2017年第24卷第8期
技术与市场创新与实践槽式太阳能热电厂中采用双罐熔盐
张洪岩，江才俊，张太勇
(中广核工程有限公司，广东深圳518057)
摘要：目前世界上大部分槽式太阳能电站的储能系统都采用双罐储能系统，采用导热油作为中间载体。该理念已经被 商业运行的电站所验证，包括:SEGS I槽式电站（额定功率13.8 MWe，储热容量为120 MWht)、SOLARTWO塔式电站（额定 功率10 MWe，储热容量为105 MWht)。用于槽式电站的导热油价格昂贵，使得采用导热油作为储能介质的系统造价大幅上 升。根据SEGS I电站和SOLAR TWO电站的运行经验，研究得出双罐熔盐储能系统的造价根据罐尺寸大的不同约在 MYM30 ~40/KWht之间，并给出了详细的性能及造价分析数据，研究证明采用熔盐作为储能介质比采用导热油更为经济。 关键词：槽式太阳能储能系统；性能模型；经济分析
doi：10. 3969/j.issn.1006 - 8554. 2017.08.008
1概述
目前槽式太阳能技术被证明是最便宜且可行的太阳能热 利用发电技术。美国LUZ公司在加利福尼亚的沙漠中开发建 设了 9座大型的商业运行的槽式太阳能电站，单机容量从14 ~ 80 MW不等，总容量为384 MW。
第一座槽式太阳能热发电电站（SEGS1)建于1984年，具 有3h的储热能力，可以使电站在正常太阳能发电期和调峰期 转换。电站采用一种矿物油热媒介质，有2座储能罐:1座储存冷油，座储存热油，热油温度300^。该矿物油是高可燃性 的，在以后的项目中未再使用。后续效率更高的SEGS电站集 热场运行温度更高（400^)，对这些电站来说，用于SEGS1的双罐储能系统是不可行的，原因是合成的矿物油HTF的价格 太高，且苯醚的蒸汽压力要求采用压力容器，导致工程投资进 一步上升。
本文分析了在槽式太阳能电站中采用熔盐储能系统的可 行性。该理念已经成功的在SOLAR TWO项目中应用。研究 显示，在槽式光热项目上应用熔盐储能系统，没有巨大的技术 障碍，而且危险性较低。本文给出了熔盐储能的技术方案以及 经济性评价结果。
2电站简介
槽式太阳能电站由集热场、蒸汽生产系统、汽轮发电机系 统、储能系统、化石燃料补给系统等组成。
集热场由大量单极 跟踪的槽式集热器组成。热媒介质HTF在集热器里被加热到 393^，输送到发电区的蒸汽发生器，产生高压过热蒸汽（100 bar,371T)，过热蒸汽供给汽轮发电机组发电。
图1为典型的带有2个储能罐的大型槽式太阳能电站的 工艺流程简图。
图1带双罐熔盐储能的大型槽式太阳能光热电站工艺流程简图
25
创新与实践
环形风刀
TECHNOLOGY AND MARKET
300
-
290
-
2S 0 - 270 •
260
-
250 -
2A 0
230
22Q _
210
-
200
3储能系统
热储能系统由下列主要元素组成：硝酸盐、硝酸盐储存罐、
油/盐热交换器以及硝酸盐循环泵。所有主要设备，除了热交 换器，均在S 0LARTW 0项目中得到验证。3.1 安全分析
熔盐是硝酸钠和硝酸钾的混合物，都是氧化剂。如果在有 机物燃点之上相遇，可能会迅速反应，并燃烧或者爆炸。
kvm管理系统HTF 是人工合成有机油，由75%的氧化苯和25%的联苯 组成。因此，油/盐热交换器中的泄露将导致氧化剂混合碳氢 化合物，引起化学反应或者燃烧。
圣地亚国家实验室于1980年进行了熔盐安全性研究试 验，将液体汽油投人到大约600^的熔盐中，碳氢化合物暴露在 熔盐表面，形成压力蒸汽，如果暴露到空气中则开始燃烧。但 是，碳氢化合物并没有与硝酸盐发生化学反应。即是，600丈温 度还不足以发生理论上的还原反应，即从硝酸基中夺取氧原 子。
在油/盐热交换器管道里或者焊接断裂而引起的燃烧反应 可以认为是不太可能的，理由如下。
在国家防火规范里，HTF 的燃烧性能定为1，而汽油的燃 烧性能为3，因此，HTF 与熔盐的反应不会大于汽油与熔盐的 反应。
在热交换器里的最高温度为390丈，比圣地亚实验中的温 度低了 201丈，也比HTF 自燃温度低220丈，在热交换器里不存 在氧气。3.2
造价分析
造价包括：设备材料价格、安装人工费、现场施工的相关费 用，不包括工程管理、采购管理、施工管理的费用。
熔盐和熔盐泵的价格由西班牙SOLAR Tres 项目（15 MWe )的供货商提供。
储罐及其保温、基础的价格来自南加利福尼亚SOLAR TWO 项目（10
油/盐热交换器的价格预估为MYM 147/m 2。
辅助系统包括管道、阀门、仪表、电伴热、隔热绝缘、动力及 控制电缆、钢结构等，价格预估为上述设备材料总价格的 10%。
1
h 储能方案的单位造价非常高，这是因为油/盐热交换器
价格高昂，在小容量系统中占比高。在其余5种方案中，油/盐 热交换器的价格不是主导因素。4
