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摘要：本文以青海省某高溫熔鹽光熱電站為研究對象，研究高溫熔鹽光熱電站儲熱效率與傳熱性能。本文通過設計和實施優(yōu)化方案，延長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。研究結果表明，優(yōu)化方案使該項目整體儲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計延長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，近年來得到了廣泛關注，其主要通過將太陽能轉換為熱能并儲存在熔鹽中，再利用這部分熱能發(fā)電，具備良好的能源轉換效率和儲能能力。然而，由于高溫熔鹽的特性，其在材料選擇、儲熱系統(tǒng)設計，以及長期運行中的熱穩(wěn)定性等方面仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)。

1工程概況

青海省某高溫熔鹽光熱電站是國內首批商業(yè)化運行的光熱發(fā)電項目之一，總裝機容量50MW，位于高原，年均日照時間超過3000h，年太陽能總輻射量約為6500MJ/㎡。該電站采用雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，儲熱介質為硝酸鈉和硝酸鉀的二元熔鹽，儲熱容量為2000MWh，可以滿足無陽光條件下連續(xù)發(fā)電8h需求。熔鹽操作溫度為290~565℃，儲熱罐容積為17500m3，具備多層絕熱設計以減少熱損失，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92%，產生的高溫高壓蒸汽用于驅動汽輪機發(fā)電。

2高溫熔鹽光熱電站儲熱效率分析

青海省某高溫熔鹽光熱電站的儲熱系統(tǒng)是電站能量平衡和穩(wěn)定發(fā)電的核心環(huán)節(jié)，其儲熱效率直接影響電站的整體發(fā)電效率與經濟效益。儲熱效率通常通過對比儲熱過程中輸入與輸出的熱量來評估。

圖1青海省某高溫熔鹽光熱電站儲熱系統(tǒng)架構

儲熱系統(tǒng)的架構如圖1所示。

2.1儲熱效率測算

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，電站日均收集太陽能4500MWh，其中4000MWh被有效儲存，儲熱效率達88.9%。在8h滿負荷發(fā)電下，系統(tǒng)可提供約1800MWh的熱量，足以支持50MW發(fā)電裝置運行，表現(xiàn)理想。

2.2儲熱效率影響因素

第一，熱損失問題：雖然儲熱罐采用了高效隔熱層，但由于儲熱罐罐體較大，仍然會有一定的熱損失。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，儲熱罐在夜間的熱損失率約為3.5%，這意味著每天約有70MWh的熱量通過儲熱罐外壁散失。這種熱損失雖然在可接受范圍內，但長期運行會對整體儲熱效率產生負面影響。

第二，熔鹽熱降解：由于熔鹽的操作溫度較高（565℃），長期高溫下，熔鹽的熱化學性質可能會發(fā)生一定程度的劣化，導致其傳熱能力和儲熱效率降低?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，在過去一年的運行過程中，熔鹽的熱傳導性能下降了約1.5%，這雖然對短期運行影響不大，但長時間運行后可能會逐漸影響儲熱系統(tǒng)的整體效率。

第三，換熱器效率降低：換熱器在長時間運行中可能會出現(xiàn)結垢、腐蝕等問題，導致熱交換效率降低。經過定期檢查發(fā)現(xiàn)，該光熱電站的換熱器傳熱效率在過去6個月中降低了約2%。這一情況導致儲熱系統(tǒng)無法將所有吸收的熱能有效地轉化為電能，進而影響電站整體的儲熱效率。

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)電過程中熱能轉化的穩(wěn)定性和高效性。

3.1傳熱性能測算

該電站的熔鹽傳熱系統(tǒng)包括熔鹽—水蒸汽換熱器和熔鹽—熔鹽換熱器等關鍵設備。根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，熔鹽的設計循環(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565℃的高溫熔鹽。熔鹽通過換熱器將熱量傳遞給水蒸汽，蒸汽的溫度可達520℃，用于驅動汽輪機發(fā)電。換熱器的整體傳熱效率在運行初期達到92%，但隨著設備的使用時間延長，傳熱效率呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，當前換熱器的實際傳熱效率為89.5%，相比設計值下降了約2.5%。這一變化主要是由于設備長期運行過程中出現(xiàn)的傳熱介質劣化和換熱器內部的微觀結構變化。

3.2傳熱性能影響因素

第一，換熱器結垢問題：在實際運行中，由于熔鹽的循環(huán)使用和高溫環(huán)境，換熱器內部逐漸出現(xiàn)結垢現(xiàn)象。結垢層的形成不僅降低了傳熱效率，還增加了設備的清理維護成本。根據(jù)實際監(jiān)測，結垢層的厚度在半年內增加了約0.3mm，這使換熱器的傳熱效率下降了約1.5%。若不及時處理，結垢層將進一步增加，導致傳熱性能進一步惡化。

