儲能供熱熔鹽換熱器設計及運行特性分析

陳睿哲，熊亞選*，張慧，冷光輝，王慧慧

（1.北京建筑大學供熱供燃氣通風及空調工程北京市重點實驗室，北京100044；2.河南東大高溫節能材料有限公司，河南鶴壁458030）

0 引言

隨著我國經濟和社會的飛速發展，能源短缺和環境污染問題日益嚴重。為降低單位國內生產總值能耗和污染物排放，國家大力推進節能減排政策。高溫熔鹽儲熱是當前解決能源問題最有效的途徑之一，為解決可再生能源的間歇性、電能利用峰谷問題提供了新的途徑［1］。儲能設備是高溫熔鹽儲熱的重要設備，開發新型“谷電”儲能設備已成為高溫熔鹽儲熱領域的重要研究方向。吳玉庭等［2-4］對熔鹽作為高溫儲熱材料的熱物性進行了相關的研究；杜志強等［5］的研究表明，將熔鹽用作電力領域儲能材料能夠有效降低用電高峰期的成本，同時還能提高“谷電”的利用率。

針對熔鹽儲能技術，學者們進行了大量的研究。岳松等［6］對熔鹽儲熱技術在光熱發電領域的應用進行了分析，分析結果表明，當儲熱容量相同時，槽式光熱電站的熔鹽儲熱成本是塔式光熱電站的3倍，塔式光熱電站比槽式光熱電站的熔鹽利用率高。汪琦等［7］將熔鹽蓄熱儲能技術應用于光熱發電，使得太陽能熱發電站實現全天持續發電，降低了太陽能熱發電站的投資成本。何軍［8］對熔鹽儲熱儲能循環系統進行了分析，并且對光熱發電站中熔鹽貯罐的設計進行了研究，得出采用熔鹽蓄熱儲能循環技術可以提升系統運行的可控性、具有更高經濟效益的結論。吳玉庭等［4］對低谷電加熱熔鹽蓄熱工程實例進行分析，并與其他類型儲熱系統進行對比，結果表明，熔鹽蓄熱供熱系統經濟效益可觀，環保效益顯著。邢有凱［9］對我國熔鹽儲能供暖進行了調研和核算，結果表明，熔鹽儲能技術可以提升電網電能的使用率，有效節約能源，同時還能減少環境污染。熔鹽儲能技術不僅可以應用于聚光太陽能熱發電和供熱領域，同時還能應用于核電站、燃煤熱力發電站、垃圾焚燒發電站、廢水處理站等領域。

文獻綜述表明，盡管學者們對熔鹽儲能技術中熔鹽利用率和實際工程中的應用做了大量的研究和分析，但對熔鹽儲能技術的設備研究較少，尤其是未對熔鹽-水換熱器的結構和設計參數對熔鹽儲熱性能的影響進行研究。換熱器的設計及優化可有效降低成本，對熔鹽儲熱設備的運行效率起著決定性的作用。采用熔鹽作為工質形成高溫熔鹽換熱系統，在能源利用領域和供熱領域都有很好的發展前景。本文借助HTRI 軟件，對谷電熔鹽儲熱-供熱系統中的熔鹽-水換熱器進行結構和額定工況設計，進而對換熱器在變工況下的換熱性能進行分析研究，希望能為熔鹽儲能技術的深入應用提供基礎。

1 應用背景與工藝條件

1.1 應用背景

文獻［10］的Solar Two 聚熱太陽能發電站在選擇熔鹽-水換熱器時，考慮蒸發器設計、實際運行經驗以及價格等因素后，最終選擇了ABB 公司的釜式蒸發器結構，但在運行時發生了嚴重的凍管事件。Zavoico［11］提出可采用3個管殼式換熱器加汽包的方式代替釜式蒸發器，Kelly［12］也提出將該方式的換熱系統用于超臨界蒸汽發生器。雖然換熱器設計已經相對成熟，但是在實際應用中還需要考慮設備維護、介質特性和換熱系統特性等方面；尤其是熔鹽-水換熱器的設計，要考慮水在蒸發器內結垢、熔鹽進出口溫差過大而產生的應力等問題：因此，需要對換熱器參數、工藝條件以及傳熱特性進行選擇和設計。

