摘要：塔式太阳能光热发电站中，熔盐储罐是工程的重要组成部分，其设计方案对工程成本影响巨大，从价值工程的角度，对其进行合理的优化设计具有重要意义。通过青海某光热项目实践，在对已建项目熔盐储罐设计方案分析研究的基础上，从降低熔盐储罐死液位下冗余设计的角度，提出了多种设计优化方案，能够有效降低此类工程的建设成本。

关键词：塔式光热电站;熔盐储热系统;设计优化

前言

随着国家“双碳”战略目标的提出，中国正在加速构建新型电力系统。作为一种清洁电力以及有效解决新能源发电波动性问题的成熟路径，太阳能光热发电成为国内电力行业发展的新方向。太阳能光热发电站(见图1)是通过聚光集热系统捕获并聚集太阳能后传热至高温热流体，再通过熔盐储热系统和换热系统传热至高温高压蒸汽，从而驱动传统汽轮机来发电，具有可储热、可调峰、可稳定输出和可非日照时发电等优点。

图 1 某塔式光热电站实景

熔盐储热系统是塔式光热电站关键环节之一，能有效的提供能量在时间上的延迟供给，保障系统的有效运行，其对整个光热发电项目的工程成本、安全及可靠运行影响极大。目前国内现有熔盐储热系统的研究成果中，对于熔盐储罐基础设计、结构强度分析、温度场分析、散热损失分析和建造质量管理方面的研究成果较多，对于储罐方案和体型的创新和优化研究目前尚未涉及。本文通过青海某光热项目实践，在对已建项目熔盐储罐设计方案分析研究的基础上，从降低熔盐储罐死液位下冗余设计的角度，提出多种设计优化方案，为有效降低此类工程建设成本提供借鉴。

1、储罐概况

调研青海某光热项目(见图2)和其它国内已建光热项目熔盐储罐典型设计方案发现，目前国内主流储热系统设计采用高/低温熔盐储罐的双罐设计方案。低温熔盐从低温熔盐罐中通过熔盐泵抽送至吸热器中,吸收热量变为高温熔盐后,进入高温熔盐罐中储存,发电时通过高温熔盐泵送至换热系统,与汽水进行换热后,温度降低变为低温熔盐,进入到低温熔盐储罐储存。通过高温与低温储罐间的熔盐循环往复流动,实现储热和放热功能。储热系统如图3所示。

图 2 某塔式光热电站熔盐储热系统建设实景

图 3 塔式光热电站熔盐储热系统

由于熔盐储罐底部采用近似平底设计,熔盐泵下插至罐底时须预留0.5~1.0 m不等的最低操作液位,此液位以下的熔盐不能充分参与系统循环,处于无功效状态。对于装机规模达到100 MW及以上的塔式光热电站,熔盐储罐往往体积很大,直径30~50 m,熔盐储量过万吨,成本过亿,储罐死液位占用了熔盐储热系统的工程成本,对造价影响大。

从价值工程原理讲,在确保功能不变的前提下减少成本,是实现价值提高的有效途径,有必要对熔盐储罐的设计方案优化给予足够的重视。本文通过青海某国家示范性光热项目实践,对已建项目熔盐储罐设计方案进行了分析,从降低熔盐储罐最低操作液位的角度,创新和优化熔盐储罐设计方案,减少工程熔盐用量,以降低工程建设成本,提升系统价值,经济效益显著。

2、典型项目优化流程

以某装机容量为100 MW的典型塔式太阳能光热发电站为研究对象,引入PDCA管理循环的工作

程序,开展熔盐储罐的设计优化探讨。PDCA设计优化循环分Plan、Do、Check和Ac鄄tion 4个阶段和8个事项,按照顺序依次开展工作,PDCA设计优化循环如图4所示。

图 4 PDCA 设计优化循环

将此循环流程应用在研究项目熔盐储热系统设计优化上,具体过程详见表1。

3、设计优化方案对比

二元熔盐和高、低温熔盐储罐是熔盐储热系统成本最重要的组成部分,是降低系统成本和实现价值的关键。研究项目高、低温熔盐储罐罐壁高度均为15 m,熔盐高度均为13.65 m。低温熔盐储罐直径为35.5 m,最低操作液位0.75 m,高温熔盐储罐直径为36.6 m,最低操作液位0.5 m。依据PD鄄CA设计优化循环流程,以典型塔式太阳能光热发电站主流熔盐储罐系统设计方案为基础,从改变罐底体型以降低最低操作液位角度进行创新,以典型塔式太阳能光热发电站主流熔盐储罐系统设计方案为基础,提出4种不同技术路线的优化方案。研究项目常规设计方案二元熔盐用量26 000 t,二元熔盐单价按6 700元/t计算,二元熔盐总成本1.742亿元。低温熔盐储罐1台,成本3 500万元;高温熔盐储罐1台,成本5 900万元/台。由于最低操作液位以下熔盐未有效进行系统循环,此部分熔盐用量高达2 320 t,4种方案(见图5)以不同的罐底体型进行了设计优化,将操作液位控制在局部体型范围内,从而减少了系统二元熔盐总用量。

