光热发电厂中熔盐储罐电加热器的设计选型

安荣朝

（山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266061）

随着矿石资源储量不断减少和环境保护越来越被全世界广泛重视，新能源的开发利用迎来了爆发的窗口期。太阳能作为一种清洁的可再生能源，是未来社会的主要理想能源之一，在未来的能源战略中占有极其重要的地位。而太阳能光热发电是人类利用太阳能的又一个里程碑。

太阳能光热发电，是指利用特制的聚光器捕获并聚集太阳辐射，并将太阳辐射发送至吸热器产生高温热流体，然后驱动传统汽轮机来产生电能的一门高新技术。太阳能光热发电凭借其可储热、可调峰、可连续稳定发电的优点，逐渐成为可再生能源领域研发和投资的热点。

熔盐蓄热储能技术可以解决光热发电中的能源存储难题，太阳能光热发电站蓄热系统通常采用双罐式设计，由冷、热两个蓄热罐组成。蓄热系统循环运行，冷盐罐内的熔盐经过熔盐泵被输送到太阳能吸热器内，吸收太阳热能升温后进入热盐罐，同时高温熔盐从热盐罐流经蒸汽发生器，加热给水产生高温蒸汽，驱动汽轮机运行发电。温度降低后的熔盐则流回冷盐罐，如此循环往复。当光热发电系统连续长时间停机时，熔盐储罐进入保温模式，储罐内熔盐因为罐壁的散热损失而温度逐渐降低，当温度低至熔盐结晶温度时，熔盐将开始结晶凝固，如果不采取措施将导致系统无法再次启动或者可能对罐体、罐内设备造成损伤。因此，为防止熔盐凝固、保证系统稳定性，需要对熔盐罐内熔盐进行加热。通常，热源来源于电力，通过将电能转化为热能的方式来集热熔盐。

本文通过对不同类型的熔盐罐电加热器的设计和应用进行优缺点分析，为类似项目的实施提供参考依据。

1 概述

目前，国内外光热电站普遍使用的熔盐为二元熔盐混合物（60% NaNO3和40% KNO3），其硝酸盐的总浓度不应小于99%。这种熔盐混合物在238℃时开始结晶，并在221℃时凝固。

当其他设备发生故障，整个装置停运时，熔盐罐内介质处于静止状态，罐体散热过程中介质温度会不断降低。熔盐在到达一定温度时会逐渐凝固，失去流动性。为保证熔盐罐内熔盐处于液相，停运阶段需要对熔盐进行加热。

熔盐罐电加热装置常见的设计有三种方式：浸入式电加热器、外置式电加热器、电伴热。下面将具体分析这三种加热器形式的优缺点。

2 浸入式电加热器

浸入式电加热器由电热元件、法兰组合制成，适用于加热大、中、小型容器，储罐中的油、水和其他黏性液体，熔融材料及气体。浸入式电加热器是目前光热电站中应用最广泛的熔盐罐加热形式。

2.1 原理、安装方法和布置方式

浸入式电加热器采用U型管状电热元件，依据加热不同介质的设计规范，按照功率配置要求装配在法兰盖上，插入需加热物料中，发热元件工作时所发出的大量热量传导给被加热介质使介质温度升高，达到工艺要求所需要的温度。当介质温度达到工艺要求的设定值时，控制系统根据温度传感器信号，经PID运算后调节电加热器输出功率，对发热元件的电阻性负载实现温度控制，使介质温度均匀，达到所需要求。当发热元件超温时，发热元件的联锁保护装置立即切断加热电源避免发热元件烧坏，延长使用寿命。

浸入式电加热器的安装结构包括套管和电加热棒。套管平行于熔盐罐底板设置，一端通过焊接固定在熔盐罐罐壁上，位于熔盐罐内部的一端端口封闭，位于熔盐罐外部的一端端口开口，开口位于所述熔盐罐的保温层内。浸入式电加热器从熔盐罐罐壁外部插入所述套管内后，位于保温层内的一端与套管的开口端口固定连接。将电加热棒置于套管中，采样辐射式电加热器，套管在储罐内为封闭式，电加热棒从储罐罐壁外部插入套管内，可轻松方便地更换电加热棒，并且保证储罐内熔盐不容易泄露。