本文針對谷電熔鹽儲熱系統在供熱領域的應用背景，設計基于兆瓦級供熱能力的熔鹽-水換熱器。

1.2 換熱器選型

1.2.1 換熱器形式的確定

間壁式換熱器是目前應用最為廣泛的換熱器，主要分為套管式換熱器、管殼式換熱器、板式換熱器、肋片管式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板式換熱器等，其中，管殼式熱交換器結構堅固、適應性強、處理能力強，能夠承受高溫、高壓。

結合熔鹽高溫換熱的實際情況，本文選擇管殼式換熱器進行設計。

當管殼式換熱器內2 種流體溫差較大時，換熱器內會產生很大的熱應力，導致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫，故常采取適當的補償措施來消除或減少熱應力。根據所采用的補償措施，管殼式換熱器主要分為固定管板式換熱器、U 型管換熱器和浮頭式換熱器。固定管板式換熱器只適用于冷熱流體溫差較小、殼程不需清洗的換熱操作；U型管換熱器能做到完全消除熱應力，但管程不易清洗；浮頭式換熱器不僅能夠完全消除熱應力而且便于清洗和檢修。

考慮熔鹽-水換熱器2種流體溫差較大、熔鹽具有一定的腐蝕性以及水易結垢等因素，本設計方案選擇浮頭式換熱器。

1.2.2 換熱器殼體和封頭形式的確定

管殼式換熱器通常可拆分為前封頭、殼體、后封頭，不同結構的部件用不同的英文字母表示，故換熱器可以用3個字母來表示，如BES等。

為提高換熱效果，本設計方案選擇B 型封頭管箱作為前封頭，S型鉤圈式浮頭作為后封頭。E型殼體為單程殼體，適用于所有情況且換熱效果比較好，設計中一般優先選擇，因此選用E型殼體。

1.3 工藝條件

為提高熔鹽與水之間的換熱溫差、減少換熱面積，本設計方案設置熔鹽與水呈逆流換熱，如圖1所示。熔鹽-水換熱器的設計工況參數見表1。

1.4 設計與校核計算

1.4.1 設計計算

換熱器的換熱負荷Q（W）計算公式為

式中：cp1為熱介質的比熱容，kJ∕(kg·℃)；cp2為冷介質的比熱容，kJ∕(kg·℃)；qV1為熱介質的流量，m3∕h；qV2為冷介質的流量，m3∕h；ρ1為熱介質的密度，kg∕m3；ρ2為冷介質的密度，kg∕m3；t1i為熱介質的進口溫度，℃；t1o為熱介質的出口溫度，℃；t2i為冷介質的進口溫度，℃；t2o為冷介質的出口溫度，℃。

圖1 熔鹽-水換熱器流體布置Fig.1 Configuration of a molten salt-water heat exchanger

表1 熔鹽-水換熱器設計工況參數Tab.1 Parameters of the molten salt-water heat exchanger under the design condition

換熱器的有效平均溫差Δtem（℃）計算公式為

式中：Δtm為沒有Delta 和熱損失修正時的平均溫度差，℃；cΔ為對由于泄漏和旁路流引起的溫度分布偏差的修正；cF∕G∕H為F∕G∕H 修正，即殼程為F，G，H 形式時，對通過縱向隔板發生熱損失的修正。

換熱器對數平均溫差Δtlm（℃）計算公式為

當熱介質的進出口溫差與冷介質進出口溫差相等時，采用算術平均溫差

換熱器的換熱面積A（m2）通過設計時輸入的尺寸參數進行計算

式中：n為管數；D為管直徑，m；L為管長，m。

1.4.2 校核計算

需求傳熱系數Kreq（W∕(m2·℃)）計算公式為

換熱器的實際傳熱系數Kact（W∕(m2·℃)）是指以計算的傳熱系數和給定的結垢熱阻為基準的總傳熱系數，計算公式為

式中：hs為殼側換熱系數，W∕(m2·℃)；ht為管側換熱系數，W∕(m2·K)；Di為換熱圓管內直徑，m；λi為換熱圓管材料的導熱系數，W∕(m·℃)；Do為換熱管外直徑，m；Rs，i為熔鹽污垢熱阻，(m2·℃)∕W；Rs，o為水垢熱阻，(m2·℃)∕W。

換熱器的面積設計余量dA計算公式為

1.5 設計與校核方案

1.5.1 換熱器設計

管殼式換熱器的計算選用HTRI 軟件的Xist 模塊。HTRI對管殼式換熱器的設計有Design，Rating，Simulation 模式，將相關參數輸入，即可對換熱器進行設計、核算與模擬。

