摘 要：本文以某工程為例，介紹了熔鹽介質(zhì)光熱電站儲熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)設(shè)計，并對儲熱系統(tǒng)中的光場循環(huán)泵、蒸發(fā)器熔鹽泵、蒸發(fā)器熔鹽調(diào)溫泵、低溫熔鹽罐、高溫熔鹽罐，及換熱系統(tǒng)中的預熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器等重點設(shè)備選用做了詳細闡述。

關(guān)鍵詞：菲涅爾;光熱電站;熔鹽;儲熱;換熱

1 以熔鹽為介質(zhì)的太陽能槽式聚光集熱發(fā)電系統(tǒng)

新一代的太陽能槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，是以熔鹽為代表的熱載體，利用拋物線的光學原理，聚集太陽能，太陽能匯集到集熱管上，集熱管吸收熱量后進而加熱流過其中的熔鹽介質(zhì)，介質(zhì)溫度從290℃逐漸被加熱到550℃。被加熱后的高溫熔鹽流入儲熱系統(tǒng)中的高溫熔鹽儲罐中，其中一部分高溫熔鹽會從高溫熔鹽儲罐中流出在蒸汽發(fā)生器與水換熱，然后流回儲熱系統(tǒng)中的低溫熔鹽儲罐中，而換熱的水變成535℃的水蒸氣推動蒸汽輪機發(fā)電;另一部分高溫熔鹽則留在高溫熔鹽儲存在高溫熔鹽罐中，待夜間無日照時繼續(xù)輸出換熱用于夜間蒸汽汽輪機發(fā)電。

2 熔鹽介質(zhì)特性分析

當前，商業(yè)化運行的槽式光熱電站多選用水作為傳熱介質(zhì)，但由于其工質(zhì)溫度不高，無法發(fā)揮光熱電站的儲能優(yōu)勢，機組整體發(fā)電效率也難以大幅提高。熔鹽因其優(yōu)良的傳熱儲熱特性，正在被越來越廣泛的應用于建筑供暖、谷電制熱、風電消納、光熱電站等領(lǐng)域。

2.1 熔鹽介質(zhì)優(yōu)點

熔鹽作為集熱、儲熱、傳熱介質(zhì)，具有較高的使用溫度、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對流傳熱系數(shù)、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價格等優(yōu)勢，是目前光熱發(fā)電領(lǐng)域中認可度最高的傳儲熱介質(zhì)之一。

2.2 熔鹽介質(zhì)缺點

熔鹽作為光熱電站集熱、傳熱、儲熱介質(zhì)時，其最大的缺點是冰點高，二元和三元熔鹽在120-220℃，所以在實際工程中要考慮如何防止熔鹽凝固，因此必須對熔鹽管道、儲熱罐、換熱器等部件加裝輔熱裝置，會增加建站成本。

3 儲熱系統(tǒng)設(shè)計

本工程案例中儲熱系統(tǒng)設(shè)計為高低溫雙罐熔鹽儲熱，低溫熔鹽（290℃）被輸送至太陽集熱區(qū)收集太陽熱能，經(jīng)集熱器加熱到550℃的高溫熔鹽被送至蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生成過熱蒸汽，進入汽輪機做工，部分攜帶有多余太陽熱能的高溫熔鹽回到高溫熔鹽罐儲存起來。

3.1 熔鹽初裝

熔鹽初始是以固態(tài)顆粒形式運輸至現(xiàn)場，在光熱電站運行初期，首先要對熔鹽進行初始熔化，主要過程包括：破碎、配比摻混和高溫加熱，在對熔鹽進行熔化過程中，同時還需要對熔鹽罐進行罐體預熱，為注入高溫熔鹽做好準備。化鹽過程中的加熱方式可采用燃氣、燃油或電加熱。使用天然氣作為輔助燃料，用于加熱熔鹽。

3.2 主要設(shè)備

3.2.1光場回路循環(huán)泵（冷鹽泵）。采用高可靠性、低維修要求的變頻電機驅(qū)動泵，位于低溫熔鹽罐中，驅(qū)動熔鹽進入廣場吸收熱量后回到高溫熔鹽罐。通過使用變頻器來適應不同光照強度下集熱管內(nèi)的流量要求，從而實現(xiàn)最大程度吸收太陽能。

3.2.2蒸發(fā)器熔鹽泵（熱鹽泵）。蒸發(fā)器熔鹽泵為高可靠性、低維修要求的變頻電機驅(qū)動泵，位于高溫熔鹽罐中，為高溫熔鹽流經(jīng)過熱器、再熱器、蒸汽發(fā)生器、預熱器，并最終流至低溫熔鹽罐提供驅(qū)動力。

3.2.3蒸發(fā)器熔鹽調(diào)溫泵（調(diào)溫泵）。蒸發(fā)器熔鹽調(diào)溫泵采用高可靠性、低維修要求的變頻電機驅(qū)動泵，位于低溫熔鹽罐中。當進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的高溫熔鹽溫度過高時，可通過此泵將低溫熔鹽泵入摻混調(diào)溫。

