第3卷
第3期
2014年5月
储 能 科 学 与 技 术 Energy Storage Science and Technology Vol.3 No.3May 2014
特约文章
独立熔盐蓄热电站技术及其评价
吴玉庭，任 楠，马重芳，刘 斌
（北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用
北京市重点实验室，北京 100124）
摘 要：储能电站可解决可再生能源间歇性和不稳定性的问题，满足常规电力系统和区域能源系统效率、安全性和经济性的迫切需要。本文提出了一种新的蓄热电站技术——独立熔盐蓄热电站，进行了独立熔盐蓄热电站原理的介绍、概念设计和技术经济评价。结果表明：独立熔盐蓄热电站初期投资很低，仅为6152.88元/kW，投资回收期短，在3年以内。独立熔盐蓄热电站占地面积小，可建在城市中实现热电联供，总能效率可由单纯发电的30%提高到80%以上。
关键词：储能；熔融盐；蓄热；电站
doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2014.03.002
中图分类号：TK 513 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2014）03-191-06
Independent thermal storage power station with molten salt：
Technology and evaluation
WU Yuting，REN Nan，MA Chongfang，LIU Bin
（Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，Key Laboratory of Heat Transfer
and Energy Conversion，Beijing Municipality，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of
Technology，Beijing 100124，China）
Abstract：Energy storage power station is an effective method to meet the urgent demand for solving the problem of intermittency and instability of renewable energy and improving the efficiency, security and economical efficiency of conventional electric power system and the regional energy system. A new kind of thermal storage power station technology——Independent thermal storage power station with molten salt is proposed in this paper. This paper outlines the principle, conceptual design and techno-economic appraisal of the independent thermal storage power station with molten salt. The results show that initial investment of the station is very low, only 6152.88yuan/kW. Its payback period is short, within three years. Independent storage plant with molten salt can set up in cities and towns with less area occupation and the plants can realize the cogeneration of heat and power. Total efficiency can be raised from 30% for power only to more than 80% for cogeneration. Key words：energy storage；molten salt；thermal storage；power station
区域能源系统效率、安全性和经济性的迫切需要，是发展“安全、高效、低碳”的能源技术、占领能源技术制高点的“战略必争领域”。长期以来，电力以一种简单单向的方式从生产端输往用户端，电力系统仅仅包括5个价值链，即原材料（煤、石油、天然气等）、发电、输电、配电和用电（几乎没有存储环节）。因此，电力系统经济性、效率和安全性受到很大限制，迫切需要经济、可靠、高效的储
储能电站将光伏电、风电、低谷电等多余的电能通过储能介质存储起来，需要用电时，储能介质放出能量产生电能向电网输送。储能电站是解决可再生能源间歇性和不稳定性、提高常规电力系统和收稿日期：2014-04-08；修改稿日期：2014-04-16。
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB227103）及北京市科技计划项目（D[**************]）。 第一作者及通讯联系人：吴玉庭（1970—），男，博士，教授，主要研究方向为高温传热蓄热，高效热功转换，E-mail：[email protected]。
192储 能 科 学 与 技 术 2014年第3卷
系统都提高到80%，则可减少2.1亿千瓦的火电装机建设和25%电网容量建设，相当于减少投资1.05
