摘要：本文以青海省某高溫熔鹽光熱電站為研究對(duì)象，研究高溫熔鹽光熱電站儲(chǔ)熱效率與傳熱性能。本文通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)施優(yōu)化方案，延長(zhǎng)了熔鹽和換熱器使用壽命，降低了局部熱損失，提升了傳熱效率。研究結(jié)果表明，優(yōu)化方案使該項(xiàng)目整體儲(chǔ)熱效率與傳熱性能獲得了大幅提升，其中，優(yōu)化后換熱器的傳熱效率提升了8%，熔鹽流速提升了約15%，系統(tǒng)壓力損失降低了12%，換熱器的使用壽命預(yù)計(jì)延長(zhǎng)5年以上，傳熱效率提升了約10%，整體優(yōu)化效果良好，研究成果具有一定的推廣意義。

高溫熔鹽光熱發(fā)電作為一種新興的綠色能源發(fā)電技術(shù)，近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注，其主要通過(guò)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能并儲(chǔ)存在熔鹽中，再利用這部分熱能發(fā)電，具備良好的能源轉(zhuǎn)換效率和儲(chǔ)能能力。然而，由于高溫熔鹽的特性，其在材料選擇、儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及長(zhǎng)期運(yùn)行中的熱穩(wěn)定性等方面仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

1工程概況

青海省某高溫熔鹽光熱電站是國(guó)內(nèi)首批商業(yè)化運(yùn)行的光熱發(fā)電項(xiàng)目之一，總裝機(jī)容量50MW，位于高原，年均日照時(shí)間超過(guò)3000h，年太陽(yáng)能總輻射量約為6500MJ/㎡。該電站采用雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)熱介質(zhì)為硝酸鈉和硝酸鉀的二元熔鹽，儲(chǔ)熱容量為2000MWh，可以滿足無(wú)陽(yáng)光條件下連續(xù)發(fā)電8h需求。熔鹽操作溫度為290~565℃，儲(chǔ)熱罐容積為17500m3，具備多層絕熱設(shè)計(jì)以減少熱損失，外壁溫度維持在50℃以下。傳熱系統(tǒng)配有多臺(tái)高效換熱器，采用316L不銹鋼材料，循環(huán)流量600t/h，傳熱效率達(dá)92%，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

2高溫熔鹽光熱電站儲(chǔ)熱效率分析

青海省某高溫熔鹽光熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)是電站能量平衡和穩(wěn)定發(fā)電的核心環(huán)節(jié)，其儲(chǔ)熱效率直接影響電站的整體發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益。儲(chǔ)熱效率通常通過(guò)對(duì)比儲(chǔ)熱過(guò)程中輸入與輸出的熱量來(lái)評(píng)估。

圖1青海省某高溫熔鹽光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)架構(gòu)

儲(chǔ)熱系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

2.1儲(chǔ)熱效率測(cè)算

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，電站日均收集太陽(yáng)能4500MWh，其中4000MWh被有效儲(chǔ)存，儲(chǔ)熱效率達(dá)88.9%。在8h滿負(fù)荷發(fā)電下，系統(tǒng)可提供約1800MWh的熱量，足以支持50MW發(fā)電裝置運(yùn)行，表現(xiàn)理想。

2.2儲(chǔ)熱效率影響因素

第一，熱損失問(wèn)題：雖然儲(chǔ)熱罐采用了高效隔熱層，但由于儲(chǔ)熱罐罐體較大，仍然會(huì)有一定的熱損失。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)熱罐在夜間的熱損失率約為3.5%，這意味著每天約有70MWh的熱量通過(guò)儲(chǔ)熱罐外壁散失。這種熱損失雖然在可接受范圍內(nèi)，但長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)整體儲(chǔ)熱效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