设计冗余通常采用“N+1”的配置。浸入式电热器通常设计为8组，均匀布置在熔盐罐底部。在电加热器运行时，通常开启熔盐泵再循环，熔盐通过熔盐泵再循环管道经由熔盐罐底部分配环返回到熔盐罐内从而达到均匀加热熔盐罐内熔盐的目的。浸入式电加热器的布置方式和外形结构如图1所示。

图1 浸入式电加热器的布置方式和外形结构

2.2 优缺点

2.2.1 优点

浸入式电加热器是一种相对成熟的设计，主要优点如下：体积小、加热功率大；加热系统可以全自动化控制，包括通过DCS系统对电加热系统进行控制；加热温度高；可在各种场合对各种介质进行加热，如防爆场合等；使用寿命长，具有多重的保护系统，稳定可靠；检修更换比较方便。

2.2.2 缺点

该加热方法需要在罐壁底部焊接接管，大容量高温储罐罐壁底部应力大，接管焊缝位置容易产生泄漏。储罐一旦发生泄漏，整个维修成本和停运造成的损失非常大。特别是对于发电容量为50 MW、100 MW以及更大容量的太阳能熔盐热发电系统，储罐直径超过50 m，如果要保证加热均匀就要求电加热原件设计足够的长度，对加热元件的加工制造提出很大挑战。另外，由于空气中易烧坏、在罐内离散分布导致加热能量分布不均等原因，浸入式电加热器无法承担储罐预热功能，储罐需要另设预热系统，从而增加储热系统建设成本。

3 外置式电加热器

熔盐泄露是光热电站运行的最大风险，考虑到浸入式电加热器对熔盐罐罐壁强度的影响，设计工程师更青睐电加热器外置的设计方式。尤其是2016年美国的星月沙丘光热电站发生熔盐罐泄露事故后，停机处理耗时8个月，SolarReserve公司损失巨大。这种外置式电加热器再次引起人们的热议，成为优先考虑采用的一种加热方式。

3.1 原理、组成和布置方式

外置式电加热器采用一备一用配置，布置在熔盐泵平台位置。外置式熔盐电加热器原理同管式电加热器，管式加热器由本体和控制系统两部分组成，发热元件采用不锈钢钢管做保护套管，高温电阻合金丝、结晶氧化镁粉经压缩工艺成型，控制部分采用先进的数字电路，集成电路触发器、高反压可控硅等组成可调测温、恒温系统，保证了电加热器的正常运行。

外置式电加热器布置在熔盐泵的再循环管路上，这样就可以利用现有的设备来解决加热熔盐的动力问题，避免增加额外的设备，节约了投资成本。由于在机组正常运行时外置式电加热器不投入使用，因此需要在外置式电加热器外部设置电伴热。外置式电加热器的布置方式和外形结构如图2所示。

图2 外置式电加热器的布置方式和外形结构

3.2 优缺点

3.2.1 优点

外置式电加热器避免了在罐壁底部开孔，降低储罐泄漏风险，提高了运行的可靠性。运行维护方便。

3.2.2 缺点

外置式电加热器布置在熔盐泵平台上，在熔盐泵平台设计时需要充分考虑外置式电加热器的外形尺寸和荷载。熔盐加热过程中需要同步开启熔盐泵，增加了额外的离线电耗。外置式电加热器无法承担储罐预热功能，储罐需要另设预热系统，从而增加储热系统建设成本。

4 电伴热

4.1 伴热系统的形式和组成

伴热系统通常有三种形式，即电伴热、蒸汽伴热和热风伴热。通常，电伴热系统装置的成本比较低，蒸汽伴热系统装置的成本较高，而热风伴热系统装置的成本居中，因此光热电站普遍采用电伴热方式来加热设备、管道、熔盐。电伴热系统的原理比较简单，其主要采用的设备即为发热电缆，发热电缆是以电力为能源，利用合金电阻丝进行通电发热，与被保温体进行换热来达到保温的效果。

电伴热系统由电伴热线、伴热线配件、配电箱、伴热控制以及监测系统和安装附件组成。

4.2 电伴线结构组成

4.2.1 金属护套

电伴热带外护套材料一般为不锈钢或镍基材料，该材料有很好的耐腐蚀性，能抗点蚀、氯化物应力腐蚀、酸性腐蚀，可以长时间应用于高温工作环境。常规电伴热外护套材质由不锈钢304、316、321和347等，较高级别的有不锈钢310S、inconel600和inconel825等。由于大部分外护套材质均是不锈钢材质，不锈钢质量主要取决于材料本身成分及热处理工艺对性能的提升。

