張鐘平，劉亨，謝玉榮，趙大周，牟敏，陳橋

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

隨著可再生能源并網(wǎng)規(guī)模的迅猛發(fā)展，其間歇性與不穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大負(fù)面影響，須配置儲(chǔ)能系統(tǒng)消納可再生能源電力［1］。2022 年2 月10 日國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中指出，新型儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐。目前應(yīng)大力發(fā)展火力發(fā)電機(jī)組抽汽蓄能等依托常規(guī)電源的新型儲(chǔ)能技術(shù)，推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化協(xié)同發(fā)展［2］。

熔鹽作為一種中高溫傳熱蓄熱介質(zhì)，與常規(guī)高溫傳熱流體相比具有飽和蒸汽壓較低、高溫穩(wěn)定性能優(yōu)越、黏度低、比熱容大的優(yōu)勢(shì)［3］，因此熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有適用范圍廣、綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間、中高溫儲(chǔ)熱技術(shù)的首選，不僅適用于太陽(yáng)能熱發(fā)電，還可應(yīng)用于火力發(fā)電的靈活性改造、余熱回收利用、清潔供暖等，是構(gòu)建未來(lái)新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。本文重點(diǎn)介紹熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的特點(diǎn)，總結(jié)該技術(shù)在不同場(chǎng)景下的研究現(xiàn)狀和最新的應(yīng)用示范，分析目前需要加強(qiáng)研究的關(guān)鍵方面，總結(jié)并展示未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)與目標(biāo)。

1 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)特點(diǎn)

1.1 熔鹽儲(chǔ)熱的優(yōu)勢(shì)

目前儲(chǔ)能技術(shù)主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、電磁儲(chǔ)能及化學(xué)能儲(chǔ)能等［5］，其發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)、容量范圍等見表1。機(jī)械儲(chǔ)能的應(yīng)用受限于位置環(huán)境［6］，其中飛輪儲(chǔ)能更適用于啟動(dòng)時(shí)間要求較高的快速調(diào)頻領(lǐng)域，且成本較高［7］。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)既包括較成熟的鋰電池技術(shù)，也包括液流電池和鈉硫電池等新興技術(shù)。鋰電池技術(shù)目前仍存在能量密度低、循環(huán)壽命短和安全性差等問(wèn)題。液流電池與鈉硫電池作為新興的高效大容量?jī)?chǔ)能電池，具有一定的應(yīng)用前景，但成本還需要進(jìn)一步控制［8］。電磁儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能目前還處于研發(fā)試驗(yàn)階段，距離大規(guī)模應(yīng)用還有一段距離［9］。與電化學(xué)儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)相比，儲(chǔ)熱技術(shù)的壽命更長(zhǎng)、成本更低，比儲(chǔ)電更加安全穩(wěn)定［10］，并且在太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

表1 各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of various energy storage technologies

在儲(chǔ)熱技術(shù)中，熔鹽是一種比較理想的儲(chǔ)熱介質(zhì)。相比水儲(chǔ)熱，熔鹽儲(chǔ)熱的工作溫度區(qū)間更寬，可以在中高溫儲(chǔ)熱場(chǎng)景使用［11］，因此熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)可以在多種場(chǎng)景下應(yīng)用。相比固體儲(chǔ)熱，熔鹽儲(chǔ)熱具有穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、換熱難度小等優(yōu)勢(shì)。綜上所述，熔鹽儲(chǔ)熱具有大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間、安全穩(wěn)定以及不受選址限制的特點(diǎn)，是構(gòu)建未來(lái)新型電力系統(tǒng)中極有前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。

1.2 熔鹽儲(chǔ)熱應(yīng)用的關(guān)鍵

現(xiàn)階段，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決。首先，熔鹽材料是熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的根本，其熱物理性質(zhì)參數(shù)尚存在熔點(diǎn)高、比熱容低、熱導(dǎo)率低等不足，直接影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行，并導(dǎo)致系統(tǒng)占地面積及成本居高不下［12］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)高比熱容、低熔點(diǎn)熔鹽的制備及熔鹽熱物理性質(zhì)參數(shù)的提升進(jìn)行研究［13-19］，發(fā)現(xiàn)在熔鹽材料中添加可溶性添加劑或納米材料顆?？梢燥@著提升熔鹽的儲(chǔ)熱性能［20-22］。Aljaerani 等［23］將CuO 納米顆粒摻雜于三元硝酸熔鹽（KNO3+NaNO2+NaNO3，也被稱為HiTec鹽）并分析了摻雜前后比熱容、熔點(diǎn)和潛熱、熱穩(wěn)定性的變化，如圖1所示。結(jié)果表明，摻雜0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuO納米顆粒的HiTec 鹽，比熱容提高了5.6%，潛熱提高了30.0%，熱穩(wěn)定性提高了9.0%。

