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1、熔盐储能在新型电力系统中应用现状与发展趋势摘要：储能是新型电力系统的关健核心技术，熔盐储能作为一种中高温传热蓄热方法，因具有储能密度高、稳定性好等优点，广泛应用于太阳能光热系统、调峰调频、绿电消纳等新能源领域.但目前对熔盐储能系统中的核心部件如储罐、熔盐电加热器、熔盐换热器等设备的研窕普遍基于太阳能热发电技术的需求开展，针对其他应用场景的研究尚不够充分。在不同应用场景下，熔盐的使用温度区间、加热及换热方式都有区别。概述了熔盐储能关键技术的研究现状和技术成果，研究了熔盐储能技术的发展路径，提出了其在新型电力系统中的应用领域，并针对不同应用场景，提出了相应的熔盐选型参数、储罐及换热器类型。引言：“
2、双碳”背景下，构建新型电力系统是保障我国能源安全的战略任务。光伏光热、风电水力等新能源存在间歇性和不稳定性,易造成能源供需不匹配，需要配合储能技术。熔盐储热是-一种安全水平较高的储能方式，利用硝酸盐等熔盐作为传热介质，通过熔盐的储热和放热循环来存储和放出能量，实现能量的有效迁移。熔盐储能的关键核心技术和设备包括熔盐、电加热器、储罐以及换热器等，广泛应用在以下3个方向：太阳能光热发电、耦合火电机组调峰调频、耦合新能源绿电供热。表1为熔盐储能不同应用场景对比。针对不同应用场景，熔盐的使用温度区间和换热过程均有较大差异。现阶段以解决光热电站的技术需求为主，针对熔盐储能耦合火电机组调峰调频、绿电供热等
3、领域的系统性研究严重不足。表1熔盐储能不同应用场景对比Tab.1Differentapp1.icationscenariosofmo1.tensa1.tenergystoragetechno1.ogies应用场景熔盐使用温度区间/C换热过程j光热发电系统290-565熔盐-蒸汽耦合火电机组熔盐-蒸汽、蒸汽-熔盐、调峰调频电-熔盐绿电供热14(M50熔盐-蒸汽、电-熔盐1、焙盐储能关穗技术现有熔盐的选型主要为耐高温熔盐和低熔点盐。耐高温熔盐如技术成熟的SOIar盐，最高工作温度达565C,适合于高参数光热发电或火电机组储热调峰系统。低熔点盐通常为多元混合盐，熔点低于240C,如工程中常用的HiI
4、eC盐等，能降低熔盐凝固的风险，适用于较低参数的系统。熔盐储罐主要有单罐、双罐、多罐系统。单罐熔盐储能系统结构简单，成本较低，适用于小面枳生活供暖等领域，但存在斜温层导致蓄热效率降低的问题1。双蹿系统包含冷罐与热罐，通过冷热熔盐分离并在2罐中循环换热，避免了斜温层问题，技术风险也相对较低。在双罐的基础上还可进一步增加储罐数量，形成多蹿系统，增大储热量。如哈密50MW熔盐塔式光热发电项目首创了双热罐、一冷罐的系统配置，提高了机组的可靠性和灵活性。实现大规模熔盐储能的关键是就具低成本、可实施性的高电压等级熔盐电加热器的研发。目前，熔盐电加热器主要有电阻式、电极式、感应式3种形式。现有技术普遍为38
5、0V或690V的低压电阻式加热器，主要应用于光热发电场景。若用于电加热熔盐的场景如绿电供热,则存在高压绿电输入与低压加热器不匹配而产生较高变电成本的问题。目前，市面上总体缺乏成熟的高电压熔盐加热器。传统的熔盐换热器有管壳式换热器和套管式换热器。管壳式换热器是目前熔盐换热器的主要形式，许多研究者已通过实验和计算给出了推荐的管程、壳程换热关联式2-3,刻其传热特性进行了数学描述。套管式换热器具有结构简单、能耐高压的优点，在工程中也有应用。与上述传统换热器相比，以印刷电路板换热器为代表的紧凑式换热器效率高且能承受高温、高压工况，在新型电力系统如熔盐储能与新型动力循环的耦合中具有很大优势4。表2整理了
