陈东岚陈晓华
（中石油支拉玛依石化有限责任公司）
摘要文章介绍了太阳能在电力行业的利用现状，提出以太阳能光热蒸汽装置替代燃煤锅炉实现碳减排的设想，进而对光热英汽装置的建设展开可行性研究.经理论研究及过程模拟证实，建设太阳能光热英汽装置技术可行.同时，文章提出了集成于熔盐储耀内的一体式静态熔盐换热、蒸发器的创新工艺.即 在熔盐的储、放热循环过程中，熔盐始终存储于熔盐储雄中，无需在储雄、设备及管道中流动.熔盐依靠自身密度差在重力作用下于储雄内自然对流实现传热.而熔盐与太阳光的热交换循环则依靠软化水热媒循环来实现，由于水的比热是熔盐的三倍，则传通同样的热量仅需要1/3熔盐的插环量，且水的密度和粘度 均远小于熔盐，因此，采用此工艺后，在整个光热转换过程中，可以大幅减少高品位电能的消耗量，理论计算可节能80%以上，光热蒸汽装置的运行费用可大幅降低.此外，光热转换过程不再需要两妻熔盐系、熔盐输送管道及繁复的熔盐化盐设施，可节约项目投资约10%.经投资估算及成本分析，此项目光热蒸汽估算单位成本接近并略低于公司燃煤蒸汽成本价，项目经济合算.此项目实施后除可为公司提供工艺及动 力用汽，实现约30万吨/年的碳减排目标外，还可用于：油田热采、民用供暖等领域，应用前景可观.
关键调太阳能；光热英汽；碳减排；静态熔盐换热；笼式换热管束
生高温蒸汽，驱动汽轮机发电.在发电的同 方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质并产全球气候危机下，工业领域燃煤锅炉碳排放时，可以将多余的热能储存在储能容器中，在占比高，重需清洁替代技术涌现.克拉玛依石化晚间或阴雨天时释放，能够保证24小时连续
1研究背景
公司的动力厂采用燃煤蒸汽锅炉提供工艺及动力稳定发电.炉，最大产汽量360吨/小时.年消耗原煤30余截至2022年底，我国共有11座光热电站并网发 蒸汽，现有4台130吨/时3.5MPa燃煤蒸汽锅略，减少碳排放势在必行.如何消减燃煤锅炉，前，在建的光热发电项目超过40套.降低碳排放，我国电力行业利用太阳能的探索实 践为我们提供了借鉴.
《中国太阳能热发电行业蓝皮书2023》显示，万吨，排放CO2达60万吨，约占公司碳排放总电，兆瓦级规模以上光热发电机组累计装机容量量的50%.按照国家和中石油集团的“双碳”战588MW，占全球光热发电装机容量7.8%.目
发展报告2023》提示：光伏发电的平均总投资约 水电水利规划设计总院的《中国可再生能源3900元/kW，面光热发电的总投资平均约为18500元/kW.中国光伏行业协会2022年统计数据显示：光伏发电成本0.25元/度、光热发电成本0.51元/度.目前光热发电的成本远高于光伏 发电，主要用于光伏储能设施.
近年来我国光伏发电装机规模增长相当迅猛.国家能源局2023年全国电力工业统计数据显示，截至12月底，全国累计发电装机容量约29.2亿千瓦，其中，太阳能光伏发电装机容量 约6.10亿千瓦，超越水电（4.2亿千瓦）装机规模，成为全国装机量第二大电源形式.
文献研究发现，太阳能光伏发电的光电转化率普遍低于25%，太阳能光热发电的光热转才能发电，加之电力储存困难，因此发电设备综换效率普遍大于80%.华中科技大学徐长发教合利用率偏低.据国家统计局数据，2023年太授也指出国内建成光电、光热电站的总光电转 化率分别为16%、25%（平均值）.从能源利为弥补光伏发电的缺陷，太阳能光热发电用的角度说，光热发电技术优于光伏发电
当然，由于光伏发电仅能在白天且有太阳时阳能光伏发电量仅占总发电量的6.18%.
已然强势登场.光热发电是通过反射镜以聚焦技术.
2建设太阳能光热蒸汽装置设想
在“双碳”背景下，如何利用好太阳能是我们石 太阳能是取之不尽、用之不竭的自然资源，化行业无法回避的问题.
考察燃煤蒸汽锅炉的能量利用过程，可以发现：原煤既是能量来源，同时又是碳排放产生的根源，这是该系统的主要技术矛盾，也是关键问 题所在.由于太阳能的零成本、无污染的特点，可以考虑采用TRIZ发明原理中的替代原理，引人超系统资源一太阳能，代替原煤提供能量，以实现碳减排目的.