圖1 不同熔鹽性能對(duì)比Fig.1 Performances of different molten salts

其次，熔鹽換熱器是熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)不僅要考慮換熱效率，還要考慮熔鹽的腐蝕性，以及溫度變化時(shí)熔鹽可能凝固造成換熱器堵塞等問(wèn)題。因此熔鹽換熱器的設(shè)計(jì)也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)［24-26］。最后，在熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)集成方面還有一些關(guān)鍵技術(shù)，如高電壓等級(jí)的電加熱熔鹽加熱器［27］、耐腐蝕與高溫的熔鹽泵［28］、閥門、管道［29］及熔鹽儲(chǔ)罐［30］的設(shè)計(jì)選型與單罐、雙罐、多罐系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)等［31-32］。

2 太陽(yáng)能光熱發(fā)電

熔鹽儲(chǔ)熱已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)太陽(yáng)能光熱電站，以槽式導(dǎo)熱油傳熱熔鹽儲(chǔ)熱和熔鹽塔式光熱電站最為常見。2009 年，配置熔鹽儲(chǔ)熱的西班牙安達(dá)索爾槽式光熱發(fā)電站成功投入運(yùn)行，成為全球首個(gè)商業(yè)化聚光太陽(yáng)能電站。2010 年，意大利阿基米德建成以熔鹽作為儲(chǔ)熱傳熱介質(zhì)的4.9 MW 槽式聚光太陽(yáng)能光熱電站。2013 年，國(guó)內(nèi)的青海中控德令哈10.0 MW 塔式熔鹽光熱電站實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，是我國(guó)首座成功投運(yùn)的規(guī)?；瘍?chǔ)能光熱電站。2018年，北京首航敦煌100.0 MW 塔式熔鹽光熱電站的建成，標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)向商業(yè)化運(yùn)行邁出了成功的一步。相比國(guó)外，我國(guó)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電處于示范電站階段，商業(yè)化運(yùn)行也處于初級(jí)發(fā)展階段，因此熔鹽儲(chǔ)熱應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電有著廣闊的市場(chǎng)空間［33］。

目前，常見的光熱電站按光熱和熔鹽的耦合方式可分為間接與直接2 種，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示［34］。2 種系統(tǒng)流程的區(qū)別在于，間接熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要設(shè)置換熱裝置進(jìn)行換熱，通常采用導(dǎo)熱油或水蒸氣作為傳熱介質(zhì)，而直接熔鹽儲(chǔ)能不需要換熱裝置。因此，間接熔鹽儲(chǔ)熱的工作溫度一般在400 ℃以下，直接熔鹽儲(chǔ)熱的工作溫度適用于400～500 ℃。

圖2 常見光熱電站熔鹽儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of a common molten salt heat storage system in a photothermal power station

現(xiàn)階段光熱電站的冷卻方式以空冷機(jī)組為主，但機(jī)組發(fā)電仍采用水蒸氣朗肯循環(huán)。許多專家學(xué)者研究了基于S-CO2布雷頓循環(huán)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)，以CO2替代水蒸氣作為傳熱介質(zhì)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)最高溫度可達(dá)800 ℃，通常選用耐高溫且性能穩(wěn)定的氯化鹽和碳酸鹽，使系統(tǒng)獲得循環(huán)效率高、系統(tǒng)緊湊、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，更適我國(guó)缺少水資源的西部地區(qū)［35］。王智等［36］通過(guò)Ebsilon 軟件模擬了青海塔里木地區(qū)30 MW再壓縮S-CO2塔式太陽(yáng)能光熱布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)了使用45%LiCl+55%KCl作為傳熱介質(zhì)的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，總結(jié)了熔鹽儲(chǔ)滿熱量在各月所需時(shí)長(zhǎng)與兩分兩至日系統(tǒng)供能情況，發(fā)現(xiàn)5—7 月熔鹽系統(tǒng)的儲(chǔ)熱時(shí)間最短，11 月至次年1月儲(chǔ)熱時(shí)間最長(zhǎng)，在無(wú)光源狀態(tài)下機(jī)組可滿功率發(fā)電10 h，如圖3 所示。冬至日熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)無(wú)法儲(chǔ)滿熱，無(wú)光照下系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行發(fā)電功率僅為17.34 MW，如圖4所示。

圖3 30 MW再壓縮S-CO2塔式太陽(yáng)能光熱電站儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)［36］Fig.3 Time of heat storage of a 30 MW re-compressed tower solar thermal power plant based on S-CO2［36］

圖4 系統(tǒng)供能情況［36］Fig.4 Energy supply situation of system［36］

3 煤電靈活性改造

在太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的二元硝酸鹽（60%NaNO3+40%KNO3），其工作溫度區(qū)間為221～565 ℃，剛好匹配火力發(fā)電系統(tǒng)的溫度參數(shù)，因此熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)也適用于火力發(fā)電機(jī)組的靈活性改造。以熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，此類機(jī)組需要長(zhǎng)期向外供熱，在調(diào)峰時(shí)段，機(jī)組的電負(fù)荷出力嚴(yán)重受限，調(diào)峰深度受到供熱負(fù)荷的影響及“以熱定電”的約束。將熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)加入機(jī)組的熱力系統(tǒng)，在適合的時(shí)段加熱熔鹽，待到調(diào)峰時(shí)段通過(guò)高溫熔鹽放熱供暖，從而切除機(jī)組的熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”的同時(shí)提高機(jī)組運(yùn)行的靈活性。圖5為火力發(fā)電機(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)之間耦合大容量高溫熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，為煤電機(jī)組靈活性改造提供了新的策略［37-39］。