（1）安裝方向的確定。換熱器的安裝有臥式、立式和傾斜（傾斜角度為1°～20°）3 種形式，其中臥式和傾斜安裝方式適用于所有殼體類型，立式適用于TEMA-E 型。J，X 型殼體要求殼程流體為單相，F，G，H型殼體要求兩側流體均為單相，K型殼體不允許采用立式。傾斜安裝方式適用于所有殼體，但當管內為介質冷凝時必須采用單管程且殼程為單相流體。因此，考慮設計產品的用途與經濟性，本設計方案的換熱器均采用立式安裝方式。

（2）流體位置的確定。由于熔鹽的對流換熱系數大于水流的換熱系數，考慮到經濟效益，應使高溫流體走管程，流量小的流體走殼程。可通過增加折流板使流量小的流體在殼程形成湍流，增強傳熱，減小換熱面積，降低殼程材料厚度，從而減小質量。因此，本設計方案中熔鹽走管側，水走殼側。

（3）結構尺寸與材料的確定。本設計方案中的換熱器長1.5 m，換熱器所用材質為S30409。根據GB∕T 151—2014《熱交換器》［13］設計換熱器的相關參數，殼的外徑為380.0 mm，厚度為10.0 mm，換熱管的外徑為10.0 mm，壁厚為1.0 mm，管間距為12.5 mm。由于換熱管排布方式為30°時比其他布管方式多排15%的管子，能夠有效增大換熱面積，故選擇30°布管方式。折流板選擇單弓形折流板。

（4）介質的物性參數。本設計方案中水的物性參數從HTRI 軟件的物性庫中選取。熔鹽為二元硝酸鹽（ω（KNO3）=60%：ω（NaNO3）=40%），其物性參數參考《太陽能熱發電技術》［14］。部分物性參數見表2。

表2 熔鹽-水換熱器部分物性參數Tab.2 Partial physical parameters of the molten salt-water heat exchanger

1.5.2 換熱器校核

根據模擬計算的結果，對所得接管口尺寸等非標準尺寸進行圓整。依據HTRI 設計手冊［15］與《熱交換器原理與設計》［16］中的浮頭式換熱器主要參數對初步計算的換熱器結構數據進行取整，使其符合制造尺寸。圓整后的結構尺寸見表3。

表3 熔鹽-水換熱器設計尺寸Tab.3 Design dimensions of the molten salt-water heat exchanger

根據以上設計參數重新進行模擬計算并檢驗，所得設計進口水流速約為1.63 m∕s，符合要求。

2 結果分析

2.1 換熱器設計結果

根據額定工況適當改變工況參數后，利用HTRI軟件模擬得到的熔鹽-水換熱器最終參數見表4。

表4 熔鹽-水換熱器參數Tab.4 Parameters of the molten salt-water heat exchanger

2.2 變負荷工況下換熱器的運行特性

2.2.1 水流量變化的影響

如圖2—3 所示，在水、熔鹽進口溫度和熔鹽流量一定的情況下，換熱器熱負荷、熔鹽出口溫度、有效平均溫差與水流量均呈線性。圖2 中，當水流量從0.45 kg∕s 增加到0.70 kg∕s 時，由于用熱負荷的增加，換熱器熱負荷增加約0.43 MW。圖3中，熔鹽出口溫度因為用熱負荷的增加而逐漸減小，水流量在0.45～0.70 kg∕s范圍內時，熔鹽出口溫度降低約90.0 ℃。隨著水流量的增大，熔鹽出口溫度大幅降低，由于水蒸氣溫度變化不大，故換熱器一側流體溫差減小，另一側溫差幾乎不變，導致逆流換熱有效平均溫差減小，水流量在0.45～0.70 kg∕s范圍內時，有效平均溫差減少約72.0 ℃。隨著水流量的增加，水蒸氣出口溫度降低。由于水汽化時的傳熱屬于相變傳熱，水蒸氣出口溫度變化不大，在試驗水流量范圍內僅有0.05 ℃的變化。

水流量不同會使計算的傳熱系數與面積設計余量發生變化，換熱器傳熱系數隨水流量變化規律如圖3 所示。由圖3 可見：隨著水流量的增加，由于熱負荷呈線性增長，而有效平均溫差減小且減小幅度逐漸增大，故傳熱系數近似呈指數級增長；水流量從0.45 kg∕s 增加到0.70 kg∕s，傳熱系數增加約141%。面積設計余量變化規律如圖4 所示，隨著水流量的增加，因傳熱系數增長幅度越來越大，故面積設計余量逐漸減小，且單位水流量增量下面積設計余量的減小量逐漸減小。

