基于大規(guī)模光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱的高溫高壓供汽系統(tǒng)

基于大規(guī)模光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱的高溫高壓供汽系統(tǒng)摘要：大規(guī)模光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱高溫高壓供汽系統(tǒng)，是利用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，通過(guò)大容量熔鹽電加熱器，將光伏發(fā)電的電能轉(zhuǎn)化為熔鹽的熱能后儲(chǔ)存至熔鹽儲(chǔ)罐內(nèi)，再將高溫通過(guò)蒸發(fā)換熱系統(tǒng)加熱給水產(chǎn)生蒸汽，滿足工業(yè)企業(yè)高溫高壓蒸汽需求。該供熱系統(tǒng)未來(lái)具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，是解決當(dāng)前可再生能源電力消納、源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度協(xié)同、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、降低企業(yè)碳排放的有效手段之一，是實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)的重要舉措。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；熔鹽儲(chǔ)熱；高溫高壓蒸汽；碳中和1前言黨的十八大以來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，有力支撐了經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)有序發(fā)展。但同時(shí)電力系統(tǒng)綜合效率不高、源網(wǎng)荷等環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)不夠、各類電源互補(bǔ)互濟(jì)不足等深層次矛盾日益凸顯，亟待統(tǒng)籌優(yōu)化[1]。利用大規(guī)模光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱進(jìn)行工業(yè)供汽，產(chǎn)生滿足化工園區(qū)生產(chǎn)用高溫高壓蒸汽需求，是增加以新能源為主體的非化石能源開(kāi)發(fā)消納，提升企業(yè)清潔能源利用水平、降低碳排放的有力舉措。本文以某化工園區(qū)高溫高壓蒸汽需求為依托，介紹太陽(yáng)能光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱的高溫高壓供汽技術(shù)，并結(jié)合方案配置，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益分析。2系統(tǒng)原理大規(guī)模光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱高溫高壓供汽系統(tǒng)，是指利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電+大容量熔鹽電加熱器+高溫熔鹽儲(chǔ)熱+熔鹽蒸發(fā)換熱的供汽系統(tǒng)。既利用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，大容量熔鹽電加熱器根據(jù)光伏發(fā)電量，將低溫熔鹽加熱后儲(chǔ)存至高溫熔鹽罐內(nèi)，高溫熔鹽再根據(jù)后端蒸汽需求進(jìn)入蒸發(fā)換熱系統(tǒng)加熱給水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽進(jìn)行供汽，放熱后的低溫熔鹽返回低溫熔鹽儲(chǔ)罐內(nèi)，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。其具體工作原理如圖1所示。圖1光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱供汽系統(tǒng)流程圖Figure1Flowchartofphotovoltaicpowergenerationfusionmoltensaltheatstorageandsteamsupplysystem其運(yùn)行模式包括：（1）光伏發(fā)電+儲(chǔ)熱+供汽模式當(dāng)太陽(yáng)輻射條件較好時(shí)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，熔鹽電加熱器根據(jù)光伏發(fā)電量加熱熔鹽，再根據(jù)后端需求產(chǎn)生高溫高壓蒸汽進(jìn)行供汽。（2）放熱+供汽模式在夜間，利用白天熔鹽儲(chǔ)存的熱量加熱給水，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽供汽。（3）電網(wǎng)補(bǔ)充+供汽模式當(dāng)太陽(yáng)輻射條件較不好或遇連續(xù)陰雨天，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電量無(wú)法滿足連續(xù)供汽需求時(shí)，采用電網(wǎng)補(bǔ)充電量進(jìn)行加熱熔鹽，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽供汽。3關(guān)鍵設(shè)備3.1熔鹽電加熱器大容量熔鹽電加熱器是系統(tǒng)的核心，是電能轉(zhuǎn)化為熱能的重要設(shè)備，目前市場(chǎng)成熟的電加熱技術(shù)有電阻加熱技術(shù)、電磁加熱技術(shù)和電極加熱技術(shù)等。本方案采用電阻式熔鹽電加熱器，是利用特殊管狀電熱元件，結(jié)合法蘭集束形式與壓力容器組成的一個(gè)加熱整體，用于對(duì)流動(dòng)的液態(tài)介質(zhì)的升溫、保溫、加熱，同時(shí)配套智能溫度控制柜，滿足用戶控制加熱溫度的要求。圖2熔鹽電加熱器示意圖Figure2Schematicdiagramofmoltensaltelectricheater3.2熔鹽儲(chǔ)罐熔鹽儲(chǔ)罐系統(tǒng)由低溫熔鹽儲(chǔ)罐、高溫熔鹽儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐附屬系統(tǒng)等組成。低溫罐介質(zhì)工作溫度為290℃，高溫罐介質(zhì)工作溫度為565℃。儲(chǔ)罐附屬系統(tǒng)主要包括浸入式電加熱器、儲(chǔ)罐儀表、基礎(chǔ)通風(fēng)系統(tǒng)等。本方案罐體采用球面拱頂立式圓筒型，它由球面拱頂、筒體、底板三部分組成，采用焊接形式。