圖5 高溫熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)耦合燃煤機(jī)組Fig.5 High-temperature molten salt heat storage system coupled with coal-fired units

2022年12月，江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司煤電機(jī)組耦合熔鹽儲(chǔ)熱示范工程順利投入運(yùn)行，機(jī)組調(diào)峰容量達(dá)到75%額定負(fù)荷，標(biāo)志著熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在煤電領(lǐng)域的應(yīng)用取得新的突破。

近年來(lái)，許多專家學(xué)者通過(guò)軟件模擬（如Ebsilon，Aspenplus 等）的方法對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)耦合火力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻進(jìn)行了深入研究［40-46］，選擇的機(jī)組為350，600，660 MW 的火力發(fā)電機(jī)組，熔鹽采用電加熱或機(jī)組產(chǎn)生的蒸汽加熱，模擬分析得出的結(jié)果見表2。

表2 近年來(lái)對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)耦合燃煤機(jī)組模擬的研究Table 2 Recent simulation studies on the molten salt heat storage system coupled with coal-fired units

鄒小剛等［40］發(fā)現(xiàn)在他們?cè)O(shè)計(jì)的多種不同耦合流程中，電加熱熔鹽系統(tǒng)的循環(huán)熱效率是最高的。劉金愷等［41］設(shè)計(jì)幾種不同的電加熱與蒸汽加熱熔鹽耦合煤電系統(tǒng)的方案，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)電加熱熔鹽儲(chǔ)熱，在放熱時(shí)通過(guò)熔鹽加熱旁路給水的方案具有最佳的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，但電加熱造成大量的?損失。由表2 可見，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)耦合煤電系統(tǒng)可以明顯提高調(diào)峰能力、拓寬機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間及響應(yīng)速度等參數(shù)。王惠杰等［44］模擬了塔式太陽(yáng)能耦合燃煤機(jī)組，結(jié)果表明耦合之后可以降低火力發(fā)電機(jī)組的煤耗，同時(shí)熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)消納了更多的太陽(yáng)能。

4 熔鹽儲(chǔ)熱供暖與余熱利用

利用夜間低谷電價(jià)時(shí)段的電能加熱熔鹽，待頂峰電價(jià)時(shí)段需要供熱時(shí)，將熔鹽儲(chǔ)存的熱量放出，通過(guò)換熱器加熱給水并實(shí)現(xiàn)供暖。放熱后的冷熔鹽再儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐中，待到低谷電價(jià)時(shí)加熱，重復(fù)循環(huán)使用，不僅實(shí)現(xiàn)了移峰填谷，還能消納新能源發(fā)電，為電網(wǎng)的安穩(wěn)運(yùn)行提供保障，又能在一定程度上減少排放［47］，系統(tǒng)原理如圖6a 所示。2016 年，河北辛集熔鹽蓄熱低谷電供暖項(xiàng)目投入運(yùn)行，每年可節(jié)約燃煤699 t，減少CO2排放1 889 t，具有出色的環(huán)保效益［48］。

圖6 熔鹽儲(chǔ)熱余熱利用案例Fig.6 Waste heat utilization project with molten salt heat storage system

在我國(guó)鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，存在大量可回收的余熱，將這些余熱回收用于發(fā)電、居民供暖將獲得可觀的收益。以煉鋼爐為例，耦合熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電的系統(tǒng)原理如圖6b所示，煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跓熐粌?nèi)將低溫熔鹽加熱至高溫，高溫熔鹽通過(guò)過(guò)熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器將給水加熱成過(guò)熱蒸汽并驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

5 結(jié)論與展望

熔鹽儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)存周期長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是大規(guī)模儲(chǔ)能的理想選擇。熔鹽儲(chǔ)熱已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電及火力發(fā)電機(jī)組的靈活性改造、供暖與余熱回收利用等場(chǎng)景，并有一些代表性的示范項(xiàng)目，但在一些關(guān)鍵技術(shù)方面還有待提升。在熔鹽材料方面，應(yīng)研發(fā)出更加適合商業(yè)化的熔鹽材料。以熔鹽為工質(zhì)的相關(guān)設(shè)備缺乏完善的制造標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在火力發(fā)電機(jī)組靈活性改造方面，標(biāo)準(zhǔn)尚未明確，以及對(duì)實(shí)際改造中將面臨的問(wèn)題缺少研究。

未來(lái)，熔鹽材料的成本將明顯降低，同時(shí)儲(chǔ)熱密度大大提高。熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備形成明確的制造標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集成形成規(guī)范的評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用于各場(chǎng)景的技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一配套。熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，成為新型電力系統(tǒng)中成熟的儲(chǔ)能技術(shù)之一。