储能电站是我国可再生能源大规模接入的迫切万亿元，同时每年节约3000万吨标准煤[3]。 要求。根据我国《可再生能源发展“十二五”规划》，近10年来，主要发达国家均启动了电力储能系到2015年，我国风电和太阳能并网装机分别达到1统的国家级研究计划，包括美国、日本、英国、欧亿千瓦和1500万千瓦；到2020年，风电和太阳能盟和澳大利亚等[4]。预计到2050年，世界电力储能并网装机分别达到2亿千瓦和5000万千瓦。但风能系统的容量将从现在占发电总量的3.0%（128 GW）和太阳能等可再生能源固有的间歇性和波动性对电增加到10%~15%，甚至更高。截止2011年，我国网的冲击很大，导致我国风电和光伏发电未并网比储能装机为17 GW，约占全国电力总装机的1.6%，例高，弃风/光严重。如2011年我国风电未并网率远低于世界2.6%的平均水平；到2020年，我国电达到28%；光伏未并网率达到29%；三北地区平均力储能装机容量需要达到70 GW以上，占全国电力弃风率约为16%，而2012年的全国总弃风量达200总装机容量的4.0%~5.0%[4]。 亿kW·h，为2011年的一倍，平均弃风率为20%，已有储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能
[1]
局部地区达40%。如果不解决风能和太阳能的大（CAES）、蓄热、蓄电池、超导、飞轮和超级电容规模接入问题，到2015年和2020年，相当于每年器等，这些储能技术的技术经济比较见表1[5]。比将分别损失3300万吨和7000万吨标准煤。利用储较这些储能技术可以发现：除抽水蓄能、压缩空气能电站可以实现可再生能源平滑波动、跟踪调度输储能和储热3种物理储能的单机容量可以达到或超出、调峰调频等，使可再生能源发电稳定可控输出，过100 MW规模外，其它储能技术均在10 MW甚满足可再生能源电力大规模接入并网的要求。 至1 MW规模以下；也只有这3种物理储能技术成
储能电站是提高常规能源发电与输电效率、安本较低，不超过100美元/kW·h，而且储能寿命较长。全性和经济性的迫切需要。为了满足电力负荷的要各种储能技术的装机容量如图1所示[6]，到2012年求，当前的发电装机容量与电网容量是按最大需求8月为止全球储能总装机202.5 GW，其中，抽水蓄建设，随着电网峰谷差日趋增大，必然导致非用电能最多135.09 GW，UPS储能64.82 GW，蓄热 高峰时发电机组的停机或低负荷运行以及电网容量1.6 GW（实际上到现在为止已经运行的蓄热太阳能
2011年全国常规燃煤发电机组发电总负荷热发电站已经超过1.2 GW, 按此计算蓄热总装机的浪费。
[2]
系数仅为51.8%，电网负荷利用系数也小于55%。容量达到了2.2 GW），压缩空气储能（440 MW），利用储能电站储能可以大幅提高火电机组实际运行各种电池装机总量（594 MW）。由此可以看出蓄效率，增强电网的输电能力。以2011年为例，如果热是仅次于抽水蓄能、UPS储能的第三大储能技术，利用储能电站将燃煤机组的总负荷系统及电网利用 具有很好的发展前景。
表1 不同储能技术比较[5]
Table 1 Comparison of different energy storage technologies[5]
储能类型
效率/%
单机容量/MW
储能密度 /W·h·kg
–1
能电站与之相配套，储能电站被称为电力产业的第6价值链和21世纪电力产业的新经济增长点。
成本 /美元·kW
–1
成本 /美元·(kW·h)–1
反应时间快
寿命/年5～40
成熟性 基本成熟 成熟 基本成熟 示范 成熟 商业化 商业化 示范 研发中 基本成熟 基本成熟 示范
环境影响小 大 大 很小 大 大 大 大 大 小 小 良性的
蓄热 30～60抽水蓄能 75～85压缩空气 50～89飞轮 93～95铅酸蓄电池 70～90镍镉蓄电池 60～65钠硫电池 80～90锂电池 85～90液流电池 75～85电容器 60～65超级电容器 90～95超导磁储能 95～98
0～300 80～250 200～300 3～50 100～5000 0.5～1.5 600～2000 5～100 3～400 30～60 400～2000 2～100 0.25
10～30
0～40 30～50 0～40 50～75 0.1 0.05 0.3
75～200 0.05～5 2.5～15
快 40～60快 20～60
约15 5～15
很快 350 5000 快 300 400 500~1500
800～1500 300～500
快 10～20快 10～15
5～15 5～15 约5
很快
0.05～8 150～240 1000～3000
4000 2500 快 很快 400 1000
0.3～15 10～50 600～1500 150～1000
很快 20以上300 2000
很快 20以上300 10000
0.1～10 0.5～5
第3期吴玉庭等：独立熔盐蓄热电站技术及其评价 193
图1 全球电力储能装机[6]
Fig.1 Global electricity energy storage capacity[6]
常见的中高温蓄热介质有蒸汽、水、导热油、液态金属、空气、熔融盐等。熔盐因其具有广泛的使用温度范围、低蒸汽压、大热容量、黏度低、相对密度大、低成本等诸多特性，成为传热蓄热介质的首选。熔融盐蓄热分为潜热蓄热和显热蓄热。显热蓄热主要是通过蓄热材料温度的上升或下降来储存或释放热能，在蓄热和放热过程中蓄热材料本身不发生相变或化学变化。熔融盐的显热蓄热技术是两种热能存储方式中原理较简单、技术较成熟、蓄热方式较灵活、成本较低廉的一种，并已具备大规模商业应用的能力。目前国际上已实现了熔盐蓄热的大规模应用，但目前的大规模应用主要是与太阳能热发电结合，如西班牙Andasol 50 MW槽式太阳能热电站采用了3万吨熔盐进行蓄热，在没有太阳的时候该太阳能热电站还能依靠高温熔盐释放的热能满负荷发电7.5 h。目前像Andasol电站采用大规模熔盐蓄热的商业化运行太阳能热电站已达20座以上，总装机容量超过了120万千瓦。