第二，熔鹽熱降解：由于熔鹽的操作溫度較高（565℃），長(zhǎng)期高溫下，熔鹽的熱化學(xué)性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生一定程度的劣化，導(dǎo)致其傳熱能力和儲(chǔ)熱效率降低?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，在過(guò)去一年的運(yùn)行過(guò)程中，熔鹽的熱傳導(dǎo)性能下降了約1.5%，這雖然對(duì)短期運(yùn)行影響不大，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后可能會(huì)逐漸影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體效率。

第三，換熱器效率降低：換熱器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題，導(dǎo)致熱交換效率降低。經(jīng)過(guò)定期檢查發(fā)現(xiàn)，該光熱電站的換熱器傳熱效率在過(guò)去6個(gè)月中降低了約2%。這一情況導(dǎo)致儲(chǔ)熱系統(tǒng)無(wú)法將所有吸收的熱能有效地轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而影響電站整體的儲(chǔ)熱效率。

3高溫熔鹽光熱電站傳熱性能分析

高溫熔鹽光熱電站傳熱系統(tǒng)的傳熱性能是影響電站發(fā)電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。傳熱性能的優(yōu)劣直接決定了熔鹽在吸熱塔和換熱器之間的熱量傳遞效率，以及發(fā)電過(guò)程中熱能轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性和高效性。

3.1傳熱性能測(cè)算

該電站的熔鹽傳熱系統(tǒng)包括熔鹽—水蒸汽換熱器和熔鹽—熔鹽換熱器等關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，熔鹽的設(shè)計(jì)循環(huán)流量為600t/h，流速控制在1.2m/s，能夠穩(wěn)定傳輸吸熱塔中高達(dá)565℃的高溫熔鹽。熔鹽通過(guò)換熱器將熱量傳遞給水蒸汽，蒸汽的溫度可達(dá)520℃，用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。換熱器的整體傳熱效率在運(yùn)行初期達(dá)到92%，但隨著設(shè)備的使用時(shí)間延長(zhǎng)，傳熱效率呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢(shì)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)前換熱器的實(shí)際傳熱效率為89.5%，相比設(shè)計(jì)值下降了約2.5%。這一變化主要是由于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的傳熱介質(zhì)劣化和換熱器內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化。

3.2傳熱性能影響因素

第一，換熱器結(jié)垢問(wèn)題：在實(shí)際運(yùn)行中，由于熔鹽的循環(huán)使用和高溫環(huán)境，換熱器內(nèi)部逐漸出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。結(jié)垢層的形成不僅降低了傳熱效率，還增加了設(shè)備的清理維護(hù)成本。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)，結(jié)垢層的厚度在半年內(nèi)增加了約0.3mm，這使換熱器的傳熱效率下降了約1.5%。若不及時(shí)處理，結(jié)垢層將進(jìn)一步增加，導(dǎo)致傳熱性能進(jìn)一步惡化。

第二，熔鹽流動(dòng)阻力：由于電站傳熱系統(tǒng)中熔鹽的流動(dòng)速度和壓力控制在較為嚴(yán)格的范圍內(nèi)，任何細(xì)微的波動(dòng)都會(huì)影響傳熱效果。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在過(guò)去的運(yùn)行過(guò)程中，熔鹽的流動(dòng)阻力偶爾會(huì)升高至1.3m/s，超過(guò)了設(shè)計(jì)值的1.2m/s。這種情況可能是由于管道內(nèi)壁磨損、局部管道堵塞等原因。熔鹽流速的波動(dòng)直接影響了傳熱效率，導(dǎo)致出現(xiàn)局部熱量傳遞不均勻的現(xiàn)象。

第三，傳熱材料老化：雖然換熱器采用了耐高溫、耐腐蝕的316L不銹鋼材料，但長(zhǎng)期高溫運(yùn)行依然導(dǎo)致了材料的微觀老化現(xiàn)象[6]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室材料分析數(shù)據(jù)，換熱器材料在高溫高壓下逐漸出現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)的變化，材料的導(dǎo)熱性能較初期下降了約1.0%。

