熔盐电加热储热技术在园区供热中的应用

摘" 要：熔盐具有使用温度高、热稳定性强、高比热容和低饱和蒸汽压等优点，是优良的传热储能介质。工业园区通过大容量熔盐储能与供热/发电系统耦合，构建分布式储能-灵活供热供电系统，不仅可解决新能源电力大幅并网后的消纳问题，还为园区供热提供了新的发展方向。该文通过对某园区熔盐低碳供热示范项目分析，探究熔盐电加热、熔盐储能及蒸汽发生系统相关技术方案，为园区熔盐供热技术提供借鉴。

关键词：园区供热；熔盐电加热器；熔盐储热；传热储能介质；供热供电系统

中图分类号：TM621" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）35-0183-04

Abstract： Molten salt has the advantages of high operating temperature， strong thermal stability， high specific heat capacity and low saturated vapor pressure， and is an excellent heat transfer and energy storage medium. The industrial park couples large-capacity molten salt energy storage with the heating/power generation system to build a distributed energy-flexible heating and power supply system， which can not only solve the consumption problem of new energy power after being greatly connected to the grid， but also providea new development directionfor park heating. This paper analyzes a low-carbon molten salt heating demonstration project in a park， explores relevant technical solutions for molten salt electric heating， molten salt energy storage and steam generation systems， and provides reference for the park's molten salt heating technology.

Keywords： park heating; molten salt electric heater; molten salt heat storage; heat transfer and energy storage medium; heating and power supply system

能源活动作为我国温室气体的主要排放源，据统计2020年，排放的二氧化约占总量的86.9%[1]，电力/热力行业是我国碳排放的重要源头，是实现碳达峰、碳中和的主战场之一。截止到2023年底，全国发电装机容量29.2亿kW，非化石能源装机约15.7亿kW，占比提升至53.9%，历史性超过火电装机；其中，风电、光伏装机10.5亿kW[2]，占新增非化石装机占总新增装机的85.3%，未来比重将还处于快速提高（图1、图2）。

因风、光等可再生绿电具有间歇性和不稳定性，无法大规模并网和消纳，使得部分地区存在大量弃电现象，造成资源浪费；另一方面，受煤炭指标和污染物排放容量等限制，一些兴起或快速发展的工业园区，无法获得大量低碳的蒸汽，使得园区发展受限。熔盐具有较高的热稳定性、高比热容，耦合谷电蓄热，峰电放热发电，能够较好解决这一供热问题，还不外增排碳。本文以桐乡某园区熔盐低碳供热示范项目为契机，对熔盐电加热储热技术进行分析。

1" 熔盐电加热储热及供热机理

20世纪90年代各国开始研究以熔盐为介质的储热技术，熔盐储热和蒸汽发生系统经过光热电站实践，其技术成熟、稳定、可靠，可适用于园区储热和供热系统。基于此，形成园区熔盐电加热储热供热技术，其基本原理如下。

储能过程：在电价低谷或园区内富裕蒸汽时段，熔盐储能系统利用谷电或富裕蒸汽进行储能，同时还产生工业蒸汽供热用户使用。具体如图3所示。

供热过程：在电价高峰和尖峰时段，储能系统释放热能和电能，满足园区热/电用户的高峰用电和供热需求，具体如图4所示。

由于下游用户供热要求的不同，熔盐储能供热采用熔盐类型、系统配置又有差异[3-4]，具体见表1。

2" 熔盐电加热储热系统

图5为桐乡某园区低碳供热示范项目系统图，该项目建设规模为70 MW/343 MWht熔盐储热系统配1×6.5 MW背压式发电机，1套1 923 m3高温熔盐热罐、1套1 788 m3低温熔盐冷罐、2台冷盐泵（一用一备）、2台热盐泵（一用一备）组成，熔盐泵选用立式长轴液下泵，安装在储罐顶部，配两列多套式电加热器系统。

通过熔盐储能系统产生高压蒸汽进入背压机发电后供热和供电，并保持全天24 h连续稳定向周边用户提供32～38.5 t/h（1.0 MPa，245 ℃）低压工业蒸汽，其中熔盐储能兼供汽的时长为12 h。项目具体运行模式，见表2。

2.1" 熔盐选择

目前常用的硝酸熔盐有Solar Salt、Hitec、Hitec-XL[5]。其性能参数见表3。

由表3看出，根据用户的用热参数，可大致分为高温（大于600 ℃）、中温（350～575 ℃）、低温（100～350 ℃）和室温（小于100 ℃）四大熔盐体系，当然各体系之间无严格的温度界限。

本项目考虑示范及发电作用，选用高参数的二元盐（Solar Salt）作为储热介质，高温熔盐工作温度为560 ℃，低温熔盐工作温度为290 ℃。

2.2" 电加热器

熔盐电加热器是整个电转热的核心部件，目前熔盐电加热器主要有电阻式、电极式、电磁式等形式。受绝缘材料限制，国内当前技术比较成熟为低压系统，接入电源380 V或690 V，10 kV还处于试验研发阶段，这就造成系统的变压器和控制柜多，连接电力电缆多且大，线缆损耗大，投资高。

