周興野,陳永輝,郭 波,龐開宇,李文穎,王 智,董建勛

(遼寧中電投電站燃燒工程技術(shù)研究中心有限公司 技術(shù)服務(wù)部，遼寧 沈陽 110179)

由于能源需求的日益增長以及大氣污染等環(huán)境問題的日趨緊迫，使得太陽能、核能及生物質(zhì)能等新能源越來越受到人們的重視[1]。同傳統(tǒng)的傳熱蓄熱工質(zhì)(水、導(dǎo)熱油以及金屬材料)相比，熔鹽的綜合性能要更好一些[2]。這是因?yàn)椋?/p>

1)水在500 ℃時處于超臨界狀態(tài)，其高溫運(yùn)行可靠性變差；

2)導(dǎo)熱油價(jià)格昂貴且污染環(huán)境；

3)金屬材料腐蝕性強(qiáng)，且安全性差；

4)熔鹽傳熱性能好，熱穩(wěn)定性高。

自上世紀(jì)七十年代起，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)就完成了熔鹽堆的設(shè)計(jì)，研究了氟化物熔鹽的特性，證明了其商業(yè)應(yīng)用的可能性[3]。到了八十年代，熔鹽作為蓄熱工質(zhì)開始應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電站。九十年代末，美國能源部在美國加利福尼亞的Mojare建成Solar Two太陽能試驗(yàn)電站[4]。二十一世紀(jì)初，意大利啟動ENEA聚光太陽能熱電計(jì)劃，準(zhǔn)備在意大利南部建一個28 MW的太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)采用熔融鹽作為傳熱和蓄熱載體[5]。目前，世界上已有多座太陽能熱發(fā)電站都采用熔鹽作為蓄熱工質(zhì)[6]。

由此可見，熔鹽已經(jīng)成為一種傳熱、蓄熱系統(tǒng)中的理想工作介質(zhì)，并成功應(yīng)用于化工、冶金行業(yè)，有相對成熟的工程基礎(chǔ)和技術(shù)積累，但熔鹽儲熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及能量轉(zhuǎn)換效率仍需進(jìn)一步深入研究與探索。

1 熔鹽儲熱系統(tǒng)開放性試驗(yàn)平臺簡介

熔鹽儲熱系統(tǒng)開放性試驗(yàn)平臺的工藝流程如圖1所示。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)工作時，熔鹽冷罐內(nèi)的熔融鹽經(jīng)熔鹽泵被輸送到電熔鹽爐內(nèi)，經(jīng)加熱后送入熱熔鹽罐中，隨后高溫熔融鹽從熱熔鹽罐流進(jìn)蒸汽過熱器。軟水箱中的冷水由泵送入水預(yù)熱器(電)中預(yù)熱后，在蒸汽過熱器中被加熱成過熱蒸汽，一部分被排出，另一部分用于熔鹽再熱。熔融鹽溫度降低后流回熔鹽冷罐。

圖1 熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程

該試驗(yàn)平臺可用于研究熔鹽儲熱系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理，掌握儲熱、放熱過程的關(guān)鍵技術(shù)，為孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、風(fēng)電消納、分布式能源及光熱電站研究提供技術(shù)平臺，為新型設(shè)備的試用提供試驗(yàn)條件，為大規(guī)模工程建設(shè)提供技術(shù)支持和設(shè)備試用服務(wù)。

試驗(yàn)臺能夠使用多種熔鹽進(jìn)行研究。在試驗(yàn)臺中自主完成儲熱和放熱過程，儲熱過程由電能提供熱源。熔鹽爐功率變化用于模擬熱能(火電廠)、光能、工業(yè)廢熱等熱能的輸出。熔鹽換熱過程可完成熔鹽與水的蒸發(fā)、水蒸氣過熱、過熱蒸汽放熱等換熱過程研究，最高蒸汽壓力為3.8 MPa，溫度為520 ℃。

2 試驗(yàn)依據(jù)及理論

硝酸熔鹽具有傳熱性能好、熱容量大、熱穩(wěn)定性高、蓄熱密度較高、工作溫度范圍較大、蒸汽壓力低、高溫粘度小以及價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而成為目前應(yīng)用較多、較為成熟的傳熱蓄熱材料，已廣泛應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電、太陽能制氫和工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域[7]。

該試驗(yàn)所使用的是二元硝酸熔鹽體系(硝酸鈉:硝酸鉀=6:4，混合硝酸鹽)，其在常溫下為固態(tài)白色顆粒，220 ℃以上時熔融為液態(tài)無色或微琥珀的透明液體，在高于600 ℃時將逐漸分解。液態(tài)熔鹽的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)熔鹽熱物性表(硝酸鈉:硝酸鉀=6:4，混合硝酸鹽)

3 熔鹽儲熱及換熱特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

按照熔鹽加熱操作步驟把熔鹽加熱至高于工況要求溫度，加熱后熔鹽存儲于熱罐并進(jìn)行攪拌，使得熱罐內(nèi)熔鹽溫度達(dá)到試驗(yàn)工況要求。當(dāng)熔鹽溫度不夠時，進(jìn)行再循環(huán)并反復(fù)加熱直至達(dá)到試驗(yàn)工況要求，完成儲熱過程。

按照汽水啟動操作步驟進(jìn)行汽水系統(tǒng)啟動，進(jìn)行換熱試驗(yàn)。換熱試驗(yàn)工況結(jié)束后，按照操作規(guī)程進(jìn)行熔鹽管道降溫吹掃和汽水設(shè)備降溫，熔鹽在熔鹽罐自循環(huán)，轉(zhuǎn)入熔鹽保溫工況，進(jìn)行保溫試驗(yàn)或下一換熱工況試驗(yàn)。

