光熱電站儲熱系統熔鹽量設計優化及工程應用

孫云昊

（上海電氣集團股份有限公司電站分公司，上海201100）

1 引言

近年來，光熱發電作為一種清潔的太陽能利用技術，在國內外逐步推廣使用。由于太陽能存在波動較大的特點，為了維持電力輸出穩定，需要儲熱技術的支撐[1]。光熱發電中儲熱系統的投資成本一般占全廠投資的15%～25%[2]。如果能通過設計優化，降低儲熱系統熔鹽的消耗量，將對降低光熱電站的建設成本發揮積極的作用。

2 優化原理分析

根據工作介質的不同及其在熱力循環中所發揮功能的不同，可以將光熱電站劃分為以下子系統：集熱系統、儲熱系統、蒸汽發生系統、汽水循環系統等。

對于儲熱系統，可認為熔鹽在比熱容恒定，對于有固定儲熱量的儲熱系統，所需要的熔鹽的質量為：

式中，Q為熔鹽儲熱或放熱過程中吸收或放出的熱量；c為熔鹽的比熱容；m為熔鹽的質量；T1為熱熔鹽的溫度；T2為冷熔鹽的溫度。

儲熱系統的儲熱量一般為設計時的輸入值，在設計優化過程需要保持儲熱量不變。因此，為了降低熔鹽的耗量，需要增大冷熱熔鹽的工作溫差，所以，可得到如下優化方向：（1）增大熱熔鹽溫度T1。熱熔鹽的溫度主要由熔鹽集熱系統的設計決定，因此，需要優化熔鹽集熱系統來獲得合理的熱熔鹽設計溫度。（2）減小冷熔鹽的溫度T2。儲熱系統冷熔鹽的溫度由蒸汽發生器系統（Steam Generation System，以下簡稱SGS）的設計決定，熱熔鹽的溫度確定時，冷熔鹽的溫度主要由SGS系統的冷端給水溫度及冷端溫度端差決定。即:

式中，t1為SGS系統的給水溫度；TTDcold為SGS系統的冷端溫度端差。

為了減小T2，一方面可以降低SGS給水溫度；另一方面需要減小SGS系統的冷端端差。

3 優化方法分析

針對以上提出的優化方向，可將優化過程分解為以下基本流程，如圖1所示。

圖1儲熱系統熔鹽量優化的基本流程

以下將針對每項工作的具體優化方法做進一步的分析。

3.1 優化集熱系統，提高熱熔鹽溫度T1的方法分析

對于塔式光熱電廠，可以通過改進熔鹽吸熱器（Molten Salt Receiver，MSR）的設計提高其出口熱熔鹽的溫度。但是由于受到熔鹽物理性質的限制，熔鹽在升高到一定溫度時物理性質不再穩定，容易發生分解。對于工程中普遍使用的二元鹽，MSR出口的熱熔鹽設計溫度通常不高于565℃。

3.2 優化汽水系統，降低給水溫度t1方法分析

對于汽水系統，可以在汽水系統熱力設計階段減少抽汽回熱量，達到降低給水溫度的目的，但這會導致汽水循環效率的降低。為了避免汽水循環效率過低，可采取措施彌補給水溫度降低帶來的不利影響，如提高蒸汽的設計溫度；降低管道的設計壓降值；降低汽輪機的設計排汽背壓等。在進行優化時，以上2個方面的措施需要取得平衡，以不降低系統的效率為平衡點。

3.3 優化SGS系統，減小冷端溫度端差TTDcold的方法分析

對于SGS系統，在全廠的熱力系統設計階段，通過提升SGS出口的設計蒸汽參數，可以減小SGS的熱端端差，這與3.2中采用的措施是一致的。但提高蒸汽參數會導致SGS系統換熱器面積的增大，同時也會導致SGS的冷端端差減小。但這會增加SGS系統的投資，因此，需要結合設計經驗選擇經濟性的熱端端差。通常對于SGS中廣泛采用的管殼式換熱器，其經濟性的熱端端差取5～10℃。此外，SGS蒸發器的夾點溫度的設置，也會影響SGS冷端的熔鹽出口溫度，可以在優化中選取合理的夾點溫度，通常經濟性的夾點溫度取2～5℃。