2.2.2 熔鹽流量變化的影響

如圖5所示，在水、熔鹽進口溫度與水流量一定的情況下，熔鹽出口溫度隨熔鹽流量的增加而增加，且單位熔鹽流量增量下熔鹽出口溫度的增量逐漸減小。熔鹽流量增加導致傳熱時間縮短，故換熱器熔鹽出口溫度降低，熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，熔鹽出口溫度上升約133.0 ℃。隨著熔鹽流量的增加，水蒸氣出口溫度變化不明顯。由于該傳熱過程屬于相變傳熱，需要吸收大量的熱量，因此水蒸氣出口溫度變化不明顯。

圖2 水流量與換熱器熱負荷、傳熱系數的關系Fig.2 Relationship between water flow，heating load and heat transfer coefficient of the exchanger

圖3 水流量與熔鹽出口溫度、有效平均溫差、水蒸氣出口溫度的關系Fig.3 Relationship between water flow，molten salt temperature at outlet，effective average temperature difference，steam temperature at outlet

圖4 水流量與面積設計余量的關系Fig.4 Relationship between water flow rate and margin of heating area

圖5 熔鹽流量與熔鹽出口溫度、水蒸氣出口溫度、有效平均溫差的關系Fig.5 Relationship between molten salt flow，molten salt temperature at outlet，steam temperature at outlet and effective average temperature difference

由圖5可以看出：隨著熔鹽流量的增加，有效平均溫差逐漸增大，由于熔鹽出口溫度大幅增加，而水蒸氣溫度變化卻很小，故換熱器一側流體溫差增大，另一側流體溫差幾乎不變，導致逆流換熱有效平均溫差增加；單位熔鹽流量增量下，由于熔鹽出口溫度增量減小，故有效平均溫差的增量逐漸減小；熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，有效平均溫差增大約105.0 ℃。由圖6 可以看出：隨著熔鹽流量的增加，傳熱系數逐漸減小，由于熱負荷幾乎不變，而有效平均溫差增加且增加量逐漸減小，故傳熱系數呈指數級下降；熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，傳熱系數減小約47%；隨著熔鹽流量的增加，面積設計余量逐漸增大，由于傳熱系數減小量逐漸減少，故面積設計余量增大且單位熔鹽流量增量下面積設計余量增量逐漸減小。

圖6 熔鹽流量與傳熱系數、面積設計余量的關系Fig.6 Relationship between molten salt flow and margin of heating area

從上述分析可以看出，設計換熱器的額定換熱負荷能夠滿足兆瓦級換熱負荷的需要，其動態換熱特性符合管殼式換熱器動態換熱規律，設計選型能夠滿足工業蒸汽換熱的要求。

3 結論

本文借助HTRI 軟件對熔鹽-水換熱器的結構和設計參數進行研究與分析，得出以下結論。

（1）選擇二元硝酸鹽和水作為介質，確定熔鹽-水換熱器為浮頭式換熱器，封頭與殼體形式為BES型；換熱器選擇立式安裝方式，水走殼側，換熱管選擇30°布管方式。利用HTRI 軟件進行模擬校核后，得到的換熱器符合要求，熔鹽-水換熱器的最大換熱功率超過1.00 MW。

（2）在水、熔鹽進口溫度和熔鹽流量一定的情況下，換熱器熱負荷、熔鹽出口溫度、有效平均溫差與水流量均呈線性關系。當水流量從0.45 kg∕s 增加到0.70 kg∕s 時，熱負荷增加約0.43 MW，熔鹽出口溫度降低約90.0 ℃，有效平均溫差減少約72.0℃，面積設計余量逐漸減小，傳熱系數呈指數級增長，增加約141%，水蒸氣出口溫度減小量不大，在試驗水流量范圍內僅有0.05 ℃的變化。

（3）在水、熔鹽進口溫度與水流量一定的情況下，隨著熔鹽流量從2.60 kg∕s 增加到5.20 kg∕s，熔鹽出口溫度升高約133.0 ℃，有效平均溫差增大約105.0 ℃，水蒸氣出口溫度變化很小，面積設計余量逐漸增大，傳熱系數呈指數級下降，減小約47%。