4.2.2 绝缘层、电阻丝和冷端线

一般采用高度压缩的氧化物为电阻丝提供绝缘，电压可到600 V，完全封闭的护套保护氧化镁避免受水汽污染，提高电伴热的可靠性。面对不同材质和规格的电阻丝，人们要根据电伴热线输出功率进行选择。非加热段的伴热带导线从高温的被伴热设备引离到外面，根据保温厚度及接线盒位置等因素确定冷端线长度。

4.3 电伴热加热系统

电伴热加热系统是将熔盐罐预热和熔盐加热合二为一的一种新型加热装置。在罐底和罐壁上布置电伴热，在机组停运时通过电伴热对熔盐进行加热。在首次注盐预热时，电伴热加热罐壁，通过储罐外部循环风机来冷却罐壁，同时加热空气，利用加热后的热空气来预热罐顶和罐底。

4.4 电伴热加热装置

电伴热加热装置包括罐底和罐壁电伴热及热电偶、循环风机、罐外风道、空气汇集管、固定式螺旋喷嘴和旋转式喷嘴等。罐底和罐壁电伴热分区布置并独立控制，每个分区内通过热电偶控制温度。在预热前，开启罐外循环风机，通过空气汇集管和喷嘴使罐内空气循环起来。然后分区域启动部分电伴热加热罐体金属，通过调整管内空气循环速度和电伴热数量来控制罐壁温升速度和不同部位温差。最终将罐体金属壁温加热到设计要求值。装置停运加热熔盐时，根据熔盐液位开启相应高度范围内电伴热来维持散热和加热熔盐。

其中，罐壁电伴热和罐底电伴热分区布置并独立控制，每个分区内通过热电偶控制温度，电伴热的布置方式如图3所示。考虑到一旦电伴热线损坏，需要拆除保温进行维修更换，为了增加系统稳定性，一般采用2×100%或者3×50%冗余配置。

图3 电伴热的布置方式

4.5 优缺点

4.5.1 优点

这种方法避免了在罐壁底部开孔，降低了储罐泄漏风险。同时，预热阶段可以用来预热熔盐罐，不需要再额外配置大功率空气加热器，有效地降低投资成本，提高了储罐预热效率和运行可靠性。循环风系统为可拆卸结构，可重复利用。另外，采用矿物绝缘电伴热线来进行管道设备的加热与伴热，具有可靠性高、设计及布置灵活等优点。

4.5.2 缺点

电伴热系统加热元器件被厚厚的保温层包裹，检修维护不方便。电伴热是从外部加热，容易导致加热不均匀，尤其是对于较大直径的熔盐罐，这一点会更加突出。

5 结论

对比以上三种不同的加热系统可知，浸入式电加热器目前应用较多，设计相对成熟，结构比较简单，加热均匀，检修维护较方便。该加热方法需要在罐壁底部焊接接管，接管部位应力大，接管焊缝位置容易产生泄漏。外置式电加热器避免了在罐壁底部开孔，降低储罐泄漏风险，提高了运行可靠性。在熔盐泵平台设计时，人们要充分考虑外置式电加热器的布置，熔盐加热过程中需要同步开启熔盐泵，增加了额外的离线电耗。电伴热的加热方式避免了在罐壁底部开孔，降低储罐泄漏风险。同时，预热阶段也无需配置大功率空气加热器，提高了储罐预热效率和运行可靠性，但是检修维护不便，它适用于尺寸较小的熔盐罐。

近年来，随着我国对环保越来越重视，新能源市场迎来了极大的发展契机，国内光热发电市场站在了快速发展的高速路上。国家能源局确定的第一批太阳能光热发电示范项目正在如火如荼地建设，部分电站已经发电投产，第二批太阳能光热发电示范项目呼之欲出。熔盐储热蓄热系统凭借其优势逐步成为太阳能光热电站的标配，所以熔盐罐的电加热系统设计和应用也越发显得重要。本文综合比较了三种不同的电加热系统，可为光热发电厂熔盐罐的电加热系统设计选型提供一定参考和借鉴。