2024年9月大容量熔鹽儲熱技術(shù)研究及工程應用21研究背景技術(shù)研究工程實踐—研究背景31.1研究背景熔鹽儲熱系統(tǒng)主要應用于光熱發(fā)電行業(yè)，亦可應用于火電靈活性改造和供熱行業(yè)等。可參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻，支撐風電、光伏等其它可再生能源并網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)以太陽熔鹽材料做為儲熱介質(zhì)，熔鹽從

冷鹽罐經(jīng)過太陽直接輻射加熱后的吸熱器，溫度由300℃左右提升到560℃左右，進入熱熔鹽罐內(nèi)，發(fā)電時從高溫罐經(jīng)過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)換熱后回流低溫罐，是熱發(fā)電重要的系統(tǒng)之一。光熱發(fā)電流程圖1.1國外熔鹽儲熱項目迪拜光熱電廠項目CT區(qū)：配置1x100MW塔式熔鹽儲熱發(fā)電機組（15小時儲熱系統(tǒng)）南非紅石100MW光熱項目（12小時儲熱系統(tǒng)）1.2

國內(nèi)熔鹽儲熱項目目前在建項目，儲罐基本為國內(nèi)設計，國內(nèi)建造。1.3部分儲罐項目概覽項目內(nèi)直徑（m）豎壁高度（m）液面高度（m）公稱容積（m3）共和2512.5116800魯能3014.51311500金塔32.51614.514000大成3314.513.512400青豫直流371513.516100首航39.31513.518100NOOR-Ⅲ41.21412.522000迪拜45.614.51324000部分項目熔鹽儲罐外形尺寸及公稱容積（數(shù)據(jù)僅參考）目前迪拜項目儲罐容量估計是塔式項目中最大的。儲罐能做到多大？1.4

熔鹽儲罐風險儲罐設計研發(fā)仍有很多工作要做主要風險點1、核心關(guān)鍵部位缺少標準規(guī)范等的指導（動態(tài)腐蝕余量、變形允許值、設計標準等）2、材料性能指標缺失（高溫本構(gòu)、蠕變疲勞指標等）4、項目施工管理能力有待提升（材料質(zhì)量、無損檢測等）5、加工建造水平有待提升（焊接質(zhì)量及熱應力、拼裝等）6、技術(shù)故障和人為錯誤，是事故的一個決定性因素（溫度梯度，升溫速率等）3、儲罐疲勞破壞問題尚未有效解決（動態(tài)循環(huán)受力，熱變形趨勢不均勻，底板受力復雜）

3、儲罐焊接質(zhì)量有關(guān)文獻：1、熔鹽腐蝕失效2、局部失效4、地基非均勻沉降5、儲罐熱膨脹受限6、入罐熔鹽溫度波動較大。二技術(shù)研究92.1材料2.1.1鋼材儲罐目前普遍采用347H、Q345R、SA516-Gr70鋼板拼裝焊接而成。1、尚無在統(tǒng)計或標準層面上對高溫熔鹽環(huán)境鋼材腐蝕性能，高、低周循環(huán)下疲勞曲線等基本數(shù)據(jù)。2、受制于廠家鋼板供貨（軋制）能力，儲罐現(xiàn)場焊接拼接量偏大。3、高溫高強鋼、高性能鋼的研發(fā)和推廣動力不足。項目上目前主要參考已有經(jīng)驗和成果，與鋼材供貨廠家約定技術(shù)指標，以保證項目實施。2.1材料2.1.2保溫1、基礎方面絕熱層分為兩類：柔性絕熱層采用級配陶粒土分層壓實，半剛性絕熱層采用絕熱板材分層鋪砌。2、壁板絕熱采用硅酸鋁、高溫巖棉材料。由于保溫材料市場產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，項目管理上材料品控難度大，以及儲罐溫降驗收難度大等因素。保溫層厚度實踐中存在一定差異。2.2

技術(shù)研究儲罐在溫度和流體壓力作用下，壁板變形下部呈象足狀，頂部內(nèi)收，中部較為均勻。在底部大腳焊縫處應力集中，其它部位以薄膜力為主。罐頂穩(wěn)定性分析豎壁與邊緣板厚度比分析底部摩擦系數(shù)影響底部邊緣板外伸長度影響罐底局部脫空分析分叉壁保溫設計儲罐基礎變形輪廓2.2

技術(shù)研究罐頂穩(wěn)定性分析罐頂?shù)姆治霭ü揄斁W(wǎng)格結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和桿件的穩(wěn)定與強度計算。一般采用肋環(huán)形。初始缺陷最大值按照網(wǎng)格跨度（即直徑）的1/300進行計算根據(jù)材料高溫拉伸曲線確定本構(gòu)關(guān)系根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010，單層球面網(wǎng)殼，按彈塑性全過程分析時，穩(wěn)定極限承載力安全系數(shù)

