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            熔鹽VS固體蓄熱,誰是工業蒸汽的更佳替代方案?

             

            蒸汽是工業生產的重要能源形式,近段時間以來,在煤和天然氣價格上漲的壓力下,工業蒸汽的價格亦在攀升,這對用能單位造成了越來越大的壓力。

            煤和天然氣的價格在上漲,而谷電電價在下調,峰谷電價差在拉大,在這樣的背景下,利用低谷電熱儲能實現穩定低成本的高質量工業蒸汽供應,愈加現實和可行。

            在低谷電供蒸汽的技術方案中,熔鹽儲能和固體蓄熱為兩種主流的可選方案,這兩種技術方案到底哪種更佳?中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司的張怡等人對此作了研究。

            其以某工程為例,對熔鹽蓄熱系統與固體蓄熱系統進行了設計研究、對比,提出了熔鹽蓄熱系統設計的優化方案,并從系統性能、經濟性和可靠性方面做了對比。

            結果表明:所提出的優化方案有利于節省投資、節約占地、簡化系統;對于存在邊蓄熱邊放熱工況的電蓄能供熱站,推薦采用熔鹽蓄熱方式,更有利于蒸汽發生的穩定;熔鹽蓄熱系統雖較復雜,總投資也略高,但其換熱效率較高,耗電量較省,運行成本較低,收益更高。若可以進一步降低總投資,熔鹽蓄熱技術將成為傳熱蓄熱方面最具競爭優勢的清潔供熱方式。

             
            熔鹽蓄熱方案

            某工程利用夜間谷電8 h加熱熔鹽蓄熱,再通過高溫熔鹽與給水換熱產生0.75 MPa的飽和蒸汽10 t/h,需滿足企業1天24 h的供汽量。方案主要包括蓄熱系統和蒸汽發生系統。

            由于0.75 MPa對應飽和蒸汽溫度約為170℃,暫采用某低溫鹽(凝固點為115℃,熔鹽使用上限為570℃)為儲熱介質,儲熱時長8 h,儲熱量為25 MW/200 MW•h。

            蓄熱系統熔鹽罐采用雙罐配置,即一臺冷鹽罐和一臺熱鹽罐,冷鹽罐中配置3*50%冷鹽泵,熱鹽罐中配置2*100%熱鹽泵。熔鹽電加熱裝置采用2*50%方案,一臺電加熱器功率13 MW。蒸汽發生系統采用1*100%容量組合式換熱器,同時設置給水啟動電加熱器。

            本項目所在地區夜間低谷電價0.16元/(kW•h),熔鹽電加熱器運行功率約為25 MW。若年運行300天,那么系統電耗量為60 000 MW•h/a。水費為3.5元/t,考慮蒸汽不回收,耗水量為10 t/h。蒸汽售價若按照210元/t考慮,對外供汽10 t/h,1天運行24 h。按照系統運行25年測算,得到熔鹽蓄熱系統財務評價結果見下表。

             
             

            由上表可以看出:熔鹽蓄熱總投資約5 000萬元;在谷電價格較低、棄光棄風地區,工程的項目投資財務內部收益率較好,為7.8%;投資回收期約11.3年,經濟性較優。

             
            固體蓄熱方案

            固體蓄熱中較為成熟的是采用蓄熱磚蓄熱技術。其主要組成部分有蓄熱材料、電加熱管、結構件和保溫材料等。利用電加熱管將電能轉化成熱能存儲在蓄熱材料中,溫度最高可達800℃。放熱過程利用引風機將空氣引入蓄熱體內,變成高溫熱風輸送出來。熱風經過氣水換熱器將熱量傳遞給補水,提供蒸汽給用戶。

            該類蓄熱裝置因其初投資較低、產出多樣化,廣泛應用于實際工程項目中。但該類蓄熱裝置僅適合輸出低品質的能源,其產生的蒸汽溫度不高于200℃。該類蓄熱裝置的輸入電源既可以是低壓(380 V),也可以是高壓(10 kV,甚至35、66 kV)。

            目前蓄熱磚蓄熱裝置采用模塊化設計,單模塊最大可做到6 MW左右。由于固體儲能從蓄熱到放熱效率較熔鹽蓄熱更低,約85%,因此對于本項目,若采用固體磚蓄熱,電加熱運行功率有所增加,約27 MW,蓄熱量為216 MW•h。經計算,需配置4臺蓄熱裝置,每臺裝置重約600 t??傮w占地面積與優化后熔鹽蓄熱占地面積相當。