实际上熔盐蓄热除了跟太阳能热发电结合之外，还可以做独立熔盐蓄热电站，但国际上还未见独立熔盐蓄热电站的公开文献报道。本文的目的是介绍独立熔盐蓄热电站这种大规模熔盐蓄热新技术，并对其性能进行技术经济评价。
1 基本原理及优势
1.1 基本原理
所谓独立熔盐蓄热电站就是储能时，电能通过电加热器加热高温熔盐，变为高温热能储存在熔盐中，需要用电时，再利用高温熔盐储存的热能加热水产生水蒸气，从而驱动蒸汽轮机发电，实现能量释放。独立熔盐蓄热电站的示意图如图2所示。
具体工作原理为：当电源1有电力输出需要储
能时，熔盐电加热器2启动，利用不稳定电能或低谷电将由低温熔盐泵5从冷盐罐4抽出的低温熔盐加热至高温，然后将高温的熔盐储存在热盐罐3中，此过程实现了电能向热能的转化。当需要用电或用电高峰期时，热盐罐顶部的熔盐泵6启动，将高温熔盐不断输送到盐水换热器7即蒸汽发生器中加热水产生蒸汽推动蒸汽轮机发电，此过程实现了热能向电能的转化，而高温熔盐则不断放热变为低温熔盐回到冷盐罐中，完成一次循环。此外，经蒸汽轮机8发电后的乏汽可以进入城市供热换热系统9中，加热市政用水后变为低温的水进入盐水换热器中进行下一次的热交换。整个系统都是通过微电脑控制器10智能控制实现的。该微电脑控制器通过管路上安装的温度传感器、流量传感器等反馈的信号来智能调节熔盐电加热器的启停及加热功率，调节冷、热盐罐中熔盐泵的频率来控制熔盐的流量以满足用户端的不同需求。
图2 独立熔盐蓄热电站示意图
Fig.2 Schematic diagram of independent molten salt
storage thermal power station
1.2 优势及应用范围
与压缩空气储能和抽水蓄能电站相比，独立熔盐储热电站具有占地面积小、不受地理条件限制、可建在城市内部等优点，另外建在城市的大规模高温蓄热电站还可与城市供热相结合，建成大规模的高温蓄热电联供电站，实现热电联供后可将蓄热电站的效率由原来的30%提高到70%以上，这一效率与目前抽水蓄能电站效率相当，但成本要比抽水蓄能和压缩空气蓄能电站低。因此高温蓄热电站是一种具有广阔发展前景的大规模物理储能技术。独立
熔盐蓄热电站既可用于光伏和风力电站的能量储
194储 能 科 学 与 技 术 2014年第3卷
存，解决风力发电和光伏发电的弃风和弃光问题；也可用于智能电网储能电站，实现发电和用电的时空解耦，延缓和减少电源电网建设，提高能源利用效率和电网整体资产利用率。
2 50 MW熔盐蓄热电站的概念设计
2.1 总述
该蓄热电站装机容量为50 MW，每天放热发电6 h，蓄热时间为8 h，冬季时在白天放热发电时可将冷凝器的排热预热市政供暖的热水，以减少市政供暖的燃煤或燃气消耗，春夏秋三季可为城市提供生活热水。采用目前最常用的二元混合硝酸盐60%NaNO3+40%KNO3（质量分数）作为蓄热工质，采用显热蓄热方式。 2.2 朗肯动力循环方案
项目规划总装机容量为50 MW，装机方案为1×50 MW。汽轮发电机组采用高压高温，其具体形式为：高压、再热、三级低压抽气、两级高压抽气、一级除氧抽气、湿冷纯凝汽轮发电机组。由于发电岛的相关技术已经非常成熟，这里只列出汽轮机、发电机、蒸发器和冷凝器的基本参数（见表2和表3），其它方面不再赘述。
表2 汽轮机和发电机的基本参数
Table 2 The basic parameters of the steam turbine and
generator
汽轮机相关参数 数值 发电机相关参数数值 额定功率/MW 50，最大60额定功率/MW
50 额定进气量/t·h–1 159 额定电压/kV 10.5 汽轮机额定转速/r·min–1
3000 功率因素 0.8（滞后）
额定进气压力/MPa 10.0 额定频率/Hz 50 进气温度/℃
535
额定转速/r·min1
3000
2.3 蓄热系统
（1）主要组成 系统的主要设备有：1个冷盐
罐，4个冷盐泵，1个熔盐电加热器，1个热盐罐，
3个热盐泵。系统辅助设备包括16个电加热器（每
个盐罐8个），1个疏盐罐。
（2）熔盐罐 本系统采用目前最常用的二元混
合硝酸盐60%NaNO3+40%KNO3（质量分数）作为
蓄热工质，采用显热蓄热方式。总蓄热容量为858 MW·h·t，等效额定工况出力蓄热量为6 h，熔盐需求量为7600 t。蓄热器分为热罐和冷罐，以减少因冷热熔盐混合带来能量的品位损失，冷、热罐的内径均为21.5 m，冷、热罐有效高度分别为11.0 m和12.0 m。冷罐材料采用SA516Gr70，热罐材料为316不锈钢，冷罐内工质设计温度为320 ℃；热罐内蓄热工质设计温度为580 ℃，蓄热器平均效率为97%，其相关参数见表3。
表3 熔盐蓄热罐性能参数
Table 3 Parameters of molten salt heat storage tank
熔盐蓄热罐各项性能性能参数熔盐蓄热罐各项性能性能参数蓄热容量/MW·h 858 热罐电加热功率/kW 500 熔盐质量/t
7600
热罐电加热器起止温度范围/℃
450～550
冷罐熔盐温度/℃ 290 蓄热罐电加热器平均运行时间/h·周–1 2 热罐熔盐温度/℃ 565 蓄热罐平均热效率/% 97% 冷、热罐直径/m 21.5 冷热罐最低液位高度/m1 冷、热罐高度/m 13 冷热罐最高液位高度/m10 冷罐电加热功率/kW275
热罐材质
316 冷罐电加热器起止温度范围/℃
270～320冷罐材质
SA516Gr70
罐顶部需要布置加强筋，以承受熔盐泵的重量。采用现场焊接的方式。在整个系统中，所有的换热器、阀门、管线等都要有电阻丝加热，防止熔盐凝固。罐顶、罐壁和罐底部都有保温层。