6、熔盐关键技术的对比、分类情况，以及不同的应用场先下熔盐、储罐、加热器选型的区别。2Tah2DifYrrvB1.tpe*(mHen3tbratto11crtrhMUcr*停q3Af1.HftMrM.tne*ftff)AIXtttrr人热域,HI七及电站的设fAiwrUMMf31.NmVatt*.antt三H*DV1t,令*jU8RMWI1.电等,1tMNUq1.IRW(4找KU月收氟Mumf.nwAw.除用自“发金6侵ES*I加iettARttit,4*v由力蟀的稣介.M)itMMm配4MJM的改*7尸小FUX电Q起分鱼片仙RBAJHfMWA电IIM电W长情情小.out候r?eBWftAM4.文
7、电InEG中MttafMAKmtKII然触g无1.f如焦炉T1.Mt安.ftRWMWfc1.汽电InIt一嬉fMn11ftean,M三4tfSMUU1.42林饼0XoPH1.aB*61.VJ500iW电toft*.HH”地*7VyK用任卜储令电“炉侵R1.11京0用豌少R1.tK用较多vjMRVN.卡唐*使划*tMaunMnAMfiff*热存传存金”1DUSMK.aS卿曹V”09w.awwAttJBttK.Wd1.1.Brt,“定办也货es，；品2、悟盐储能在光热领域的应用太阳能光热发电是新型电力系统的中坚力量，拥有并网无障碍、连续发电调节能力强的优势。光热电站将太阳能以热能的形式存储在熔盐中
8、，后续利用熔盐加热给水获取蒸汽，优势在于储能容量大，对地理环境要求低，建设规模可达IOGW以上。光热型熔盐储能电站的技术研究重点是如何降低其成本、提高安全性.大部分光热电站使用熔盐双罐系统，光热和熔盐的耦合形式分为间接和直接2种。双罐熔盐储热系统如图1所示间接蓄热系统需要换热装置来传递热量，采用导热油或水蒸气作为传热流体,在熔盐中蓄热。间接蓄热系统换热过程为太阳能-熔盐-导热油-蒸汽,熔盐中储存的热能通过导热油循环，到达蒸汽发生器换热。间接蓄热系统中熔盐储能系统作为相对独立的模块存在，可用于改造普通光热电站。因导热油的热稳定性不足，间接蓄热的工作温度一般规定在40OC以下。宜接蓄热系统采用熔盐
9、作为传热和蓄热介质，其换热过程为太阳能-熔盐-蒸汽，不需要经过导热油循环，避免了不良换热，适用于400500C的高温工况，也可提高电站效率和朗肯循环效率。光热与熔盐耦合的2种形式在工程中均有应用。熔盐间接蓄热一般能保持较高的循环效率，比蒸汽蓄能成本更低16,如西班牙AndaSoI槽式光热电站是第一个大规模熔盐间接蓄热电站，容量约为1000MWh,储能时间为7.5h,熔盐直接蓄热简化了电站设备组成，后期运维便捷。典型的熔盐直接蓄热电站是美国So1.artwo项目，该项目使用的硝酸盐混合盐被称作SO1.ar盐，温度范围290565C.此后的塔式熔盐光热电站多沿用直接蓄热方式与此工作温度区间，如西班
10、牙GemaSoIar电厂、青海中控德令哈10MW项目。未来光热的发展主要在于高参数运行及耦合新型动力循环。高参数运行涉及的关键技术为耐高温熔盐，选用碳酸盐和部分MgC12-KCI-NaC1.混合体系的氯化盐可提高系统的整体效率。光热耦合新型动力循环则主要及高参数熔盐及熔盐换热器，以超临界C02（S-C02）布宙顿循环光热发电系统为例，其中最高工作温度可达8004C,冷热罐熔盐的温差将达到1001204C,储能的难度更大18,需要使用性能稳定的宽温域高参数熔盐。该系统参数高、效率高、部件紧凑，涉及的熔盐-C02换热器需耐受苛刻工况。在熔盐-C02换热领域可选择紧凑式换热器如印刷电路板换热器4,换
