。为进一步提高保温效果，近年来开发出了适用于光热电站传热介质输送的真空传输管nW，该管道由不锈钢内管和外管组成，中间为真空夹层结构，可有效降低内外管间的对流和辐射热损失，但其能否取得大规模应用还需综合考虑设备成本及经济性因素。
        二、熔盐介质集热回路防凝方案分析
        光热电站熔盐介质集热回路的防凝可通过合理安排集热系统启停并结合辅助热源来实现。德国宇航中心（DLR）Eickhoff等人提出，针对线聚焦光热电站，每天日落停机时，可采用将集热回路内的熔盐排空的方式来避免熔盐冻堵，第2天日出后，利用太阳辐射能来预热集热管，待集热管满足充盐温度条件后，再将熔盐罐内的熔盐重新充入集热回路。

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集热回路需利用场地自然坡度布置或设计呈一定坡度（0.1%），利用重力和压缩空气将管路中的熔盐排至熔盐罐储存。另外，为保证第2天系统启动充盐时入口母管和连接管具有较高的温度，避免热应力过大，夜间母管和连接管的管壁保温釆用热流体伴热完成，热量来自于储罐中的熔盐。该防凝运行方案大幅降低了夜间热损失，但对项目场地大小、坡度和集热回路布置有一定要求。此外，集热回路每天疏盐、预热以及再次充盐过程占用了太阳辐射资源和聚光集热时间，其对预热过程的控制也较复杂，增加了运维难度和成本。
        三、电伴热系统应用
        对于以熔盐作为传热/储热介质的光热电站，无论采用以上何种防凝运行方式，熔盐管道及相关设备通常还需配置电伴热系统来实现防凝。电伴热系统需要的热量包括：预热管道或设备所需的热量；弥补管道或设备的热损等。目前，适用于光热电站设备工况的电伴热系统加热方式主要有2种：一种是阻抗加热（impedanceheating）系统，即让整个管壁作为加热器，管壁两端加低电压，管壁本身有电阻，又有电流通过，利用直接焦耳效应产生热量；另一种为釆用矿物绝缘（mineralinsulated，MI）伴热电缆加热，通过发热芯线传热给MgO绝缘层及金属外护套，对管道中的传热介质进行伴热保温。美国Sandia实验室釆用功率为5.4kWe的阻抗加热系统成功加热了一段16m长的硝酸盐管道。这种阻抗加热方式均匀性良好，对温度调节的响应快，加热功率密度大（可达250W/m），但由于采用了低电压大电流，系统须保持与外界的电隔离和热隔离，安全性要求较高。常用矿物绝缘伴热电缆按照伴热电缆内部发热芯线数可分为单芯电缆和双芯电缆。考虑到光热电站伴热对象的高温特性，为保障矿物绝缘电缆的加热效果和使用寿命，通常要求绝缘层MgO的纯度不小于99.5%，加热芯线为镣铭合金，外护套材质选用耐高温的Alloy825合金。这种伴热电缆耐温性能优良，安全性高，安装简便且易于自动控制，商业应用较为广泛。诸多在役和在建的光热电站釆用了矿物绝缘伴热电缆加热方式，包括国内首批光热发电示范项目中控德令哈50MW熔盐塔式电站、中电建共和50MW熔盐塔式电站等。但矿物绝缘伴热电缆的加热功率密度较小，最大约为165W/m，且无法现场剪切长度，需根据伴热回路划分情况提前在工厂预制。
        四、解冻方案
        当集热系统熔盐管路已发生冻堵时，应釆取有效措施尽快加热解冻，防止对系统造成更大的危害。Maccari等人啊在集热管熔盐冻堵/解冻实验中，搭建了由2组集热管构成的实验台，2组集热管之间由软管和阀门连接。实验中首先关闭加热系统令管道和阀门内的熔盐完全冻堵，之后再开启电加热系统解冻，其中集热管和连接软管由阻抗系统加热，阀门由矿物绝缘电缆加热。
        美国Sandia实验室Pancheco等人利用实验研究了塔式吸热器吸热管内熔盐的冻堵及解冻过程，定量给出了熔化过程对吸热管造成的永久性塑性变形，发现吸热管永久变形率最大可达4%以上。若冻堵时集热管内充满了固态熔盐，则解冻过程中熔盐体积膨胀会造成吸热管的塑性变形和明显弯曲。为避免解冻过程对吸热管造成永久性损坏，应保证解冻时管内熔盐有足够的膨胀空间。
        针对利用MI伴热电缆熔化管道内熔盐过程中焰盐固液相变的问题，利用恰法模拟了水平管道内二元熔盐的熔化过程，发现伴热电缆的安装位置会影响熔化过程的不均匀性及管内熔盐完全熔化所需时间，随着伴热电缆功率的逐渐增大，熔盐完全熔化所需时间缩短且其效果逐渐减弱。在实际光热电站设计和运行中，电伴热系统设计主要考虑防凝和预热功能，故设计加热功率通常不会很大，仅靠电伴热系统不能完全解冻己冻堵熔盐。因此还需配置移动式电加热器，以实现对不同冻堵位置的灵活、快速解冻。
        结语：本文对熔盐作为光热发电领域传热介质储热介质存在的凝固风险及其应对措施进行了综合调研。目前，针对集热管传热和热损失计算模型的研究已较为成熟，但现有文献主要以导热油传热介质作为研究对象，对熔盐介质的研究仍较为缺乏。还需进一步通过实验和数值模拟相结合的手段，深入研究不同组分熔盐在白天正常运行工况和夜间低速循环工况下集热回路的传热和热损失性质，为熔盐在光热电站的大规模应用提供基础数据。
        参考文献：
        [1]廖志荣，李鑫，徐超，等.太阳能热发电站中熔融盐冻堵管道的熔化过程[J].科学通报，2017，62（9）