（3）熔盐泵 熔盐泵采用立式泵，均设置变频装置，电机位于罐顶的支撑结构上，泵的长轴深入罐底部。由于熔盐泵无法将熔盐全部泵出，因此熔盐罐底部有最低液位，一般为1 m。泵停止工作时，泵内的熔盐在重力作用下自动流回罐内。
（4）疏盐系统 地面2米以下一般放置一个容积为30 m³的疏盐罐。用于收集管道和换热器内的熔盐。疏盐罐内有立式泵，将收集的熔盐返回到冷盐罐中，并装配有电加热器防止熔盐凝结。在疏盐
系统中还设置有泄漏探测器，一旦发现有泄漏，立
即将盐/水管路分开，并确认泄漏位置。
2.4 熔盐换热系统
盐/水换热器（即蒸汽发生器）用于将熔盐存储
的热量传递给汽轮机工质水（汽），以驱动汽轮发
电机组产生电能。蒸汽发生器为三段式，分别为给
水预热器、蒸发器和蒸汽过热器，三台加热器均为管壳式，其中预热器和过热器管侧为水、汽，蒸发器管侧为熔盐，相应的壳侧分别为熔盐和饱和水。
第3期吴玉庭等：独立熔盐蓄热电站技术及其评价 195
3 50 MW熔盐蓄热电站技术经济评价
条件、不同的特点、不同的优缺点。静态分析法主要有投资回收期法、追加投资回收期法、计算费用
（1）电站经济性分析 在市场经济发展的今天，
法3种方法。
经济已成为各个领域研究的核心问题。技术和经济
本文采用计算费用法对独立熔盐蓄热电站的单
是人类社会进行物质生产不可缺少的两个方面，它
位装机量的固定资产投资成本进行估算，见表4。
们是密切联系、互相制约和互相促进的。技术经济
由表4可知，该案例的工程静态投资为30764.4万
分析的目的是评价经济效益的大小。评价标准就是
其单位投资为6152.88元/kW。该电站一年发电据以评论经济效益的客观尺度，需建立一系列的经元，
济指标体系去分析衡量技术方案的效果，对不同 2000 h，年总发电量为1亿度电，年产热量为
参照抽水蓄能电站电价，每度电的上的方案进行对比、分析和预测，评价才可能完整全1.8亿千瓦时。
面，从多方案的比较中选择最优方案，为决策提供网电价为0.8元/kW·h，年售电收益8000万元。热
[4-6]
依据。 价按照0.4元/kW·h计算，年售热收益7200万元，
技术经济分析法可分为静态分析法、动态分析法和不确定性分析法。不同的方法各有不同的假设
则年总收入为1.52亿元。按此估算，该电站3年即可收回投资。
表4 固定资产投资总估算表
Table 4 Estimate table of fixed asset investment
序号 一 （一） （二）
1 2 3 4 5 6 二 （一） （二） （三）
工程或费用名称 主辅生产工程 蓄热系统 发电系统 热力系统 水处理系统 供水系统 电气系统 热工控制系统 附属生产工程 与厂址有关的单项工程
地基处理
厂区、施工区土石方工程
厂内外临时工程 工程静态投资/万元 各类费用单位投资/元·kW–1 各类费用占静态投资的比例/%
建筑工程费/万元
设备购置费/万元
安装工程费/万元
合计/万元
单位投资/元·kW–1
6083 19983 4013.4 30079.4 6015.88 306 9350 196.4 9853 1970.6 5777 10633 3817 20227 4045.4 968 5538 931 7437 1487.4 309 434 148 891 178.2 384 153 73 610 122 58 2423 1462 3943 788.6 1431 1036 2467 493.4 4058 654 167 4879 975.8 590 0 95 685 137 190 267 133
— — —
— —
190 38 267 53.4
95 228 45.6
— 6673 19983 4108.4 30764.4 — 1330.6 3996.6 821.68 6152.88 — 21.6 65.0 13.4 100
（2）电站效率 该电站的热效率主要取决于以下子系统的效率，见表5。从表5可以发现，由于熔盐加热器实现的是电能向热能的转化，其效率非常高，而熔盐蓄热单元和主蒸汽管道的效率也可通过良好的热绝缘得到保证。因此，制约本电站年均效率的关键因素为汽轮机发电机组的年均效率。所以，在不考虑城市供热的情况下，该电站的年均效率为30%；而考虑城市供热后，本电站实现了热电联供，其总能量转换效率将达到80%以上。
表5 电站各系统效率
Table 5 The power efficiency of each system
电站各系统 熔盐加热器效率 熔盐蓄热单元年均效率 主蒸汽管道效率
汽轮机发电机组年均效率 本电站年均效率 电热转换效率 电站总能转换效率
效率/% 90 99 99 35 30 52 82
196储 能 科 学 与 技 术 2014年第3卷
4 结 语
综上所述，储能电站是提高常规能源发电与输电效率、安全性和经济性的迫切需要。针对以上情况，结合熔盐的独特优点，本文提出了独立熔盐蓄热电站的概念，与压缩空气储能和抽水蓄能电站相比，独立熔盐储热电站具有占地面积小、不受地理条件限制、可建在城市内部等优点；另外建在城市的大规模高温蓄热电站还可与城市供热相结合，建成大规模的高温蓄热电联供电站，实现热电联供后可将蓄热电站的效率由原来的30%提高到80%以上，这一效率要高于抽水蓄能电站效率，且成本要比抽水蓄能和压缩空气蓄能电站低。因此，独立熔盐蓄热电站是一种具有广阔发展前景的大规模物理蓄能技术。
0.html.
参 考 文 献
[1] 国家电力监管委员会. 风电、光伏发电情况监管报告[R/OL].
2011-01-30.http://wenku.baidu.com/view/d44029f29e[1**********]33[2] 国家电力监管委员会. 2011年度发电机组并网运行情况监管报告
[R/OL].http://wenku.baidu.com/view/e6a9639f51e79b89680226e3.html.