3.2.4低溫熔鹽罐（冷鹽罐）。低溫熔鹽罐用于儲存來自熔鹽制備系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)來的液態(tài)熔鹽。冷鹽罐熔鹽溫度受汽輪機運行負荷變化會有較明顯變化，額定負荷時返回制冷鹽罐的熔鹽溫度可能到298℃，而且還受到實際運行工況的影響，如夜間小流量循環(huán)時，冷熔鹽罐中的熔鹽溫度可能低至200℃，所以冷罐熔鹽溫度在200℃～300℃之間。

3.2.5高溫熔鹽罐（熱鹽罐）。高溫熔鹽罐用于儲存經(jīng)集熱場加熱后的高溫熔鹽，額定工況熔鹽溫度約550℃。冷、熱熔鹽儲罐要設(shè)計有足夠大的容量，以保證機組具備足夠的儲熱能力。

3.2.6防凝措施。本工程選用了凝固點為120℃的低熔點鹽，熔鹽管所有熔鹽介質(zhì)設(shè)備（冷熱儲箱底部除外），如管道、閥門、熱交換器都需加裝電加熱裝置，避免熔鹽固化。夜間為防止太陽能集熱場熔鹽凝結(jié)，采用小流量循環(huán)方式運行。

4 換熱系統(tǒng)設(shè)計

換熱系統(tǒng)主要包括蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和啟動給水預熱系統(tǒng)。

4.1蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)用于將熔鹽存儲的熱量傳遞給汽輪機工質(zhì)水（汽），以驅(qū)動汽輪發(fā)電機組產(chǎn)生電能。主要設(shè)備包括：過熱器、再熱器、蒸發(fā)器和預熱器。從常規(guī)島來的除鹽水以250℃的溫度進入三級換熱器，通過與高溫熔鹽換熱，生成535℃過熱蒸汽（主蒸汽）進入汽輪機做功。高壓缸排出的飽和蒸汽，進入再熱器與高溫熔鹽換熱，生成535℃過熱蒸汽（再熱蒸汽）再進入汽輪機做功。上述四種換熱器均采用管殼式換熱器形式，換熱介質(zhì)為熔鹽——水/蒸汽。

主要用到的設(shè)備及選型如下：

預熱器：用于將250℃的給水進一步預熱后輸送至蒸發(fā)器，同時保證出口熔鹽溫度為290℃。

蒸發(fā)器：實現(xiàn)汽水轉(zhuǎn)化過程，產(chǎn)生所需壓力下的飽和蒸汽。

過熱器：從為獲得較高品質(zhì)的蒸汽，通過設(shè)置過熱器，將從蒸發(fā)器來的飽和蒸汽進一步加熱成過熱蒸汽（主蒸汽）主蒸汽溫度需達到汽輪機做工需要的535℃。

再熱器：為提高汽輪機效率，通過設(shè)置再熱器，使從高壓缸排出的蒸汽，進入再熱器與高溫熔鹽換熱成高品質(zhì)過熱蒸汽，再次進入汽輪機做功。再熱蒸汽溫度需達到汽輪機做工需要的535℃。

蒸汽發(fā)生器，即預熱器、蒸發(fā)器、過熱器和再熱器可配置為單列或雙列。

4.2 啟動給水預熱系統(tǒng)

啟動給水預熱系統(tǒng)包括一臺電加熱器，用于啟動初期給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)提供熱水。由于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的換熱介質(zhì)是低熔點熔鹽，正常工作溫度范圍在190℃—570℃，在120℃開始凝固的物性，要求機組在啟動初期對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的設(shè)備進行暖管。其蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備的預熱則是通過電加熱器將給水逐漸加熱成蒸汽，輸送進蒸汽發(fā)生器及主蒸汽管道，對整個蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進行預熱。

主要用到的設(shè)備有電加熱器，該設(shè)備主要用于機組啟動初期，用于加熱給水生成飽和蒸汽，對蒸汽發(fā)生器預熱，并為除氧器啟動初期供汽。

5 小結(jié)

近年來，隨著我國太陽能熱發(fā)電示范項目的推進，我國光熱發(fā)電進入了一個快速發(fā)展階段，在槽式、塔式光熱發(fā)電領(lǐng)域都取得了一些實用的研究成果，本文介紹的基于熔鹽介質(zhì)線性菲涅爾式光熱電站的儲熱換熱系統(tǒng)設(shè)計已在某示范項目中獲得成功。未來，隨著技術(shù)的不斷成熟，基于熔鹽介質(zhì)的線性菲涅爾式光熱發(fā)電技術(shù)必將取得新突破。

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作者簡介：

祁正榮（1988- ），男，大學本科，講師，主要從事太陽能光熱技術(shù)開發(fā)應用、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)開發(fā)應用等工作。

基金項目： 甘肅省創(chuàng)新能力提升項目2020A-286