K可取為2.0提取儲罐罐頂構(gòu)件的軸力與彎矩，對構(gòu)件的強度與穩(wěn)定性進行驗算。桿件在殼體曲面外的計算長度取1.6????，平面內(nèi)取0.9????0.02.501000020000300004000050000罐頂力與位移曲線0.5

1.0

1.5

2.0節(jié)點位移(m)節(jié)點合力(N)001002003004005001234Q345R應力應變0010020030040050010

203040347H應力應變2.2

技術(shù)研究2.2.2

豎壁與邊緣板厚度比分析儲罐豎壁與底板連接的大角焊縫區(qū)域，儲鹽后壁板彎曲變形，大角焊縫的內(nèi)側(cè)和外側(cè)應力最為集中，是需要重點驗算的部位之一1底板局部變形、等效應力隨板厚增加而減小。底板變形較大的范圍約在距壁板300mm左右。隨底板厚度增加，罐底安全性增加。建議罐底邊緣板厚度不宜小于壁板厚度的0.6倍。0.00.20.40.62.80x1074.20x1075.60x1077.00x1078.40x1079.80x1071.12x1081.26x1081.40x1080.00.40.61.80x1073.60x1075.40x1077.20x1079.00x1071.08x1081.26x1081.44x1081.62x1080.000.20

0.250.301.62x1072.43x1073.24x1074.05x1074.86x1075.67x1076.48x1077.29x1078.10x1070.000.040.061.30x1072.60x1073.90x1075.20x1076.50x1077.80x1079.10x1071.17x1081.04x1081.30x108路徑aa'Mises應力(Pa)路徑aa'(m)路徑bb'Mises應力(Pa)0.2路徑bb'(m)路徑cc'Mises應力(Pa)0.05

0.10

0.15路徑cc'(m)路徑dd'Mises應力(Pa)0.02路徑dd'(m)2.2

技術(shù)研究2.2.3

罐底與基礎摩擦系數(shù)影響罐底摩擦對儲罐底部安全影響大隨著摩擦系數(shù)的增加，基礎對于底板的橫向膨脹變形的約束作用增強，大腳焊縫的最大應力均隨著摩擦系數(shù)的增大而增大。底板應力變化為中心大邊緣小，隨著摩擦系數(shù)的增加，應力整體上升。平整底板仍有較大壓應力。0.20.60.8859095壁板內(nèi)側(cè)最大應力壁板外側(cè)最大應力最大應力(M

Pa)0.4摩擦系數(shù)05152020160140120100806040摩擦系數(shù)0.2摩擦系數(shù)0.3摩擦系數(shù)0.4摩擦系數(shù)0.5摩擦系數(shù)0.6摩擦系數(shù)0.7Mises應力(M

Pa)10底板位置(m)2.2

力學分析2.2.4

底部邊緣板外伸長度影響罐底邊緣板伸長度宜合理邊緣板伸出的長度增加，板應力曲線中第一個波峰（壁板內(nèi)側(cè)對應位置）會減小，第二個波峰（壁板外側(cè)對應位置）應力會上升，整體應力更平均。底板伸出長度增加了，大腳焊縫處應力是先下降后上升，因此需要控制底板外伸出的長度。建議取100~150mm左右2.2

技術(shù)研究2.2.5

罐底局部脫空分析罐底局部脫空危害大罐底中幅板與基礎局部脫空，中幅板較薄，脫空時應力變化很大。應嚴格控制其與基礎的脫空范圍和間隙尺寸。罐底中幅板常起坡約1.5%，起坡點處中幅板有局部拱起趨勢，應力較大，形成安全隱患。2.2

技術(shù)研究2.2.6

分叉壁儲罐在底部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，是應力和變形突變風險高發(fā)部位。當對儲罐底部T型接頭處內(nèi)側(cè)焊接倒角鋼板形成分叉壁，可顯著改善上述問題在分叉連接處，局部變形和應力均有突變。豎壁變形呈減小趨勢，底板變形先增大，后減小。適度倒角可使T形部位峰值應力下降，安全性顯著提高。2.2技術(shù)研究2.2.7

保溫儲罐由于基礎散熱量大，根據(jù)儲罐溫降每天不大于1~2℃的控制要求，罐壁保溫層熱流損失宜比現(xiàn)有標準降低。1《火力發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程》DL/T5072-2019給