4儲(chǔ)熱效率與傳熱性能優(yōu)化方案及實(shí)施效果

在高溫熔鹽光熱電站中，儲(chǔ)熱效率和傳熱性能直接影響發(fā)電效率和系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?；谙到y(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一些影響儲(chǔ)熱效率和傳熱性能的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，該項(xiàng)目部通過(guò)一系列的工程實(shí)踐和技術(shù)改進(jìn)，實(shí)施了以下具體優(yōu)化措施。

4.1儲(chǔ)熱效率優(yōu)化方案及實(shí)施效果

第一，儲(chǔ)熱罐隔熱層優(yōu)化：項(xiàng)目部對(duì)儲(chǔ)熱罐隔熱層進(jìn)行了深入的優(yōu)化，目的是減少熱損失并提升儲(chǔ)熱效率。通過(guò)熱成像檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)熱罐夜間的熱損失率高達(dá)4.5%，主要集中在罐體上部和底部區(qū)域。為此，項(xiàng)目組決定在原有超細(xì)玻璃纖維和真空隔熱板基礎(chǔ)上，增加一層10mm厚的氣凝膠絕熱氈。氣凝膠材料具有極低的熱導(dǎo)率（0.016W/m·K），能夠顯著減少熱量散失。此次改造中，氣凝膠絕熱氈覆蓋的儲(chǔ)熱罐表面面積約為6000m2，總施工費(fèi)用約為120萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)為期3個(gè)月的性能測(cè)試，罐體的總熱損失率降至2.1%，年均節(jié)省約30MWh的能源損耗。

第二，提高熔鹽品質(zhì)：熔鹽的熱穩(wěn)定性直接影響其儲(chǔ)熱性能。長(zhǎng)期高溫下，熔鹽的氧化和分解會(huì)導(dǎo)致其熱導(dǎo)率下降。項(xiàng)目部在2023年初對(duì)熔鹽品質(zhì)進(jìn)行了化驗(yàn)分析，結(jié)果顯示部分熔鹽的熱導(dǎo)率降低了約2.5%，因此決定對(duì)部分劣化的熔鹽進(jìn)行更換，共計(jì)更換了約15噸NaNO3-KNO3二元熔鹽。同時(shí)，項(xiàng)目部引入了一種名為氧化鈦（TiO2）的抗氧化添加劑，其主要通過(guò)與熔鹽中的自由氧化基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，抑制氧化反應(yīng)的進(jìn)一步擴(kuò)展，減少熔鹽在高溫下的劣化。每噸熔鹽中加入約0.05%的TiO2，年添加費(fèi)用約為30萬(wàn)元。測(cè)試表明，此舉有效延長(zhǎng)了熔鹽的使用壽命，并使熱導(dǎo)率穩(wěn)定在較高水平。

第三，儲(chǔ)熱罐維護(hù)與熱損失管理：通過(guò)紅外熱成像技術(shù)，項(xiàng)目部發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)熱罐底部區(qū)域存在局部熱損失，溫度上升到15℃，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢查，確定該區(qū)域的隔熱層由于雨水滲透而受潮失效。項(xiàng)目組采用了新型的防水隔熱涂層材料聚異氰脲酸酯（PIR），這種材料具有優(yōu)異的防水性和隔熱性能。施工過(guò)程中，先清理受潮區(qū)域并徹底干燥，隨后涂覆了三層總厚度為30mm的PIR涂層。該涂層的熱導(dǎo)率僅為0.022W/m·K，大大降低了局部熱損失。此外，項(xiàng)目部在儲(chǔ)熱罐頂部安裝了從德國(guó)進(jìn)口的Schneider自動(dòng)排氣裝置（型號(hào)：VP-10），該裝置能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)熱罐內(nèi)部壓力，避免因氣體膨脹導(dǎo)致的罐體受壓變形和局部熱量逸散問(wèn)題。

