熔盐槽式太阳能光热发电技术特点及发展方向_刘义达.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月配备了储热的太阳能光热发电系统可在容量允许的范围内对光热发电进行平移，使它成为一种可调度资源1。熔盐电加热器可在电网产生弃风时从电网购电，并将所产生的热量存储于光热电站的储热系统中，能够有效降低系统弃风量2。通过熔盐电加热器与光热电站联合运行的方式，系统旋转备用成本比只通过火电机组提供旋转备用的运行方式低了9 2.6 6%2。可见，灵活可控的特点使得光热发电并网既具有可再生能源效益，又具有灵活性效益。发挥运行灵活特性，可以实现光热与风电、光伏及其他能源打捆的平滑效益，提升区内消纳和打捆外送中的可再生能源消纳水平3。国家能源局于2 0 2 1年5月发布的国家能源局关于2 0 2 1年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知4 提出，对于保障性并网范围以外仍有意愿并网的项目，可通过自建、合建共享或购买服务等市场化方式落实并网条件后，由电网企业予以并网；并网条件主要包括配套新增的抽水蓄能、储热型光热发电、火电调峰、新型储能、可调节负荷等灵活调节能力。中国目前已在不同地域建成了共5 5 0M W 的不同类型的独立太阳能热发电站，2 0 2 1年又启动了吉林白城和青海格尔木共计5 0 0M W 与光伏风电互补的太阳能热发电站建设3。在中国已建成的太阳能热发电系统中，塔式技术路线占比约6 0%，槽式约2 8%，线性菲涅尔技术路线约占1 2%5。而在世界范围内已建成的太阳能热发电系统中槽式居多。本文将主要介绍熔盐槽式与导热油槽式光热发电技术路线的区别，以及熔盐槽式光热发电商业化示范的现状、问题及发展方向。1盐槽与油槽的对比槽式太阳能发电系统主要包括导热油槽式太阳能收稿日期：2022-11-03基金项目：国家电力投资集团山东电力工程咨询院有限公司科技项目（37-K2019-025）第一作者简介：刘义达，1987年生，男，山东聊城人，硕士，高级工程师，主要从事能源与电力规划设计、太阳能热发电、多能耦合、产业数字化等研究。熔盐槽式太阳能光热发电技术特点及发展方向刘义达，李官鹏，祁金胜（国家电力投资集团山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南2 5 0 0 1 3）摘要：储热型光热电站能够与风电、光伏等波动的可再生能源耦合，产生稳定的电力。通过与熔盐电加热器结合，熔盐槽式光热电站可双向接入电网，是电网友好型的灵活性电源。为探索采用可再生能源消纳可再生能源的路径，总结分析了熔盐槽式太阳能光热技术路线的国内外示范回路进展、存在问题、发展方向和典型设计。大开口集热器和高温集热管是熔盐槽式光热发电技术路线的关键设备。通过熔盐槽式与导热油槽式光热发电的对比发现，熔盐槽式光热发电的熔盐用量少、储能系统投资低，更适合作为储热型光热电站，且更适合应用于生态脆弱地区。熔盐槽式电站的典型设计可供今后建设储热型光热电站借鉴。关键词：储热型光热电站；熔盐槽式；示范回路；槽式集热器；防凝中图分类号：T M 6 1 5文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 5Characteristics and Development Direction of Molten Salt Trough CSP TechnologyLIU Yida,LI Guanpeng,QI Jinsheng(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,State Power Investment Corporation,Jinan 250013,Shandong,China)Abstract:Concentrating solar power(CSP)with thermal storage(TS)could produce stable electric power coupled with fluctuatingrenewable energy such as wind power and photovoltaic power.Combined with electric heater for molten salt,molten salt troughCSP with TS could connect to the power grid in two directions,which is a grid-friendly flexible power supply.In order to explorethe path of adopting renewable energy to accommodate renewable energy,the progress of domestic and foreign demonstration loop,existing problems,development direction and typical design of molten salt trough technical route were summarized and analyzed.Large aperture parabolic trough and high temperature trough receiver tube are key equipment for the molten salt trough technologyroute.Comparing with heat transfer oil trough,the molten salt trough is more suitable to work as CSP with TS by reason of lessconsumption of the molten salt and low investment of the energy storage system.Besides,the