出允許熱流量限值如右表，建議值分別取102和133W/m2，2.2

技術(shù)研究2.2.8

儲罐基礎儲罐基礎常為外環(huán)墻形式。基礎構(gòu)造從上到下：砂層、褥墊層、找平層、絕熱層（有側(cè)限的陶粒土和塊狀絕熱材料等）、混凝土基礎或級配砂石墊層（含通風管）、地基。側(cè)向為鋼板環(huán)墻、隔熱耐火磚等。陶粒絕熱層耐候性好，壓實檢測復雜板材類絕熱層，環(huán)境要求高，砌筑施工基礎自然通風與強制通風，建議強制通風降摩擦措施：鋪設鋼板、砂類等，提高表面平整度，避免不均勻沉降。三工程實踐2122光熱業(yè)務主要業(yè)績3.1中電建西北院深入研究太陽能熱發(fā)電技術(shù)、“風光熱儲”多能互補、“源網(wǎng)荷儲”一體化等前沿技術(shù)，積極參與西部地區(qū)新能源開發(fā)。先后承擔了5個EPC項目、6個全階段設計、國內(nèi)首個200MW項目EPC、33個可研設計、2個國家級與省部級科技項目、10個集團科技項目和5個省部級科研基金項目，積極主持、參與及評審標準編制16項。5個EPC全階段設計項目國內(nèi)首個200MW項目EPC6個全階段設計

33個可研設計6個規(guī)劃設計2個國家級與省部級科技項目10個集團科技項目5個省部級科研基金項目主持、參與及評審標準編制16余項23Hainan黑龍江吉林遼寧福建江西安徽湖北湖南廣東廣西上海河南內(nèi)蒙古陜西寧夏甘肅青海四川貴州云南西藏新疆江蘇浙江北京山西河北山東臺灣濟寧華源熔鹽儲熱調(diào)峰項目：初步 設計中電建西北院青海共和50mw塔式光熱發(fā)電項目：全階段設計+EPC中電建共和100萬千瓦光伏光熱項目工程（大基地二期）：EPC青海青豫直流二期3標段1000mw光伏光熱項目：EPC海南青豫直流二期10萬千瓦光熱項目：EPC中廣核新能源青海德令哈光儲熱一體化200萬千瓦（光 熱20萬千瓦）：EPC青海戈壁、沙漠大基地項目：可研階段拉薩柳梧新區(qū)1MW菲涅爾式

聚光太陽能供熱發(fā)電示范項目： 全階段設計。國投那曲市色尼250MW光伏+50MW光熱一體化項目：可研西藏華電那曲色尼區(qū)170MW 光伏光熱一體化項目工程：可 研國家能源集團敦煌“光熱+”項目

100MW熔鹽線性菲涅爾光熱項目 工程：全階段設計某軍民融合綜合能源供給項目： 全階段設計甘肅光熱+項目：可研吉西魯固直流外送項目：預可研 階段國電投哈密北90萬千瓦光伏發(fā) 電加10萬千瓦光熱發(fā)電項目： 可研江蘇國信靖江發(fā)電有限公司熔鹽儲 熱調(diào)峰、供汽項目：全階段廣州粵瀧發(fā)電有限責任公司熔鹽儲 能調(diào)峰供熱靈活性改造項目：可研冀中能源井礦集團塞北“農(nóng)光互補” 光熱供汽項目：全階段設計魏家峁電廠#1高溫蒸汽熔鹽儲熱 示范工程：施工圖3.1主要業(yè)績截止2023年底，中電建西北院完成的光熱發(fā)電可行性研究設計總裝機容量超過400萬千瓦，勘察設計階段工程業(yè)績的總裝機容量達75萬千瓦，其中EPC工程容量達到55萬千瓦，業(yè)績居國內(nèi)前列。100MW光熱項目EPC總承包工程項目名稱新建1×100MW熔鹽塔式光熱電站配置12h熔鹽儲熱建設規(guī)模熱罐：內(nèi)徑37m，壁高15m，設計溫度575℃，有效容量16120m3冷罐：內(nèi)徑35.8m，壁高15m，設計溫度400℃，有效容量15093m3儲罐特征儲罐抗震設防類別：丙類（容積小于5萬立方）結(jié)構(gòu)安全等級：二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0設計工作年限：30年設計等級3.2某在建工程項目概況253.2設計成果儲罐設計規(guī)范及流程熔鹽儲罐的設計制造，國內(nèi)主要參考《壓力容器》GB150、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB50341-2014。國外主要參考《鋼制焊接石油儲罐》API650、《壓力容器》ASME

BPVCVⅢ-I卷（常規(guī)設計）和Ⅱ卷（分析設計）。263.2設計成果熔鹽儲罐序號項目單位參數(shù)備注低溫罐高溫罐1公稱容積m31509916128冷態(tài)2有效容積m31397414951冷態(tài)3最小殘留容積m3905.94752.65冷態(tài)4內(nèi)直徑m35.837.0冷態(tài)5直壁高度m15156保溫材料硅酸鋁+巖棉硅酸鋁+巖棉5保溫材料厚度