光热电站熔盐传热储热技术应用

王鹏，罗尘丁，巨星

(1.中国电力工程顾问集团新能源有限公司，北京 100120；2.华北电力大学，北京 102206)

光热电站熔盐传热储热技术应用

王鹏1，罗尘丁1，巨星2

(1.中国电力工程顾问集团新能源有限公司，北京 100120；2.华北电力大学，北京 102206)

综述了当前国内外熔盐工质的研发进展，包括熔盐的热物性改进需求，熔盐配制发展过程及趋势等。分析归纳熔盐传热储热技术在光热发电系统中的应用方式，探讨不同集热形式、不同工质下的储热、放热流程，熔盐的组分、热盐需达到的温度等，熔盐工质在不同类型光热电站系统中具备不同的运行方式。

熔盐；光热发电；储热；传热。

光热电站的储热发电能力使其具备极大的发展潜力，有望兼顾基荷、调峰功能。在光热发电系统中，熔盐工质得以广泛应用：不仅被视作较理想的储热工质，还被用作吸热工质，应用于塔式电站集热系统，甚至在某些槽式电站集热系统中，低温熔盐正逐步被用来尝试取代传统导热油工质。熔盐传热储热技术已成为光热发电领域的研究热点。本文基于国内外研究文献资料，总结概述了当前国内外熔盐工质的研发进展，分析归纳熔盐传热储热技术在光热发电系统中的应用方式，同时探讨了熔盐储热系统容量配置的分析模型。

1 熔盐种类及特点

熔盐是无机盐在高温下熔化形成的液态盐，是一种不含水的高温液体，主要特征是熔化时解离为离子，正负离子靠库仑力相互作用，可用作高温下传热储热介质。常见的熔盐按阴离子不同可划分为硝酸盐、氯化盐、氟化盐、碳酸盐或者混合熔盐等；按主要组成成分的种类数量可分为二元盐、三元盐或者多元盐等。

光热电站中，相比导热油工质，熔盐具有以下优点：① 液体温度范围宽。如二元混合硝酸盐，其液体温度范围为240～565℃，三元混合碳酸盐其液体温度范围450～850℃。②饱和蒸汽压低。熔盐具有较低饱和蒸汽压，特别是混合熔盐，饱和蒸汽压更低，接近常压，保证了高温下熔盐设备的安全性。③ 密度大。液态熔盐的密度一般是水的2倍。④黏度较低。⑤具有化学稳定性。⑥ 价格较低。高温导热油价格30000～50000元/t，常用混合熔盐的价格一般小于10000元/t(中广核德令哈50 MW光热项目，40%kNO3∶60%NaNO3二元熔盐采购单价为3386元/t)。但熔盐在实际应用中也存在着诸多缺点：熔点较高、导热性能较差、腐蚀性较突出等。如碳酸盐液态时黏度大且易分解，氯化盐对容器的腐蚀性较强，硝酸盐熔解热较小、热导率较低。在长时间雨雪天气等特殊环境下，熔盐极易在设备、管道中凝固堵管。

3 熔盐研发

单一组分的熔盐熔点较高，热稳定性较差，无法满足各领域对高温传热储热的要求。不同熔盐混合后，可形成共晶的混合熔盐具有较低的熔点和较高的分解温度，故国内外研究人员常采用同类酸根离子盐之间混合的方式，将常见的硝酸盐、碳酸盐、氯化盐等按照不同组分、比例混合，以配制满足热物性要求的混合熔盐。但由于配制共晶混合熔盐尚无统一理论指导，故实际工作主要依据对熔盐热物性进行准确测量、推算，建立热物性数据库及预测计算方法，最终筛选出性能优良的熔盐配方。

工业应用中常见的三元熔盐、二元熔盐热物性参数见表1。世界上商业化运行的光热电站大规模使用二元熔盐Ⅰ(Solar Salt)。该熔盐熔点约为220℃，最高使用温度约为565℃，价格低、稳定性好，在光热发电早期就已受到重视并用于实验和示范项目，如1996年建成的美国加州Solar Two塔式电站等。对Solar Salt有关性能，如流动特性、液态温度范围、比热容和腐蚀性等的实验研究和分析已较为深入。目前，Solar Salt在商业化电站中得到了广泛应用，如西班牙的Andasol，Arcosol 50和Arenales等光热电站。Solar Salt的缺点主要是熔点较高，必须采取电伴热和保温防止熔盐在储热系统和管道内凝固，使得系统运行和维护成本提高。三元熔盐，如Hitec(见表1)、HitecXL(48%Ca(N O3)2∶45%KNO3∶7%NaNO3)等，相对于Solar Salt熔点明显降低至150℃以下，系统运行更为安全并减少了启动停机过程的能耗和运行维护成本。但低熔点熔盐价格较高，在温度过高或与空气接触情况下易产生分解、沸腾、氧化等问题，目前还未进入大规模商业化应用阶段。使用低熔点熔融盐的电站包括意大利Eurelios塔式光热电站，西班牙CESA-1，和法国的THEMIS塔式实验系统等。