熔盐还还存在高温分解，除造成熔盐损失外，还产生有毒有害的气体，会对系统运行造成极大危害。而电加热器内是熔盐系统温度最高处，为最不利点。为控制温度，项目35 MW熔盐电加热系统，分成2个50% （17.5 MW）电加热器组列。单组列由前后四套独立电加热器串联，各级电功率逐步减少，分别由6、5.5、4和2 MW组成，前几级大功率加热快速升温，后几级小功率精准控温，同时最后一级还进行内部进一步细分控温。这样克服单一功率的末端难以控温，造成局部超温的弊端，保证熔盐不超温分解。

2.3" 熔盐储罐

熔盐储罐作为蓄热核心设备，一旦发生泄漏事故，因熔盐凝固，清除困难，恢复时间长。特别是高温熔盐储罐，具有大直径、液体附加压力大（熔盐密度远大于水和油品，单位面积附加载荷大）、沉降量大等特点；同时还存在①储存温度高，575 ℃左右；②基础保温及不均匀沉降要求高等特性，故其安全隐患大。据现有报道的熔盐储罐泄漏事故，罐底焊接质量、基础沉降和膨胀受限是产生熔盐储罐泄漏的关键[6-7]。

根据熔盐储罐的功能，分为低温和高温熔盐储罐，现有常用的材料特性见表4。对于低温熔盐储罐使用温度为290～400 ℃，一般选用Q345R或SA516-70作为罐体材料；高温熔盐储罐正常工作温度为565～580 ℃，一般选用S31603或SA347H作为罐体材料[8-9]。

2.4" 熔盐泵

熔盐泵作为熔盐系统的主循环泵，担负着传热介质输送及转移的功能。高温熔盐泵工作环境苛刻，输送温度高达400～600 ℃，目前主流选用API610的VS1～VS5结构的湿坑型立式悬吊泵[10-12]。

针对园区电加热储热，有别于塔式光热电站，无需将冷盐输送至超百米聚光塔，其冷盐泵仅需要克服电加热器、系统管道的阻力损失和设备高度，扬程仅为40～50 m，与启动熔盐泵的扬程相近，可通过水泵出口回流调节管和旁路管，实现系统启动，故可不设启动熔盐泵，如系统图5所示。

2.5" 蒸汽发生系统（SGS）

根据功能要求，园区供热储能电站其主要目的为供热为主，发电为辅助，系统设置预热器、蒸发器、汽包和过热器，不再设置再热器。

系统中的预热器、蒸发器、预热器均选用U形管换热器模式，由于熔盐侧的压力不高（通常在0.3～0.5 MPa（熔盐）），而汽水侧压力偏高（一般由发电及供汽要求确定，大于等于5.0 MPa），这与光热电站有较大差异，故推荐熔盐走壳程，汽水走管程，消除熔盐对汽水的渗漏，还利于设备检修熔盐的疏放[13]。

2.6" 熔盐管道及阀门系统

熔盐在低温易凝结，难以清除，为保证后期检修需要，系统中的一些阀门、管道等水平连接及卧式设备均需设置一定坡度，一般在1%左右，使熔盐依靠自重排至疏盐罐。系统上的仪表及阀门内部结构设计应尽可能消除内部凹槽，避免熔盐残留在设备内部无法清理和维修。

3" 经济性分析

园区电加热储热供汽利用峰谷电的差额实施谷电储热供汽，峰电供汽和发电，与其他供汽系统相比，成本介于燃煤与燃气供热之间（表5），与燃煤热电相比，价格还是偏高较多，差价在100元/t左右，目前优势还不是特别明显，但伴随设备的成熟和国产化，未来成本将逐步下降。

此外，园区电加热储热发电供汽还存在电网政策问题，一是容量电费问题；二是用电属性问题，属于用户侧还是发电侧，还未有明确界定政策；三是对峰电期间辅助发电上网电费还缺少相应的补贴政策。

4" 结论

熔盐储热具有储热功率高（可实现百兆瓦级），大储热时间长（单日10 h），储热参数高（达到575 ℃），效率高（大于90%）等优点，应用与园区电加热储能供热，系统具有以下特点。

1）电加热系统通过前端高功率，后端低功率的逐级下降模式，可实现对熔盐系统精确控温，降低分解的危险。

2）利用熔盐冷泵低扬程特性，通过阀门及管道回流，实现系统启动，无需设置启动熔盐泵。

3）以供热为主，蒸汽发生系统（SGS）可不设蒸汽再热系统。

未来随着电网政策的打开，熔盐电加热储热具有平衡电网和消纳绿电功能，以及环保要求提高，将为园区供汽/电开辟一条新的清洁能源发展路线。

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