通過以上分析可知，通過調整各個子系統的設計，可以得到更加優化的邊界條件，進而可以在保證全廠熱效率不變的情況下，達到提高熔鹽溫差的目的，從而降低熔鹽的使用量。

4 優化方案的工程應用

DEWA四期700MW太陽能光熱項目位于阿聯酋迪拜，該項目包含1×100MW的塔式光熱電站與3×200MW的槽式光熱電站。對塔式機組，其設計凈出力為100MW，儲熱系統的設計儲熱量為3 588MW·t·h。此項目的設計優化按照圖1所示的流程，從以下幾個方面展開。

4.1 初始全廠熱平衡圖的評估及優化方法的提出

此項目中使用的熔鹽儲熱介質為二元鹽（40% KNO3：60%NaNO3），其比熱容為1517kJ/（kg·℃）。初始全廠熱平衡圖如2所示。

圖2 DEWA項目塔式機組初始全廠熱平衡圖

與熔鹽耗量優化相關的設計參數如表1所示。

表1初始方案主要設計參數

根據式（1）及表1可得到本項目需要配備的有效儲熱熔鹽量m1為:

分析初始的設計參數，可以看出熱熔鹽的設計運行溫度T1接近熔鹽的最高允許運行溫度，繼續提高熱熔鹽罐的設計運行溫度已經十分困難；SGS過熱器及再熱器出口熱端端差較大，可以進行優化；給水溫度通過優化汽水系統的設計，存在降低的可能。因此，在后續的優化中，將重點針對SGS系統及汽水系統進行設計優化。

4.2 蒸汽發生系統的設計優化

從表1可以看出，過熱器及再熱器的熱端端差均較高，分別達到了12.5℃和12.8℃。而對SGS系統通常采用的管殼式換熱器而言，其經濟性的熱端端差通常為5～10℃，因此，可以通過提高過熱、再熱蒸汽的設計溫度來減小熱端端差。在初步的優化中，選取過熱器的目標熱端端差為7℃，因此，調整過熱器及再熱器出口的目標設計溫度為558℃。

初始熱平衡中蒸發器夾點溫度端差為5℃，在設計中，可以通過降低蒸發器出口熔鹽設計溫度達到減小夾點端差的目的。由于管殼式熔鹽發生器，而其經濟性的夾點端差為2～5℃，在優化中，選取蒸發器的夾點端差為3℃。

4.3 汽水系統的設計優化

本項目的汽水系統初始的熱力系統圖及設計邊界條件如表2所示，汽水循環熱效率為46.39%。

表2汽水系統的初始設計邊界條件

汽水系統的設計優化，在降低給水設計溫度時，為了維持系統的熱效率，需要在設計優化中改善其余的邊界條件。

通過4.2節的優化，使過熱、再熱蒸汽參數得以提高，汽輪機入口蒸汽溫度提高到557℃，蒸汽參數的提高，為降低給水溫度、保證汽水系統的效率值保留了調整的空間。影響汽水系統效率的一個重要邊界條件為汽輪機的排汽背壓。在冷端優化中，將汽輪機的設計排汽背壓由10.5kPa調整為10kPa。排汽背壓的改善，將給降低給水溫度進一步保留了調整的空間。對于其余的邊界條件，初始設計中的設定值可優化的余量已經不大，因此，本次優化中，不再進一步的調整。

經過優化，重新生成汽水系統的熱力系統圖。在給水溫度降低為230℃時，汽水系統的效率值為46.54%，優于初始值。優化后汽水系統的設計邊界條件如表3所示。

表3優化后汽水系統的設計邊界條件

4.4 優化后的結果分析

通過設計參數調整，重新進行全廠熱力系統圖的計算，得到優化后的全廠熱平衡圖如圖3所示。優化后的與熔鹽量相關的設計參數如表4所示。

圖3 Dewa項目塔式機組優化后的全廠熱平衡圖

表4優化后方案主要設計參數

根據式（1）及表4及可得優化后儲熱系統所需的熔鹽量m1*為:

通過對熱力系統參數的初步設計優化，儲熱系統熔鹽量可由32 724t減少到31 396t，減少熔鹽消耗1 328t，按照現階段二元熔鹽價格約5 000元/t計算，減少熔鹽投資664萬元，占初始熔鹽投資的4.06%。與此同時，全廠的熱效率也可得到改善。

5 結語

光熱電站熔鹽量的設計優化需要在保證機組熱效率的前提下，合理地調整各子系統的設計邊界條件。各子系統的設計優化，要結合工程經驗，選取經濟性的設計參數，最終達到增大熔鹽的設計運行溫差的目的，從而降低熔的鹽耗量，降低項目的投資成本。