图 5 熔盐储热系统设计 4 种优化方案

方案1：多点局部下沉设计。考虑最低操作液位要求,将储罐底部设计为多点局部下沉结构。即在每个熔盐泵与储罐底部配合位置设计局部下沉结构,各个熔盐泵对应的下沉结构互相独立，各泵对应点的下沉高度以满足最低操作液位要求为原则,下沉平面布置以泵轴为中心局部扩大,为泵正常工作和熔盐回流预留足够空间,多点下沉结构之间互不联通。

方案2：连通凹槽下沉设计。考虑最低操作液位要求和熔盐流动性需求,将储罐底部设计为连通凹槽下沉结构。即在每个熔盐泵与储罐底部配合位置设计下沉结构,各下沉式结构之间相互连通。连通凹槽各个泵对应点的下沉高度以满足最低操作液位要求为原则,平面上以泵轴为中心局部扩大,熔盐可在连通凹槽之间相互流动。

方案3：局部渐变下沉设计。考虑最低操作液位要求和储罐结构体型的平滑过渡需求,将储罐底部与熔盐泵对接区域设计为局部渐变式下沉结构,每个熔盐泵与储罐底部配合位置均位于渐变式下沉结构的深液位区,高低液位区之间采用平滑过渡,熔盐可从高液位区流动到低液位区,再被各熔盐泵从罐内抽出至其它各系统。

方案4：罐外下沉小罐设计。考虑熔盐储罐直径大,为降低罐底最低操作液位以下熔盐的浪费,熔盐储热系统在高、低温熔盐储罐外增设下沉小罐,高、低温熔盐储罐与下沉小罐之间结构独立但通过底部管路连通,系统循环时,使熔盐先流出至小罐,再从小罐内用泵抽出至其它各系统。

总体而言,方案1~4通过不同的方式,降低了常规设计方案熔盐储罐最低操作液位以下的冗余熔盐,节省二元熔盐的总用量,降低熔盐储罐的整体高度,从而节省了工程成本。与常规设计方案对比,方案1~3均采用储罐底板下沉式设计的思路,由于技术路线的差异,一方面会引起节省熔盐用量和熔盐储罐成本的不同;另一方面,不同的下沉结构,对应熔盐储罐底板在下沉位置的流动性和适应温度变化能力会有所不同。方案4采用的罐外下沉小罐设计理念,能够避免熔盐储罐底板的下沉设计,但会额外增加小罐的成本和附属管路,但会减少熔盐泵的成本。为全面反映以上4种优化方案在经济和技术上与常规设计方案的区别,将优化方案与常规设计技术经济对比分析,具体见表2。

从对比结果可知,4种方案可节省研究项目熔盐储热系统成本分布在1 322万~1 761万元,经济效益显著。从节省成本的角度讲,方案1最佳,方案2次之,方案3再次之,方案4一般;从罐底熔盐的流动性讲,方案3和方案4最佳,方案2次之,方案1一般;从熔盐储罐底部对温度变化的适应性讲,方案3最佳,方案2次之,方案1和方案4一般。总之,4种方案从不同的技术路径,创新了熔盐储热系统,与常规设计方案对比各有其特点,但均能够有效减少项目二元熔盐用量和降低项目的建设成本。

4、结论

熔盐储罐的设计方案对塔式太阳能光热发电站的工程成本影响巨大,从价值工程的角度,对其进行合理的优化设计,具有重要意义。本文从降低熔盐储罐最低操作液位的角度,创新和优化了熔盐储罐设计方案,能够减少工程熔盐用量、降低建设成本、提升系统价值,经济效益显著,可为后续类似光热项目熔盐储罐的建设提供参考。主要结论如下:

(1)通过引入了PDCA管理循环的工作程序,从减少熔盐储罐最低操作液位的角度提出了设计优化思路。以典型塔式太阳能光热发电站主流熔盐储罐系统设计方案为基础,从改变罐底局部体型的角度提4种不同的优化设计方案。

(2)优化方案对熔盐泵处罐底局部体型进行了创新,以局部空间的改变适应熔盐泵最低操作液位的要求,从而避免罐底整体空间因适应最低操作液位要求造成的设计冗余。从节省成本、罐底熔盐流动性和温度变化适应性方面,推荐方案3。

此次开展的塔式光热电站熔盐储热系统设计优化理念探讨成果具有显著的技术经济效益,能够有效降低此类工程的建设成本,对于类似项目的设计优化及管理工作具有一定的指导意义。

作者：许立国，祁林攀，沈亚军，戴雨薇