3.2 不同工況下的換熱特性實(shí)驗(yàn)

不同工況下的熔鹽及汽水各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2 不同工況下熔鹽、汽水的各項(xiàng)參數(shù)

1)在熔鹽低溫工況(基礎(chǔ)試車工況)下，冷熔鹽自冷罐泵送至熔鹽爐進(jìn)行加熱，汽水溫度盡量低，能夠與熔鹽換熱，產(chǎn)生高溫蒸汽即可。

2)在變?nèi)埯}流量工況中，流量按照需要由自控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制蒸發(fā)器液位、穩(wěn)定蒸汽出口溫度的目的。

3)在變?nèi)埯}溫度工況中，需緩慢或急速改變?nèi)埯}溫度。變溫度方法：將冷罐中大量低溫熔鹽移送至電融鹽爐，然后快速放鹽至熱罐，使熱熔鹽罐中的熔鹽迅速降低，降低幅度為30～50 ℃，最低至400 ℃，以熔鹽溫度變化改變換熱器的輸入焓值。

在變?nèi)埯}流量工況中，改變速度控制流量變化，圖2示出了流量隨時間的變化。

圖2 熔鹽流量隨時間變化

由圖2可以看出，熔鹽流量過高使得管道阻力增大，熔鹽泵功耗增加，成本提高；熔鹽流量過低影響換熱效率，導(dǎo)致熔鹽流體傳熱不均勻。

4 控制試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

控制系統(tǒng)的目標(biāo)：在穩(wěn)定工況條件下，產(chǎn)生穩(wěn)定的、符合參數(shù)要求的蒸汽；在變負(fù)荷時，能夠迅速反應(yīng)，及時調(diào)整蒸汽參數(shù)。用熔鹽爐功率變化模擬幾種隨機(jī)變化工況，提出控制系統(tǒng)的多模型控制策略，建立多模型控制模型，實(shí)現(xiàn)在各種非線性大范圍變量條件下的蒸汽側(cè)溫度壓力平穩(wěn)輸出，在試驗(yàn)過程中完善控制模型。

4.2 不同工況下的控制試驗(yàn)

1)工況1：儲熱系統(tǒng)輸入能量變化。

加熱熔鹽溫度為400～450 ℃，壓力為0.6 MPa，流量為2 400 kg/h。模擬白天、夜晚太陽輻照能量周期性變化、風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)變化等工況，如圖3和圖4所示。

圖3 模擬白天、夜晚太陽輻照能量周期性變化

圖4 模擬風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)變化

由圖3可知，用熔鹽爐功率變化模擬白天、夜晚太陽輻照能量周期性變化情況，基本符合一天中太陽輻照能量變化趨勢。在12:00～14:00時，太陽輻照能量達(dá)到最大值；在0:00～6:00以及18:00～24:00時，太陽輻照能量為0。

由圖4可知，基于預(yù)測基值(圖中實(shí)線)，模擬風(fēng)力發(fā)電的功率上限和功率下限與預(yù)測基值基本吻合，表明控制策略是正確的。

2)工況2：儲熱系統(tǒng)輸出能量變化(與換熱工況4/5重合)。

換熱熔鹽溫度為400～450 ℃，壓力為0.6 MPa，流量為2 000～3 000 kg/h，流量在試驗(yàn)工況下由自控模型的控制策略決定；汽水溫度為350～400 ℃，壓力為3.8 MPa，流量按照圖5變化，控制蒸發(fā)器液位。

3)工況3：儲熱系統(tǒng)輸入輸出同時變化。

加熱熔鹽溫度為400～450 ℃，壓力為0.6 MPa，流量為2 400 kg/h。按輸入能量變化工況變功率加熱，與控制試驗(yàn)工況1相同；換熱熔鹽溫度為400～450℃，壓力為0.6 MPa，流量(2 000～3 000 kg/h)由自控系統(tǒng)調(diào)控；汽水溫度為350～400 ℃，壓力為3.8 MPa，以控制蒸發(fā)器液位、蒸汽出口溫度穩(wěn)定為目標(biāo)。流量按照給定曲線變化，如圖6所示(實(shí)際曲線在換熱試驗(yàn)后經(jīng)過計(jì)算，在試驗(yàn)前細(xì)化)。

圖5 儲熱系統(tǒng)輸出能量改變時水流量變化

圖6 儲熱系統(tǒng)輸入輸出能量同時改變時水流量變化

由圖5和圖6可知，熔鹽流量由自控系統(tǒng)完成模型識別和判定，并對其進(jìn)行調(diào)控跟蹤，驗(yàn)證了控制模型的合理性。

5 結(jié) 論

為提高熔鹽儲熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及能量轉(zhuǎn)換效率，搭建了能量轉(zhuǎn)換及控制開放性試驗(yàn)平臺，并對該系統(tǒng)的換熱特性和控制性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中的熔鹽流量不宜過大，過大會使熔鹽泵功耗和成本增大，破壞整個熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的熱平衡；熔鹽流量也不宜過小，過小將導(dǎo)致熔鹽溫度被迫升高，使得整個熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的熔鹽發(fā)生過熱現(xiàn)象。

2)采用熔鹽爐功率變化模擬白天、夜晚太陽輻照能量周期性變化以及風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)變化等工況，與實(shí)際結(jié)果相吻合，證明了控制模型的合理性。

3)熔鹽流量由自控系統(tǒng)完成模型識別和判定，并對其經(jīng)行調(diào)控跟蹤，驗(yàn)證了控制策略的正確性。

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