[3] Wei ChunHan MinxiaoYang Xia. Analysis （魏春），（韩民晓），（杨霞）
on influences of low-carbon economy on load factor of power grid[J]. Power System Technology（电网技术），2010，34（9）：100-104. [4] 全国工商联储能专业委员会. 储能产业研究白皮书2012[EB/OL].
http://wenku.baidu.com/view/528fa992dd88d0d233d46a6e.html. [5] Kousksou T，Bruel P，Jamil A，Rhafiki T E，Zeraouli Y. Energy
storage：Applications and challenges[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells，2014，120：59-80.
[6] Giovanni D. Energy storage systems for commercial facilities [EB/OL].
[2013-03-13].http://www.jointventure.org/index.php?option= com_cont-
ent&view=article&id=873&Itemid=655.
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独立熔盐蓄热电站技术及其评价
吴玉庭，任 楠，马重芳，刘 斌
（北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用
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关键词：储能；熔融盐；蓄热；电站
doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2014.03.002
中图分类号：TK 513 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2014）03-191-06
Independent thermal storage power station with molten salt：
Technology and evaluation
WU Yuting，REN Nan，MA Chongfang，LIU Bin
（Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，Key Laboratory of Heat Transfer
and Energy Conversion，Beijing Municipality，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of
Technology，Beijing 100124，China）
Abstract：Energy storage power station is an effective method to meet the urgent demand for solving the problem of intermittency and instability of renewable energy and improving the efficiency, security and economical efficiency of conventional electric power system and the regional energy system. A new kind of thermal storage power station technology——Independent thermal storage power station with molten salt is proposed in this paper. This paper outlines the principle, conceptual design and techno-economic appraisal of the independent thermal storage power station with molten salt. The results show that initial investment of the station is very low, only 6152.88yuan/kW. Its payback period is short, within three years. Independent storage plant with molten salt can set up in cities and towns with less area occupation and the plants can realize the cogeneration of heat and power. Total efficiency can be raised from 30% for power only to more than 80% for cogeneration. Key words：energy storage；molten salt；thermal storage；power station
区域能源系统效率、安全性和经济性的迫切需要，是发展“安全、高效、低碳”的能源技术、占领能源技术制高点的“战略必争领域”。长期以来，电力以一种简单单向的方式从生产端输往用户端，电力系统仅仅包括5个价值链，即原材料（煤、石油、天然气等）、发电、输电、配电和用电（几乎没有存储环节）。因此，电力系统经济性、效率和安全性受到很大限制，迫切需要经济、可靠、高效的储
储能电站将光伏电、风电、低谷电等多余的电能通过储能介质存储起来，需要用电时，储能介质放出能量产生电能向电网输送。储能电站是解决可再生能源间歇性和不稳定性、提高常规电力系统和收稿日期：2014-04-08；修改稿日期：2014-04-16。