表1 常见混合熔盐热物性参数

当前熔盐配制的发展趋势是通过加入添加剂，降低熔盐熔点，提高熔盐最高使用温度、比热容，增大储能密度，减弱腐蚀性。早在2009年，Sandia National Laboratory的Bradshaw等研究者开发的新型混合硝酸盐，熔点即降到100℃以下。Raade等开发的新型五元混合硝酸盐熔点为65℃，最高使用温度为500℃。国内北京工业大学马重芳教授、吴玉庭教授等配制的熔点在100℃左右的低温熔盐，最高使用温度超过600℃。Fernandez等开发的新型Ca(NO3)2- NaNO3- kNO3- LiNO3熔盐降低了对钢材料的腐蚀性，利用LiNO3提高了熔盐热稳定性，利用Ca(NO3)2降低了熔盐熔点、成本。近年来，Andreu-Cabedo等学者在二元SolarSalt熔盐中加入纳米SiO2颗粒，提高了熔盐热稳定性与比热容。Gimenez等在三元Hitec熔盐中加入5%Na2CO3，将熔盐上限使用温度提高30～50℃，在二元硝酸盐中加入NaCI，提髙了熔盐热稳定性，但腐蚀性也有所增强。国内爱能森公司在熔盐中加入纳米粒子(Nano)x，提高了熔盐导热系数与比热容，增大了熔盐储能密度。

3 熔盐传热储热系统

3.1 塔式熔盐传热储热系统

塔式光热电站集热器、储热系统都采用熔盐作为工质，系统流程示意图见图1。储热时：定日镜将太阳辐射反射至吸热器，低温熔盐(约290℃)吸热后存储于高温熔盐储罐内(约550℃)。冷盐流量通过变频低温盐泵控制，根据模拟量控制系统指令调节进入熔盐吸热器熔盐流量，将低温熔盐加热至额定温度高温熔盐，送至高温储罐保存。放热时：启动热盐泵，高温熔盐从热罐进入熔盐蒸汽发生器，对水加热后进入冷罐。利用变频泵控制热盐流量，以满足熔盐蒸汽发生器蒸汽出口参数要求。

图1 塔式熔盐传热储热电站系统流程示意图

3.2 塔式水传热熔盐储热系统

塔式光热电站集热器采用水工质，储热系统采用熔盐工质，系统流程示意图见图2。与塔式熔盐传热储热电站不同之处在于储热过程通过熔盐-蒸汽换热器进行，冷盐流量通过变频低温盐泵控制，保证熔盐-蒸汽换热器热侧与冷侧换热温差在所限范围内波动。

图2 塔式水传热熔盐储热电站系统流程示意图

3.3 槽式导热油传热熔盐储热系统

槽式光热电站集热器采用导热油工质，储热系统采用熔盐工质，系统流程示意图如图3所示。储热时：集热器将太阳辐射反射至真空管加热导热油，通过导热油熔盐换热器，低温熔盐(约290℃)吸热后存储于高温熔盐储罐内(约390℃)。放热时：启动热盐泵，高温熔盐从热罐进入导热油熔盐换热器，对导热油加热后进入冷罐。被加热的导热油再进入导热油蒸汽发生器，加热产生蒸汽满足主蒸汽参数要求。

图3 槽式导热油传热熔盐储热电站系统流程示意图

3.4 槽式熔盐传热储热系统

槽式光热电站集热器、储热系统都采用低温熔盐工质，系统流程示意图如图4所示。与塔式熔盐传热储热电站不同之处在于：① 镜场采用抛物线槽式集热器，而非定日镜、集热塔与集热器组成；② 熔盐采用低温熔盐，而非40%kNO3∶60%NaNO3二元熔盐；③ 沿用槽式光热电站热力参数，低于塔式光热电站，如高温熔盐仅需达到约390℃。

图4 槽式熔盐传热储热电站系统流程示意图

常见熔盐传热储热系统都是双罐设置，某些学者对单罐熔盐传热储热系统进行了研究：在一个储罐内利用冷热熔盐密度差自动分层，热上冷下，构建斜温层，系统得以简化。但储热和放热过程需采用特殊热分层装置，以致罐体结构复杂、热效率较低、储热成本偏高，实际应用很少。相较传统水工质热力系统设计，熔盐工质特殊的热物性使得熔盐传热储热系统设计具有诸多新特点。

4 结论

本文介绍了熔盐工质的分类及特点，总结概述了国内外熔盐工质的研发现状及趋势：基于熔盐的热物性改进需求，熔盐配制从单组分发展到多组分，从同酸根离子盐发展到添加纳米颗粒。同时本文分析归纳了熔盐传热储热技术在光热发电系统中的应用，熔盐工质在不同类型光热电站系统中具备不同的运行方式。

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Application of Molten Salts for Heat Transfer and Storage Technique for Molten Salts in Concentrating Solar Power Plant

WANG Peng1, LUO Chen-ding1, JU Xing2
(1.New Energy Resources Co. LTD of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China; 2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Research and development of molten salts are summarized in this paper, including the improving requirements for the thermophysical properties of molten salts and the changes of preparation processes. And then the different molten-salt systems for heat transfer and storage are dicussed, especially for the temperature setting and various fow-path studying out. The research shows that there are corresponding distinctive molten-salt systems for kinds of concentrating solar power generation.

molten salt; concentrating solar power generation; thermal storage; heat transfer.

TM615

B

1671-9913(2017)02-0067-05

2016-10-28

王鹏(1974- )，男，吉林长春人，博士，高级工程师，从事新能源设计咨询。