molten salt trough is more suitablefor application in ecologically fragile areas.The typical design of the molten salt trough power station can be used for reference inthe future construction of CSP with TS.Key words:CSP with TS;molten salt trough;demonstration loop;trough collector;freeze protection（总第2 1 0期）本刊特稿1 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0282 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月发电系统和熔盐槽式太阳能发电系统，它们的主要区别在于传热介质分别采用导热油和熔盐。苯基导热油的最高使用温度通常不超过4 0 0，决定了经过蒸汽发生系统后产生的主蒸汽温度为3 8 1，因此采用中温高压汽轮机，热效率约为3 8%；而熔盐的最高使用温度可达5 6 5，因此当传热、储热介质均采用熔盐时，可将主蒸汽参数提升至约5 4 0，汽机热效率可提升至4 5%，明显提升槽式太阳能热发电技术的光热转化效率6。另外，油槽熔盐储热温差9 0（3 8 0与2 9 0之差），盐槽熔盐储热温差2 6 0（5 5 0与2 9 0之差）。同样容量的储罐和熔盐，盐槽储热约为油槽储热的2.8 8倍（2 6 0除以9 0）；反之，要储存等量的热能，盐槽储热系统容量仅为油槽熔盐储热系统容量的3 5%（9 0除以2 6 0），因此，盐槽比油槽具有更大的储热空间或更少的储能系统投资，更适合作为储热型光热电站。2熔盐槽式发电系统2.1系统简述熔盐槽式光热发电技术是具有较大发展空间而相对小众的一种光热发电技术，工作原理是借助槽形抛物面聚光镜将太阳光聚焦反射到集热管上，集热管内使用的传热流体是熔盐，通过熔盐将收集的能量传递到蒸汽发生系统，蒸汽发生系统将蒸汽送入蒸汽轮机发电。在没有阳光的情况下，储存在熔盐系统中的热量可以保证若干小时的汽轮发电机组发电。典型设计参数为：集热管出口熔盐温度5 5 0，汽轮机进口蒸汽温度5 3 5，如图1所示7。图 1 熔盐槽式太阳能发电系统图2.2示范回路进展2 0 1 3年，意大利阿基米德太阳能公司和日本C h iy o d a公司联合建设的意大利M a s s aM a rta n a6 0 0m 槽式熔盐光热示范回路投运，设5h熔盐储热，其三维模型如图2所示8。这是世界上第一个采用熔盐槽式技术路线的试验回路，当地年D N I（D ire c tN o rm a lIrra d ia n c e，直接辐射）值为19 3 6k W h/m2，镜场采光面积3 18 6 0m2，共9个回路，每个回路有6个集热阵列，单个集热阵列的长度为1 0 0m，单个集热阵列的开口面积为5 9 0m2，共产生约1 2.5M Wt的蒸汽，与燃烧天然气产生的蒸汽耦合，接入一台1 3 0M We额定功率的蒸汽轮机发电，其中，太阳能集热场的电功率贡献计算值约为4.7 2M We。图 2 意大利试验回路三维模型示意图2 0 1 6年，世界上首个独立运行的高温熔盐槽式太阳能发电示范回路在甘肃阿克塞戈壁正式并网发电。当地年D N I值为20 5 6.5k W h/m2，镜场面积50 0 0m2，1个回路，集热回路长度8 0 0m，配置1 5h熔盐储热（熔盐1 2 0t），装机容量2 0 0k We。作为欧盟埃及太阳能技术合作项目M A T S（M u ltip u r-p o s eA p p lic a tio nb yT h e rm o d y n a m icS o la r，热力太阳能的多用途应用）的一部分，2 0 1 8年，北非建设了1M We的试验回路，镜场面积1 01 7 3m2，共3个回路，每个回路有6个集热阵列，单个集热阵列的长度为1 0 0m，单个集热阵列的开口面积为5 6 5m2，产生5.5M P a，4 6 0的蒸汽。为解决疏盐问题，该试验回路的熔盐罐采用地下布置，如图3所示9。图 3 地下布置的熔盐罐图2.3冻堵与防凝熔盐槽式太阳能光热发电技术是相对小众的一种光热发电技术，国内外学术研究较多，且已建成多个小规模的示范回路，但由于熔盐的冻堵和防凝问题暂未得到更好的解决，暂未大规模产业化推广。冻堵原因一般是排盐过程中熔盐没有回流干净，堆积在管道低位处或弯头处等阻力较大的地方，最终导致管道堵塞1 0。为了保证夜间集热管内的传热介质不因温度逐渐下降而凝固，应采取有效的防凝保温措施。牛东圣等1 1 研究认为，夜间循环工况在能确保熔盐在回路出口处太阳能集热场550 550 热熔盐罐535 290 辅助加热器蒸汽发生器蒸汽轮机冷熔盐罐发电机凝汽器空冷器太阳能集热管太阳能集热器熔盐泵热熔盐罐熔盐泵空冷器冷熔盐罐290 550 2 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 4 各类槽的开发年份及截面尺寸图的温度高于其凝固点一定范围的安全前提下，选取较低的回路入口温度是经济合理的做法。王慧富等1 2 认为，当采用低熔点熔盐时，镜场回路设计进口温度可降低到2 0 0；高温熔盐槽式电站的集热系统，应尽量选择使用开口宽度较大、聚光比较高的集热器。与熔盐槽式太阳能光热发电技术类似，熔盐线性菲涅尔式光热电站也属于线聚焦技术，也存在熔盐防凝问题，但2 0 1 9年1 2月，兰州大成敦煌熔盐线性菲涅尔式5 0M We光热发电项目成功并网发电，集热系统、储热系统、换热系统和发电机组运行状态良好，参数平稳，成为国际上第一个商业化开发的熔盐线性菲涅尔式光热电站1 3。熔盐线性菲涅尔光热电站采用了压缩空气辅助排盐技术1 4，可减少集热管内的熔盐残留，为熔盐槽式光热电站的规模化应用积累了经验。3熔盐槽式集热器的发展方向槽式集热器的开发至少有几十年的