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB227103）及北京市科技计划项目（D[**************]）。 第一作者及通讯联系人：吴玉庭（1970—），男，博士，教授，主要研究方向为高温传热蓄热，高效热功转换，E-mail：[email protected]。
192储 能 科 学 与 技 术 2014年第3卷
系统都提高到80%，则可减少2.1亿千瓦的火电装机建设和25%电网容量建设，相当于减少投资1.05
储能电站是我国可再生能源大规模接入的迫切万亿元，同时每年节约3000万吨标准煤[3]。 要求。根据我国《可再生能源发展“十二五”规划》，近10年来，主要发达国家均启动了电力储能系到2015年，我国风电和太阳能并网装机分别达到1统的国家级研究计划，包括美国、日本、英国、欧亿千瓦和1500万千瓦；到2020年，风电和太阳能盟和澳大利亚等[4]。预计到2050年，世界电力储能并网装机分别达到2亿千瓦和5000万千瓦。但风能系统的容量将从现在占发电总量的3.0%（128 GW）和太阳能等可再生能源固有的间歇性和波动性对电增加到10%~15%，甚至更高。截止2011年，我国网的冲击很大，导致我国风电和光伏发电未并网比储能装机为17 GW，约占全国电力总装机的1.6%，例高，弃风/光严重。如2011年我国风电未并网率远低于世界2.6%的平均水平；到2020年，我国电达到28%；光伏未并网率达到29%；三北地区平均力储能装机容量需要达到70 GW以上，占全国电力弃风率约为16%，而2012年的全国总弃风量达200总装机容量的4.0%~5.0%[4]。 亿kW·h，为2011年的一倍，平均弃风率为20%，已有储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能
[1]
局部地区达40%。如果不解决风能和太阳能的大（CAES）、蓄热、蓄电池、超导、飞轮和超级电容规模接入问题，到2015年和2020年，相当于每年器等，这些储能技术的技术经济比较见表1[5]。比将分别损失3300万吨和7000万吨标准煤。利用储较这些储能技术可以发现：除抽水蓄能、压缩空气能电站可以实现可再生能源平滑波动、跟踪调度输储能和储热3种物理储能的单机容量可以达到或超出、调峰调频等，使可再生能源发电稳定可控输出，过100 MW规模外，其它储能技术均在10 MW甚满足可再生能源电力大规模接入并网的要求。 至1 MW规模以下；也只有这3种物理储能技术成
储能电站是提高常规能源发电与输电效率、安本较低，不超过100美元/kW·h，而且储能寿命较长。全性和经济性的迫切需要。为了满足电力负荷的要各种储能技术的装机容量如图1所示[6]，到2012年求，当前的发电装机容量与电网容量是按最大需求8月为止全球储能总装机202.5 GW，其中，抽水蓄建设，随着电网峰谷差日趋增大，必然导致非用电能最多135.09 GW，UPS储能64.82 GW，蓄热 高峰时发电机组的停机或低负荷运行以及电网容量1.6 GW（实际上到现在为止已经运行的蓄热太阳能
2011年全国常规燃煤发电机组发电总负荷热发电站已经超过1.2 GW, 按此计算蓄热总装机的浪费。
[2]
系数仅为51.8%，电网负荷利用系数也小于55%。容量达到了2.2 GW），压缩空气储能（440 MW），利用储能电站储能可以大幅提高火电机组实际运行各种电池装机总量（594 MW）。由此可以看出蓄效率，增强电网的输电能力。以2011年为例，如果热是仅次于抽水蓄能、UPS储能的第三大储能技术，利用储能电站将燃煤机组的总负荷系统及电网利用 具有很好的发展前景。
表1 不同储能技术比较[5]
Table 1 Comparison of different energy storage technologies[5]
储能类型
效率/%
单机容量/MW
储能密度 /W·h·kg
–1
能电站与之相配套，储能电站被称为电力产业的第6价值链和21世纪电力产业的新经济增长点。
成本 /美元·kW
–1
成本 /美元·(kW·h)–1
反应时间快
寿命/年5～40
成熟性 基本成熟 成熟 基本成熟 示范 成熟 商业化 商业化 示范 研发中 基本成熟 基本成熟 示范
环境影响小 大 大 很小 大 大 大 大 大 小 小 良性的
蓄热 30～60抽水蓄能 75～85压缩空气 50～89飞轮 93～95铅酸蓄电池 70～90镍镉蓄电池 60～65钠硫电池 80～90锂电池 85～90液流电池 75～85电容器 60～65超级电容器 90～95超导磁储能 95～98
0～300 80～250 200～300 3～50 100～5000 0.5～1.5 600～2000 5～100 3～400 30～60 400～2000 2～100 0.25
10～30
0～40 30～50 0～40 50～75 0.1 0.05 0.3
75～200 0.05～5 2.5～15
快 40～60快 20～60
约15 5～15
很快 350 5000 快 300 400 500~1500
800～1500 300～500
快 10～20快 10～15
5～15 5～15 约5
很快
0.05～8 150～240 1000～3000
4000 2500 快 很快 400 1000
0.3～15 10～50 600～1500 150～1000
很快 20以上300 2000
很快 20以上300 10000
0.1～10 0.5～5
第3期吴玉庭等：独立熔盐蓄热电站技术及其评价 193
图1 全球电力储能装机[6]
Fig.1 Global electricity energy storage capacity[6]
常见的中高温蓄热介质有蒸汽、水、导热油、液态金属、空气、熔融盐等。熔盐因其具有广泛的使用温度范围、低蒸汽压、大热容量、黏度低、相对密度大、低成本等诸多特性，成为传热蓄热介质的首选。熔融盐蓄热分为潜热蓄热和显热蓄热。显热蓄热主要是通过蓄热材料温度的上升或下降来储存或释放热能，在蓄热和放热过程中蓄热材料本身不发生相变或化学变化。熔融盐的显热蓄热技术是两种热能存储方式中原理较简单、技术较成熟、蓄热方式较灵活、成本较低廉的一种，并已具备大规模商业应用的能力。目前国际上已实现了熔盐蓄热的大规模应用，但目前的大规模应用主要是与太阳能热发电结合，如西班牙Andasol 50 MW槽式太阳能热电站采用了3万吨熔盐进行蓄热，在没有太阳的时候该太阳能热电站还能依靠高温熔盐释放的热能满负荷发电7.5 h。目前像Andasol电站采用大规模熔盐蓄热的商业化运行太阳能热电站已达20座以上，总装机容量超过了120万千瓦。