             
             

            采用固體蓄熱裝置,電源可由高壓10 kV接入,與熔鹽蓄熱相比可以節省變壓器費用。并且固體蓄熱將關鍵設備集成在蓄熱裝置中,系統間連接管道材料量更為節省?,F場安裝工作量也因為其模塊化配置,相應減少。

            采用固體蓄熱裝置,電源可由高壓10 kV接入,與熔鹽蓄熱相比可以節省變壓器費用。并且固體蓄熱將關鍵設備集成在蓄熱裝置中,系統間連接管道材料量更為節省?,F場安裝工作量也因為其模塊化配置,相應減少。

            在土建結構方面,固體蓄熱模塊僅需要考慮模塊區域基礎。4臺蓄熱裝置,每臺裝置重約600 t。而熔鹽蓄熱結構則分成熔鹽儲罐基礎和蒸汽發生系統平臺2個部分。單臺熔鹽儲罐約1 200 t(含熔鹽),本項目采用雙罐配置。因此,比較后發現,固體蓄熱系統的建筑費用也較省。

             

            本項目外部條件如前所述,運行功率約為27MW,耗電量為64 800 MW•h/a。蒸汽售價還是按照210元/t考慮,對外供汽10 t/h,1天運行24 h。按照系統運行25年測算,得出其財務評價結果見表2。由表2可以看出:固體蓄熱系統雖然總投資較省,約4 000萬元;但全壽命周期上看經濟性比熔鹽蓄熱系統略差;投資回收期為11.7年,項目投資財務內部收益率為7.3%。

             
            固體蓄熱VS熔鹽蓄熱

            2種蓄熱方式在電加熱模塊中電熱轉化效率都很高,可以達到99%。在后續熱交換過程中,熔鹽儲能系統的高溫熔鹽經一體式蒸發器與水換熱,得到蒸汽產品,經過一次流體與流體的換熱。而固體儲能系統中,高溫蓄熱磚與熱風換熱,熱風再經換熱器與水換熱,經過了固體與氣體換熱、氣體與流體的2次換熱過程,其換熱效率低于一次流體換熱效率。因此,從整體熱效率看熔鹽儲能系統更優。

            從系統控制來看,由于高溫熔鹽溫度幾乎恒定,經換熱器換熱情況簡單,易控制,蒸汽產品質量穩定。而固體蓄熱系統,在放熱過程中,隨著熱風的不斷循環,固體蓄熱裝置溫度慢慢降低,熱風溫度也隨著降低,因此在放熱后期還需調節熱風量、水量,來保證蒸汽產品質量。

            從總投資看,由于熔鹽蓄熱的工藝流程較固體蓄熱工藝更為復雜,因而使項目從設備采購、安裝、建筑方面投資都較高。

            但在營收相當的情況下,熔鹽蓄熱放熱的全系統流程換熱效率較高,全壽命周期下熔鹽蓄熱的投資回收期與項目投資財務內部收益率略高。

             
            結論與展望

            對于蒸汽供熱需求的熱用戶,推薦采用固體蓄熱技術與熔鹽蓄熱技術。

            固體蓄熱系統設計成熟,但從已運行的工程來看,固體蓄熱裝置除了換熱效率略低以外,還存在一些亟待解決的問題,如固體磚多次加熱后分化開裂、內部傳熱不均導致電加熱絲燒毀等。相比較,熔鹽蓄熱供汽系統雖較復雜,總投資也略高,但其換熱效率較高,耗電量較省,運行成本較低,收益更高。在做好防凝措施的基礎上,熔鹽蓄熱使用壽命長。針對邊蓄熱邊放熱的工況,熔鹽蓄熱技術運行更穩定可靠。

            若系統設備可以進一步優化,降低總投資造價,熔鹽蓄熱技術有望成為傳熱蓄熱方面最具競爭優勢的清潔供熱方式。

             

            注:本文節選自《應用于蒸汽供熱的蓄熱技術研究》,作者:中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司張怡等。
             
             

             

             
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            創建時間:2022-08-11 10:09
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