4.2傳熱性能優(yōu)化方案及實(shí)施效果

第一，換熱器優(yōu)化：在傳熱系統(tǒng)中，換熱器的長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)受結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題的影響。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組對(duì)主換熱器的檢查，發(fā)現(xiàn)結(jié)垢層厚度平均增至3.2mm，導(dǎo)致傳熱效率下降約6%。為了提高換熱效率，項(xiàng)目部在定期清洗頻率由半年一次提升至每季度一次的基礎(chǔ)上，增加了防垢涂層的使用。所使用的涂層材料為含氟聚合物（PTFE，聚四氟乙烯），涂層厚度為0.15mm，能夠顯著減少換熱器表面結(jié)垢的形成，并具有良好的耐腐蝕性。經(jīng)過(guò)此次優(yōu)化，換熱器的傳熱效率提升了8%，并有效延長(zhǎng)了設(shè)備的清洗周期和使用壽命。

第二，熔鹽流速控制與流動(dòng)阻力管理：熔鹽的流速和流動(dòng)阻力對(duì)系統(tǒng)的整體傳熱效率有直接影響。項(xiàng)目組通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有管道設(shè)計(jì)中彎頭和T字形分支過(guò)多，導(dǎo)致局部流動(dòng)阻力過(guò)大。為此，項(xiàng)目組對(duì)部分熔鹽管道進(jìn)行了改造，拆除了5個(gè)90°彎頭，并將兩段T字形管道改為Y字形結(jié)構(gòu)，減少了局部渦流現(xiàn)象。改造后，熔鹽流速提升了約15%，系統(tǒng)壓力損失降低了12%。此外，項(xiàng)目部引入了西門子流速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（型號(hào)：SITRANS FS230），該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控熔鹽的流速和壓力變化，當(dāng)流速降低超過(guò)5%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并記錄數(shù)據(jù)，操作人員可及時(shí)進(jìn)行管道檢查和疏通。

第三，材料升級(jí)與設(shè)備維護(hù)：現(xiàn)有的換熱器主要采用316L不銹鋼材料，但長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題。為此，項(xiàng)目部決定對(duì)主換熱器的核心管道進(jìn)行材料升級(jí)，采用鎳基合金（Inconel 625）作為替代材料。該材料具有更高的耐腐蝕性和耐高溫性能，能夠在650℃的高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的傳熱性能。經(jīng)過(guò)此次改造，換熱器的使用壽命預(yù)計(jì)延長(zhǎng)5年以上，傳熱效率提升了約10%。同時(shí)，項(xiàng)目部還制訂了詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃，采用超聲波探傷技術(shù)每年檢測(cè)一次管道的腐蝕情況，確保設(shè)備在高溫運(yùn)行中的安全性和穩(wěn)定性。

5結(jié)語(yǔ)

本文深入分析了青海省某高溫熔鹽光熱電站儲(chǔ)熱效率和傳熱性能，研究發(fā)現(xiàn)，該電站在高效隔熱設(shè)計(jì)和熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的支持下，整體運(yùn)行表現(xiàn)較為理想，能夠滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)電的需求。然而，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中依然面臨儲(chǔ)熱罐熱損失、熔鹽熱降解，以及換熱器效率下降等問(wèn)題，這些因素在一定程度上影響了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體效率和傳熱性能。為解決這些問(wèn)題，項(xiàng)目部采取了儲(chǔ)熱罐隔熱層優(yōu)化、熔鹽品質(zhì)提升和設(shè)備維護(hù)等優(yōu)化措施，顯著提高了電站的儲(chǔ)熱效率和傳熱性能，為相關(guān)工程研究提供重要的實(shí)踐參考。

原標(biāo)題：《高溫熔鹽光熱電站儲(chǔ)熱效率與傳熱性能研究  》。

文章來(lái)源《新能源發(fā)電與儲(chǔ)能》，作者：中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，唐曉兵，李睿，姜小峰。