实际上熔盐蓄热除了跟太阳能热发电结合之外，还可以做独立熔盐蓄热电站，但国际上还未见独立熔盐蓄热电站的公开文献报道。本文的目的是介绍独立熔盐蓄热电站这种大规模熔盐蓄热新技术，并对其性能进行技术经济评价。
1 基本原理及优势
1.1 基本原理
所谓独立熔盐蓄热电站就是储能时，电能通过电加热器加热高温熔盐，变为高温热能储存在熔盐中，需要用电时，再利用高温熔盐储存的热能加热水产生水蒸气，从而驱动蒸汽轮机发电，实现能量释放。独立熔盐蓄热电站的示意图如图2所示。
具体工作原理为：当电源1有电力输出需要储
能时，熔盐电加热器2启动，利用不稳定电能或低谷电将由低温熔盐泵5从冷盐罐4抽出的低温熔盐加热至高温，然后将高温的熔盐储存在热盐罐3中，此过程实现了电能向热能的转化。当需要用电或用电高峰期时，热盐罐顶部的熔盐泵6启动，将高温熔盐不断输送到盐水换热器7即蒸汽发生器中加热水产生蒸汽推动蒸汽轮机发电，此过程实现了热能向电能的转化，而高温熔盐则不断放热变为低温熔盐回到冷盐罐中，完成一次循环。此外，经蒸汽轮机8发电后的乏汽可以进入城市供热换热系统9中，加热市政用水后变为低温的水进入盐水换热器中进行下一次的热交换。整个系统都是通过微电脑控制器10智能控制实现的。该微电脑控制器通过管路上安装的温度传感器、流量传感器等反馈的信号来智能调节熔盐电加热器的启停及加热功率，调节冷、热盐罐中熔盐泵的频率来控制熔盐的流量以满足用户端的不同需求。
图2 独立熔盐蓄热电站示意图
Fig.2 Schematic diagram of independent molten salt
storage thermal power station
1.2 优势及应用范围
与压缩空气储能和抽水蓄能电站相比，独立熔盐储热电站具有占地面积小、不受地理条件限制、可建在城市内部等优点，另外建在城市的大规模高温蓄热电站还可与城市供热相结合，建成大规模的高温蓄热电联供电站，实现热电联供后可将蓄热电站的效率由原来的30%提高到70%以上，这一效率与目前抽水蓄能电站效率相当，但成本要比抽水蓄能和压缩空气蓄能电站低。因此高温蓄热电站是一种具有广阔发展前景的大规模物理储能技术。独立
熔盐蓄热电站既可用于光伏和风力电站的能量储
194储 能 科 学 与 技 术 2014年第3卷
存，解决风力发电和光伏发电的弃风和弃光问题；也可用于智能电网储能电站，实现发电和用电的时空解耦，延缓和减少电源电网建设，提高能源利用效率和电网整体资产利用率。
2 50 MW熔盐蓄热电站的概念设计
2.1 总述
该蓄热电站装机容量为50 MW，每天放热发电6 h，蓄热时间为8 h，冬季时在白天放热发电时可将冷凝器的排热预热市政供暖的热水，以减少市政供暖的燃煤或燃气消耗，春夏秋三季可为城市提供生活热水。采用目前最常用的二元混合硝酸盐60%NaNO3+40%KNO3（质量分数）作为蓄热工质，采用显热蓄热方式。 2.2 朗肯动力循环方案
项目规划总装机容量为50 MW，装机方案为1×50 MW。汽轮发电机组采用高压高温，其具体形式为：高压、再热、三级低压抽气、两级高压抽气、一级除氧抽气、湿冷纯凝汽轮发电机组。由于发电岛的相关技术已经非常成熟，这里只列出汽轮机、发电机、蒸发器和冷凝器的基本参数（见表2和表3），其它方面不再赘述。
表2 汽轮机和发电机的基本参数
Table 2 The basic parameters of the steam turbine and
generator
汽轮机相关参数 数值 发电机相关参数数值 额定功率/MW 50，最大60额定功率/MW
50 额定进气量/t·h–1 159 额定电压/kV 10.5 汽轮机额定转速/r·min–1
3000 功率因素 0.8（滞后）
额定进气压力/MPa 10.0 额定频率/Hz 50 进气温度/℃
535
额定转速/r·min1
3000
2.3 蓄热系统
（1）主要组成 系统的主要设备有：1个冷盐
罐，4个冷盐泵，1个熔盐电加热器，1个热盐罐，
3个热盐泵。系统辅助设备包括16个电加热器（每
个盐罐8个），1个疏盐罐。
（2）熔盐罐 本系统采用目前最常用的二元混
合硝酸盐60%NaNO3+40%KNO3（质量分数）作为
蓄热工质，采用显热蓄热方式。总蓄热容量为858 MW·h·t，等效额定工况出力蓄热量为6 h，熔盐需求量为7600 t。蓄热器分为热罐和冷罐，以减少因冷热熔盐混合带来能量的品位损失，冷、热罐的内径均为21.5 m，冷、热罐有效高度分别为11.0 m和12.0 m。冷罐材料采用SA516Gr70，热罐材料为316不锈钢，冷罐内工质设计温度为320 ℃；热罐内蓄热工质设计温度为580 ℃，蓄热器平均效率为97%，其相关参数见表3。
表3 熔盐蓄热罐性能参数
Table 3 Parameters of molten salt heat storage tank
熔盐蓄热罐各项性能性能参数熔盐蓄热罐各项性能性能参数蓄热容量/MW·h 858 热罐电加热功率/kW 500 熔盐质量/t
7600
热罐电加热器起止温度范围/℃
450～550
冷罐熔盐温度/℃ 290 蓄热罐电加热器平均运行时间/h·周–1 2 热罐熔盐温度/℃ 565 蓄热罐平均热效率/% 97% 冷、热罐直径/m 21.5 冷热罐最低液位高度/m1 冷、热罐高度/m 13 冷热罐最高液位高度/m10 冷罐电加热功率/kW275
热罐材质
316 冷罐电加热器起止温度范围/℃
270～320冷罐材质
SA516Gr70
罐顶部需要布置加强筋，以承受熔盐泵的重量。采用现场焊接的方式。在整个系统中，所有的换热器、阀门、管线等都要有电阻丝加热，防止熔盐凝固。罐顶、罐壁和罐底部都有保温层。
（3）熔盐泵 熔盐泵采用立式泵，均设置变频装置，电机位于罐顶的支撑结构上，泵的长轴深入罐底部。由于熔盐泵无法将熔盐全部泵出，因此熔盐罐底部有最低液位，一般为1 m。泵停止工作时，泵内的熔盐在重力作用下自动流回罐内。
（4）疏盐系统 地面2米以下一般放置一个容积为30 m³的疏盐罐。用于收集管道和换热器内的熔盐。疏盐罐内有立式泵，将收集的熔盐返回到冷盐罐中，并装配有电加热器防止熔盐凝结。在疏盐
系统中还设置有泄漏探测器，一旦发现有泄漏，立
即将盐/水管路分开，并确认泄漏位置。