第二，熔鹽流動阻力：由于電站傳熱系統(tǒng)中熔鹽的流動速度和壓力控制在較為嚴格的范圍內，任何細微的波動都會影響傳熱效果。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在過去的運行過程中，熔鹽的流動阻力偶爾會升高至1.3m/s，超過了設計值的1.2m/s。這種情況可能是由于管道內壁磨損、局部管道堵塞等原因。熔鹽流速的波動直接影響了傳熱效率，導致出現(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，但長期高溫運行依然導致了材料的微觀老化現(xiàn)象[6]。根據(jù)實驗室材料分析數(shù)據(jù)，換熱器材料在高溫高壓下逐漸出現(xiàn)了微觀結構的變化，材料的導熱性能較初期下降了約1.0%。

4儲熱效率與傳熱性能優(yōu)化方案及實施效果

在高溫熔鹽光熱電站中，儲熱效率和傳熱性能直接影響發(fā)電效率和系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性?；谙到y(tǒng)的長期運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一些影響儲熱效率和傳熱性能的關鍵問題。為此，該項目部通過一系列的工程實踐和技術改進，實施了以下具體優(yōu)化措施。

4.1儲熱效率優(yōu)化方案及實施效果

第一，儲熱罐隔熱層優(yōu)化：項目部對儲熱罐隔熱層進行了深入的優(yōu)化，目的是減少熱損失并提升儲熱效率。通過熱成像檢測，發(fā)現(xiàn)儲熱罐夜間的熱損失率高達4.5%，主要集中在罐體上部和底部區(qū)域。為此，項目組決定在原有超細玻璃纖維和真空隔熱板基礎上，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熱罐表面面積約為6000m2，總施工費用約為120萬元。經過為期3個月的性能測試，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：熔鹽的熱穩(wěn)定性直接影響其儲熱性能。長期高溫下，熔鹽的氧化和分解會導致其熱導率下降。項目部在2023年初對熔鹽品質進行了化驗分析，結果顯示部分熔鹽的熱導率降低了約2.5%，因此決定對部分劣化的熔鹽進行更換，共計更換了約15噸NaNO3-KNO3二元熔鹽。同時，項目部引入了一種名為氧化鈦（TiO2）的抗氧化添加劑，其主要通過與熔鹽中的自由氧化基團發(fā)生反應，抑制氧化反應的進一步擴展，減少熔鹽在高溫下的劣化。每噸熔鹽中加入約0.05%的TiO2，年添加費用約為30萬元。測試表明，此舉有效延長了熔鹽的使用壽命，并使熱導率穩(wěn)定在較高水平。

第三，儲熱罐維護與熱損失管理：通過紅外熱成像技術，項目部發(fā)現(xiàn)儲熱罐底部區(qū)域存在局部熱損失，溫度上升到15℃，經過進一步檢查，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。該涂層的熱導率僅為0.022W/m·K，大大降低了局部熱損失。此外，項目部在儲熱罐頂部安裝了從德國進口的Schneider自動排氣裝置（型號：VP-10），該裝置能夠自動調節(jié)儲熱罐內部壓力，避免因氣體膨脹導致的罐體受壓變形和局部熱量逸散問題。

4.2傳熱性能優(yōu)化方案及實施效果

第一，換熱器優(yōu)化：在傳熱系統(tǒng)中，換熱器的長期運行會受結垢、腐蝕等問題的影響。經過項目組對主換熱器的檢查，發(fā)現(xiàn)結垢層厚度平均增至3.2mm，導致傳熱效率下降約6%。為了提高換熱效率，項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垢的形成，并具有良好的耐腐蝕性。經過此次優(yōu)化，換熱器的傳熱效率提升了8%，并有效延長了設備的清洗周期和使用壽命。

第二，熔鹽流速控制與流動阻力管理：熔鹽的流速和流動阻力對系統(tǒng)的整體傳熱效率有直接影響。項目組通過計算流體動力學（CFD）模擬分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有管道設計中彎頭和T字形分支過多，導致局部流動阻力過大。為此，項目組對部分熔鹽管道進行了改造，拆除了5個90°彎頭，并將兩段T字形管道改為Y字形結構，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，項目部引入了西門子流速監(jiān)測系統(tǒng)（型號：SITRANS FS230），該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控熔鹽的流速和壓力變化，當流速降低超過5%時，系統(tǒng)會自動報警并記錄數(shù)據(jù)，操作人員可及時進行管道檢查和疏通。

第三，材料升級與設備維護：現(xiàn)有的換熱器主要采用316L不銹鋼材料，但長期高溫高壓運行導致部分區(qū)域出現(xiàn)腐蝕問題。為此，項目部決定對主換熱器的核心管道進行材料升級，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。經過此次改造，換熱器的使用壽命預計延長5年以上，傳熱效率提升了約10%。同時，項目部還制訂了詳細的維護計劃，采用超聲波探傷技術每年檢測一次管道的腐蝕情況，確保設備在高溫運行中的安全性和穩(wěn)定性。

5結語

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

原標題：《高溫熔鹽光熱電站儲熱效率與傳熱性能研究  》。

文章來源《新能源發(fā)電與儲能》，作者：中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，唐曉兵，李睿，姜小峰。