发现其短板在于汽轮机的热机转换效率仅有 分析光热发电的能量转换过程（图1），可以43%，致使太阳能光热发电工艺的总热能利用率仅为33%.因此，我们在利用太阳能的过程中费，提高能源利用率. 应当尽量避免这种低效率过程，才能防止能源浪
图1太阳能光热发电技术能量转换过程方框流程图
基于以上两点，考虑到太阳能光热发电的光热转换效率大于80%，从减少碳排放的目的出发，我们的设想是：借用太阳能光热发电技术的煤蒸汽装置，提供动力及工艺蒸汽供公司炼油生 前半段工艺，建设太阳能光热蒸汽项目，替代燃产装置使用.
当然，工艺借用，并非挪用.要全面考察光热转换系统的优、缺点，结合本行业相关工艺进行对比分析，并进行适应性改造，以符合本行业 需要.
目前的光热发电项目大都处于工程示范阶段，工艺尚不十分成熟.系统中，熔盐的主要作用是储存热量.共晶熔盐在290℃至565℃的工作温度区间内保持液态，通过温度的升高和降低 来储存和释放热量.
熔盐（Molten salt）是盐类熔化后形成的熔融体，例如碱金属、碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐，是金属阳离子和非金属阴离子所组成的熔融体.熔盐具有高沸点、低蒸汽压和高体积热 的特点，是一种优良的储热介质.光热发电系统用熔盐储热，完全正确.
光热发电系统中，熔盐的另一作用是传热，
即热媒.光热发电系统使用了两种热媒，熔盐和软化水.光热转换工段使用熔盐热媒、热机转换工段使用软化水热媒.从热传递角度讲，熔盐作 为传热媒介是可行的，但却不是最优的选择.主要原因是熔盐的比热仅有水的1/3.也就是说传递同样的热量，需要使用三倍于水的循环量.同时，熔盐的粘度远大于水的黏度，因此需要消耗更多的流体输送能量.作为热媒，熔盐和软化水 的优缺点比较详见表1.熔盐作为热媒缺点十分明显，面水的优点也非常突出.
表1熔盐与水作为热媒的优缺点比较
熔盐软化水比热大、循环量小；高温稳定性好， 薪度小、能耗低； 无腐使性；优点 饱和落汽压低： 无堵管风险：无需液化； 无需置换.比热小、循环量大；度较大、能耗较高； 有腐蚀性：缺点 常湿凝结，易堵塞管道； 高湿气化，您和薇汽压高：每天日出前需化盐液化： 置换国难.
考察目前的太阳能光热发电系统，图2为典型光热发电的工艺流程，系统使用熔盐和软化水两种热媒、两套熔盐泵以及两套熔盐循环系统.从TRIZ创新理论角度来说，其关键问题是：功能重复、系统余，因此，很有优化的可能和 必要.
图2太阳能光热发电工艺原则流程图
下面运用TRIZ发明原理和方法，对光热转换系统做以下工艺技术改进：
（1）针对两种热媒问题，运用TRIZ同化原理：考虑使用单一热媒，即水热媒.可减少换热过程热媒循环量，节约能耗.
（2）针对储、放热过程，依据中介原理和反
作用原理：可采用熔盐静态储存，熔盐只储热不循环，依靠水热媒实现传热.可克服上述传统熔盐循环系统五大缺陷.
熔盐储罐集成笼式列管换热管束，即用静态换 （3）针对换热问题，依据多元性原理：考虑热、蒸发器替代传统换热器及蒸发器，降低系统操作苛刻度.
置操作运行成本及一次性投资. 通过以上三方面的工艺改进，可大幅降低装
3太阳能光热蒸汽装置可行性研究
3.1累里规模及银成
影响时会产生供汽波动，为保障供汽，本项目采 考虑太阳能光热蒸汽装置的供汽能力受天气取部分替代策略，即半负荷替代，原有燃煤蒸汽锅炉保留部分锅炉作为调节和保底手段.
由于公司冬、夏季蒸汽需求差别较大，同时，冬、夏季太阳能辐射强度、日照时长也有不 小差别.本项目采用”光热为主燃煤备用”的混合系统，即按照夏季1台蒸汽锅炉运行，其余蒸汽由光热装置供应；冬季2台蒸汽锅炉运行，其余蒸汽由光热装置供应的思路，以充分保障蒸汽 供应系统稳定性.
依据动力厂实际运行经验，供汽参数按照180吨/时4.0MPa/450℃光热蒸汽装置考虑，设计负荷60%-120%，项目拟减排30万吨/年.
罐组（热力岛）、蒸汽管道与控制系统三部分组 光热装置由太阳能集热器（太阳岛）、储热成.太阳岛采用塔式太阳能集热器，与光热发电的集热器一致；热力岛采用创新的熔盐储罐集成静态熔盐换热、蒸发器，其作用是将白天收集到的热能储存起来，在晚上或阴天时供热.