2.4 熔盐换热系统
盐/水换热器（即蒸汽发生器）用于将熔盐存储
的热量传递给汽轮机工质水（汽），以驱动汽轮发
电机组产生电能。蒸汽发生器为三段式，分别为给
水预热器、蒸发器和蒸汽过热器，三台加热器均为管壳式，其中预热器和过热器管侧为水、汽，蒸发器管侧为熔盐，相应的壳侧分别为熔盐和饱和水。
第3期吴玉庭等：独立熔盐蓄热电站技术及其评价 195
3 50 MW熔盐蓄热电站技术经济评价
条件、不同的特点、不同的优缺点。静态分析法主要有投资回收期法、追加投资回收期法、计算费用
（1）电站经济性分析 在市场经济发展的今天，
法3种方法。
经济已成为各个领域研究的核心问题。技术和经济
本文采用计算费用法对独立熔盐蓄热电站的单
是人类社会进行物质生产不可缺少的两个方面，它
位装机量的固定资产投资成本进行估算，见表4。
们是密切联系、互相制约和互相促进的。技术经济
由表4可知，该案例的工程静态投资为30764.4万
分析的目的是评价经济效益的大小。评价标准就是
其单位投资为6152.88元/kW。该电站一年发电据以评论经济效益的客观尺度，需建立一系列的经元，
济指标体系去分析衡量技术方案的效果，对不同 2000 h，年总发电量为1亿度电，年产热量为
参照抽水蓄能电站电价，每度电的上的方案进行对比、分析和预测，评价才可能完整全1.8亿千瓦时。
面，从多方案的比较中选择最优方案，为决策提供网电价为0.8元/kW·h，年售电收益8000万元。热
[4-6]
依据。 价按照0.4元/kW·h计算，年售热收益7200万元，
技术经济分析法可分为静态分析法、动态分析法和不确定性分析法。不同的方法各有不同的假设
则年总收入为1.52亿元。按此估算，该电站3年即可收回投资。
表4 固定资产投资总估算表
Table 4 Estimate table of fixed asset investment
序号 一 （一） （二）
1 2 3 4 5 6 二 （一） （二） （三）
工程或费用名称 主辅生产工程 蓄热系统 发电系统 热力系统 水处理系统 供水系统 电气系统 热工控制系统 附属生产工程 与厂址有关的单项工程
地基处理
厂区、施工区土石方工程
厂内外临时工程 工程静态投资/万元 各类费用单位投资/元·kW–1 各类费用占静态投资的比例/%
建筑工程费/万元
设备购置费/万元
安装工程费/万元
合计/万元
单位投资/元·kW–1
6083 19983 4013.4 30079.4 6015.88 306 9350 196.4 9853 1970.6 5777 10633 3817 20227 4045.4 968 5538 931 7437 1487.4 309 434 148 891 178.2 384 153 73 610 122 58 2423 1462 3943 788.6 1431 1036 2467 493.4 4058 654 167 4879 975.8 590 0 95 685 137 190 267 133
— — —
— —
190 38 267 53.4
95 228 45.6
— 6673 19983 4108.4 30764.4 — 1330.6 3996.6 821.68 6152.88 — 21.6 65.0 13.4 100
（2）电站效率 该电站的热效率主要取决于以下子系统的效率，见表5。从表5可以发现，由于熔盐加热器实现的是电能向热能的转化，其效率非常高，而熔盐蓄热单元和主蒸汽管道的效率也可通过良好的热绝缘得到保证。因此，制约本电站年均效率的关键因素为汽轮机发电机组的年均效率。所以，在不考虑城市供热的情况下，该电站的年均效率为30%；而考虑城市供热后，本电站实现了热电联供，其总能量转换效率将达到80%以上。
表5 电站各系统效率
Table 5 The power efficiency of each system
电站各系统 熔盐加热器效率 熔盐蓄热单元年均效率 主蒸汽管道效率
汽轮机发电机组年均效率 本电站年均效率 电热转换效率 电站总能转换效率
效率/% 90 99 99 35 30 52 82
196储 能 科 学 与 技 术 2014年第3卷
4 结 语
综上所述，储能电站是提高常规能源发电与输电效率、安全性和经济性的迫切需要。针对以上情况，结合熔盐的独特优点，本文提出了独立熔盐蓄热电站的概念，与压缩空气储能和抽水蓄能电站相比，独立熔盐储热电站具有占地面积小、不受地理条件限制、可建在城市内部等优点；另外建在城市的大规模高温蓄热电站还可与城市供热相结合，建成大规模的高温蓄热电联供电站，实现热电联供后可将蓄热电站的效率由原来的30%提高到80%以上，这一效率要高于抽水蓄能电站效率，且成本要比抽水蓄能和压缩空气蓄能电站低。因此，独立熔盐蓄热电站是一种具有广阔发展前景的大规模物理蓄能技术。
0.html.
参 考 文 献
[1] 国家电力监管委员会. 风电、光伏发电情况监管报告[R/OL].
2011-01-30.http://wenku.baidu.com/view/d44029f29e[1**********]33[2] 国家电力监管委员会. 2011年度发电机组并网运行情况监管报告
[R/OL].http://wenku.baidu.com/view/e6a9639f51e79b89680226e3.html.
[3] Wei ChunHan MinxiaoYang Xia. Analysis （魏春），（韩民晓），（杨霞）
on influences of low-carbon economy on load factor of power grid[J]. Power System Technology（电网技术），2010，34（9）：100-104. [4] 全国工商联储能专业委员会. 储能产业研究白皮书2012[EB/OL].
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获日内瓦国际发明博览会金奖
本刊讯：在2014年
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10 kW储能装备，能够克服风能、太阳能发电的不稳定、不连续问题。利用该研究成果已经开发成功5 kW、
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