3.3熔鹽泵熔鹽泵是熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，熔鹽泵在工作時(shí)所輸送的介質(zhì)熔融鹽處于高溫狀態(tài)，輸送溫度一般在290℃～575℃。應(yīng)用于熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熔鹽泵，其運(yùn)行溫度高，泵軸長(zhǎng)。近些年，隨著太陽(yáng)能光熱發(fā)電的興起，熔鹽泵的研究受到行業(yè)的重視，但熔鹽泵的主要市場(chǎng)還是化工行業(yè)[3]。本方案儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的熔鹽泵選擇立式單級(jí)或多級(jí)懸吊泵。4案例分析4.1用能需求及供汽參數(shù)本化工園區(qū)高溫高壓蒸汽需求參數(shù)為9.8Mpa，540℃，平均用汽量305t/h。根據(jù)供汽能源站初選廠址，本方案供汽距離約1.4km，計(jì)算蒸汽輸送途中壓力及溫度損失，確定供汽蒸汽參數(shù)為11.5MPa、555℃，暫無(wú)凝結(jié)水回收，給水溫度按25℃計(jì)算。4.2供能系統(tǒng)匹配4.2.1系統(tǒng)匹配原則依據(jù)項(xiàng)目廠址區(qū)太陽(yáng)能資源，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量、熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量、熔鹽電加熱器容量進(jìn)行匹配計(jì)算，并達(dá)到以下效果：（1）熔鹽電加熱器容量在保證供汽需求的基礎(chǔ)上，加熱器容量盡量小，使熔鹽電加熱器始終處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；（2）熔鹽儲(chǔ)罐全年運(yùn)行負(fù)荷大部分時(shí)間處于高位狀態(tài)，且儲(chǔ)熱系統(tǒng)初投資相對(duì)較低；（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)余電上網(wǎng)電量與電網(wǎng)補(bǔ)充電量基本平衡，且電網(wǎng)補(bǔ)充電量總體處于較低水平。4.2.2數(shù)學(xué)模型本方案采用Thermoflow電廠熱平衡軟件對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱高溫高壓供汽系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。熔鹽儲(chǔ)熱高溫高壓供汽系統(tǒng)熱平衡及系統(tǒng)流程詳見(jiàn)圖3。圖3高溫高壓供汽系統(tǒng)熱平衡圖Figure3Heatbalancediagramofhightemperatureandhighpressuresteamsupplysystem4.2.3裝機(jī)容量及系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)建模匹配分析計(jì)算，確定本方案光伏發(fā)電裝機(jī)容量為2000MWp，熔鹽電加熱器容量為750MW，熔鹽儲(chǔ)熱容量為3000MWh。系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。表1裝機(jī)容量及系統(tǒng)參數(shù)Table1Installedcapacityandsystemparameters序號(hào)項(xiàng)目單位數(shù)值1光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量MWp2000.02光伏系統(tǒng)年總發(fā)電量×108kW·h27.13年多余上網(wǎng)電量×108kW·h7.94年供汽量×108kW·h25.25年供汽自用電量×108kW·h26.56電網(wǎng)補(bǔ)充用電量×108kW·h7.3光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱的高溫高壓供汽系統(tǒng)在典型日的逐時(shí)光伏出力、儲(chǔ)罐狀態(tài)、電網(wǎng)補(bǔ)充負(fù)荷曲線詳見(jiàn)圖4：圖4高溫高壓供汽系統(tǒng)典型日曲線圖Figure4Typicaldailycurveofhightemperatureandhighpressuresteamsupplysystem4.3經(jīng)濟(jì)性分析根據(jù)估算，本方案供汽系統(tǒng)投資見(jiàn)表2：表2系統(tǒng)投資Table2Systeminvestment序號(hào)名稱型號(hào)參數(shù)投資（萬(wàn)元）1光伏發(fā)電系統(tǒng)2000MW7600002儲(chǔ)換熱系統(tǒng)3000MWh/300MW390003給水除氧系統(tǒng)300t/h30004電熔鹽加熱系統(tǒng)750MW170005電氣系統(tǒng)變壓器、升壓站、配電系統(tǒng)、線路等250006化水系統(tǒng)2×300t/h除鹽水系統(tǒng)45007總計(jì)848500本項(xiàng)目建設(shè)期1年，運(yùn)營(yíng)期25年，資本金比例30%，貸款利率4.9%，財(cái)務(wù)測(cè)算暫不考慮光伏土地費(fèi)用及電網(wǎng)容量配置費(fèi)。項(xiàng)目靜態(tài)投資84.85億元，建設(shè)期利息1.44億元，動(dòng)態(tài)投資86.29億元。按資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率8%測(cè)算，蒸汽價(jià)格約為367.1元/t。根據(jù)測(cè)算，本方案高溫高壓蒸汽價(jià)格高于目前企業(yè)燃煤鍋爐蒸汽價(jià)格，但隨著后續(xù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電及儲(chǔ)熱系統(tǒng)工程造價(jià)的降低，本方案系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性還有很大的提升空間。5結(jié)論本方案提出了基于大規(guī)模光伏發(fā)電融合熔鹽儲(chǔ)熱的高溫高壓供汽系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)建模計(jì)算及經(jīng)濟(jì)分析，該供熱系統(tǒng)未來(lái)具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，是解決當(dāng)前可再生能源電力消納、源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度協(xié)同、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、降低企業(yè)碳排放的有效手段之一，是實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)的重要舉措