性能模型
4. 1 PCTrough 性能模型
PCTrough 软件由Flabeg Solar 公司开发，是基于SEGS 电站 的S 0LERGY 和LUZ 模型的运行经验进行开发的。软件已经 扩展包括了联合循环系统、热储能系统、空冷系统等。计算模 型输出已被SE
GS 电站的性能检测数据所验证[6]。根据研究， 这个模型也适用于熔盐储能系统。使用P C T n gh 软件对给定 的配置方案做年性能计算。4.2
具有热储能的SEGS 电站的性能模拟
具有热储能的电站，太阳集热场的面积比没有储能的电站 大。集热场的面积与储能容量与当地的气象条件有关。储能 系统及整个电站的运行策略因气象条件、负荷需求、税率的不 同而不同。
储能系统模型也考虑了冷罐热罐的热损失。热损失计算 不仅是确定储能系统效率所必需的，而且也是凝冻保护运行所 必需的。熔盐的凝点为220T ，在坏天气或者电站停机时，必须 确保熔盐在此温度以上。图2表示的是在冬季停机几周的条 件下，1座6 h 储热容量的冷罐在冷却时的计算结果。
计算是依据CA ，Bastow 地区当年前6周的气候条件得出 的。图2中曲线显示，冷罐在没有储能和释放能量的情况下， 经过6周时间，罐内的温度在250T 以上，比凝点高很多。这么 长时间的停机在正常运行时是不可想象的。因此，储热系统在 正常运行时熔盐没有凝冻的风险。这一结论也被SOa Two 项Vol . 2,No . 8,2017
算。
目的储罐测量数据所验证。
〇Ay «
图2
停机6周后冷罐的冷却曲线
泛 snl nndujg j -n
26
2017年第24卷第8期
技术与市场创新与实践
年性能计算的结果见表1所示。
表1双罐熔盐储能系统的性能与经济性分析结果
方案
50
MW/0h
50
MW/3h
50
MW/6h
50
MW/9h
50
MW/12h
DNR (kWh/m2a) 2 717 2 717 2 717 2 717 2 717光岛面积（m2)305,20374,96479,60584,24619,12
动力岛效率37.5%37.5%37.5%37.5%37.5%
太阳热能
(GWh/a)
放热焊粉378484602718789汽轮机毛输出
(GWh/a)
119154196238267厂用电（G W h a)812162025
模块化机组
悠悠球轴承满负荷小时数
(h/a)
2 235 2 836
3 607
4 361 4 840容量因子（％)2632415055
净输出（G W h a)111.8141.8180.4218.0242.0工程总投资
(1000 USMYM)
谢宇风118,774155,564192,726229,786253,882年运维费用
(1000 USMYM)
3 51
4 3 843 4 181 4 498 4 710
发电成本 (USMYM/MWh)141.7140.9134.0129.9128.2
5经济评估
熔盐储能系统的经济性可用平均发电成本（LEC)来评估。
L E C由下述公式得出：
LEC[ $/MWhe]=总投资（固定费率）+燃料费用+运维费用⑴
净电力输出
图3表示了不同储能容量下的L E C值和满负荷运行小
时数。
根据图3，双罐熔盐储能系统在有较好的经济性。然而，
储能系统本身的造价预算指出小的储能系统的造价由于油/盐
热交换器的价格高使得相对造价较高。只有当储能系统容量
达到并超过3 h，才能降低LEC，使造价低于无储能的电站。最
低的L E C出现在储能系统达到12 h时，与无储能方案对比，
LEC 减少了 10%。
更高的储能容量将导致更高的LEC。这不是由于储能系
统的造价升高引起，主要原因是这么大容量的储能使系统利用
率反而降低。在夏季晴朗天气里，汽轮机完全可以由太阳能提
供能量达12 h，储能系统只要提供另外12 h的储能就可以了，
热罐里多余的大约有20%的储能不能被全部利用，这降低了
系统的经济性。
除了经济性的提升外，电站的容量因子也有相当的提
升。对9 h储能的电站来说，满负荷运行小时数对比无储能
方案来说增加了 1倍，15 h储能电站的满负荷运行小时数达
到5 000 h。
图3槽式熔盐储能电站的平均发电成本
6结语
热储能系统可以显著的提升太阳能热电厂的性能。通过 本文的研究，确认了双罐熔盐储能系统的技术和经济可行性，没有发现颠覆性的技术难点。L E C计算表明，设置储能系统可以提升槽式电站的经济性，带12 h储能的电站相对无储能电站L E C可以降低约10%。因此，储能系统不仅可以使太阳能热电
站运行更灵活，还可以降低平均发电成本LEC，也可以使的槽式技术更被市场关注。
27
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议