11、热效率高，能承受高达30MPa的高温、高压工况。印刷电路板换热器用于熔盐储能和C02循环已有研究。Wang等人15设计并制造了一种翼形肋片印刷电路板换热器，在工作压力较小的熔就系统中采用换热性能较好的肋片强化换热通道。张虎忠19搭建了最高压力和温度分别为32MPa和60（C的ScO2换热器试验平台，深度掌握/S-C02在印刷电路板换热器中的流动换热特性。光热发电中，塔式通过吸热塔吸收聚集的太阳能，传热至热罐；槽式通过集热管收集太阳能：线性菲涅尔式光热发电成本低，在我国西部拥有良好的商业化前景；S-C02用于光热系统具有循环效率高、结构紧凑的优势。光热发电加热器一般为低压电阻式，以较低的成本满足
12、需求。除加热器外，不同技术路线涉及的熔盐储能技术存在的区别见表3。表3不同光热技术路线适用的熔盐储能技术Tab.3Themo1.tensa1.tenergystoragetechno1.ogiessuitab1.efordifferentCSPtechnoIog)roadmaps技术路线温度/C儒鬻适用熔盐储罐换热器塔式56521000So1.ar盐双雄管光式槽式39821000So1.ar盐、低熔点盐单、双罐管亮式线性菲涅尔式53021OooSo1.ar盐双雄管壳式S-CO2光热系统70021OOO高温熔盐双、多罐管壳式、印刷电路板式3、焙盐储能在火电调峰领域的应用在火电机组中采用储能可以实
13、现削峰填谷，目前已经可以实现工程应用的是高温熔盐储热耦合火电机组调峰技术20熔盐-火电耦合系统的优势在于能极大地提高机组深度调峰和提供高温蒸汽的能力。熔盐-火电耦合形式多样，如抽取部分主蒸汽和再热蒸汽进入熔盐储能模块实现蒸汽蓄热：用发电机出口电力加热熔盐的电加热；通过烟气-熔盐换热器实现的烟气蓄热以及结合以上几种耦合形式的混合型加热。为提高熔盐-蒸汽换热效率、增加储能时长，火电调峰领域主要涉及高参数、宽温域的熔盐选型以及安全稳定的双罐熔盐系统.3.1 蒸汽蓄热3.1.1 再热蒸汽加热熔盐在火电机组正常运行的同时抽取高压主蒸汽和再热蒸汽加热熔盐，该耦合系统能够提高调峰性能和全过程循环效率，主要适
14、用于亚临界一次再热机组500600C水平的蒸汽蓄热。罗海华等21通过计算证明了再热蒸汽加热熔盐方案的可行性，该方案利用熔盐存储的热量加热给水，输出工业蒸汽，能实现火电机组热电解耦和供热调峰。熔盐-火电耦合也可存在多个抽汽点，范庆伟等10以600MW机组为例，提出多罐-多换热器储热系统，将再热蒸汽分别引入2个加热器，其中疏水段加热器的娴效率最高。3.1.2 再热+过热蒸汽加热熔盐同时抽取再热、过热蒸汽与熔盐换热的技术路线能够充分利用锅炉所产生的高温族汽，适用主蒸汽温度为500600C王辉等22设计了火电机组超临界百兆瓦级熔盐储能工艺流程，具体流程如图2所示。其中，冷罐熔盐预热后分成2路，分别进入
15、过热加热器和再热加热器，2路混合后进入热盐罐，实现熔盐回路的流动储热。该方案各工艺模块均为闭式循环，在全过程中锅炉和汽轮机的高温工质没有减少或浪费，能极大提高深度调峰能力和系统灵活性23。a主机模块：a1.一锅炉：a2-汽轮机：b充热功率模块；b1.蒸汽加热熔盐系统：b2再热加热器：bA过热加热器：b4一相变加热器：b5预热加热器：c储热能量模块：c1.热盐罐：c2冷盐罐：d-放热功率模块：d1.-熔盐蒸汽发生系统：d2过热器：d3蒸发器：d4一预热器.图2火电机组百兆瓦级熔盐储能工艺流程Eig.2Themo1.tensa1.tenergystorageprocessforonehundredM