3.2技术可行性验证
本项目提出以水热媒替代熔盐作为传热工熔盐储罐集成静态熔盐换热、蒸发器替代传统换 质，可以省去熔盐循环换热系统.拟采用创新的热、蒸发器的技术方案.熔盐在储、放热循环过程中始终存储于熔盐储罐中，无需在储罐、设备及管道中流动.熔盐依靠自身密度差在重力作用水、蒸汽的传热. 下于储罐内通过自然对流实现与集成换热管束内
通过仿真模拟，熔盐储罐按常规设计参数DN31000mm（内径）x2000mm固定顶考虑，计
算容积15095方.静态熔盐换热、蒸发器（核心结构为笼式列管换热管束）集成于熔盐储罐中，集成管束与储罐的间隙用于装填三元熔盐.
NaNO -KNO，-NaNO （HITEC）混合熔盐为例， 储热熔盐以最常见的质量比为7：53：40的其密度为2.143g/cm²，比热为：1.587kJ/kg℃，按400至565℃熔盐工作循环计算，最大储热量为： 2. 143 × 1000 × 15095 × 0. 99 × 0. 85 × 1. 587 x（565-400）=7.13×10kJ.夜间180吨/时蒸汽的 热能（量）总消耗为180×10×（3330.6-87.7）×12=7.0x10kJ，储罐储热量可以满足需要.
在软化水加热为过热蒸汽的预热、蒸发及过热工序中，拟采用三套静态熔盐换热、蒸发器的 工艺方案，具体过程计算如下：
传热计算公式：3.6KAAT_=mAH
依据实验数据，三元熔盐自然循环时传热系数约为100至200W/m²℃，工程设计中取低限值，具体计算数据见表2：
表2静态熔盐换热、蒸发器计算数据
工序 预热20~250°℃蒸发250°℃过热250~450熔差（kJ/kg) 999. 8 1713. 5 529. 6对数传热温差（℃） 346. 5 222. 4 131. 7计算换热面积（m²） 1140. 8 3852.5 2010. 2
三套集成笼式列管换热管束的设计参数分别热钢管束，换热面积为1141.2m²/4001.1m²/ 为：200Φ114×8/800Φ114×8/400Φ114×8耐2282.4m².各储罐集成管束总占空比均小于1%，对储罐容积的影响可以忽略不计.
集成换热管束采用HTRIXehangerSuite进行换热模拟计算，以上预热、蒸发及过热过程模拟 结果与手工计算基本一致.同时，为节约投资、提高设备利用率，利用ASPENhysys进行过程优化后，还可将软化水预热及蒸汽过热两工序集成到一个储热罐内，以减少储罐数量，但列管布置相对复杂.
熔盐储罐集成换热管束减少了蒸发器等设备资产，降低了项目投资和折旧费.
3.2.2软化水热媒代替熔盐验证
采用换热过程模拟软件HTRIXehangerSuite，以软化水为热媒，通过由集热器、静态熔 盐储罐组构成的光热蒸汽转换系统进行模拟计算.在白天时段、正常日照条件下的光热转换过程，计算所得热循环系统主要参数、热媒消耗及
蒸汽产量数据见表3，计算结果满足项目预期 要求.
表3光热蒸汽系统主要参数表
时间 集热器调度/C 蒸发储温度/℃ 过热储罐温度/C 软化水耗量/（kg/hb）3.7MPa蒸汽产量/（kg/h）09: 00 14: 00 650 450 360 500 430 490 60974 76218 182922 ; 00 550 430 460 96589 BRLSOC
成功，不再赞述.本文采用化工工艺过程模拟软件Aspenhysys对换热循环进行流程模拟.经软件模拟，换热流程能够建立正常循环，并持续稳定运行.系统循环热量达到预期，蒸汽产量及主 要参数符合设计预期.主要运行参数及工艺流程详见图3.
采用水热媒，省去了系统的熔盐泵、阀门及管道，避免了系统腐蚀.同时，熔盐静态储存及换热，避免了每天频繁的电热化盐操作，可大幅提高系统安全性、降低操作苛刻度.
3.2.3光热蒸汽工艺流程验证
光热蒸汽装置主要包括换热及储热两个过程循环，其中储热循环已经在光热发电装置中实践
图3太阳能光热燕汽工艺流程简图
3.3投资估算及成本测算
数据，本项目投资估算分项数据详见表4.
参考西部证券研发中心的光热发电装置基础
表4项目投资估算表
定目镜组 塔式集热器 储热罐组 燕汽营路及控制系统 其它费用 合计50000 30000 33000 6000 11000 130000
项目估算总投资额为13亿元，按石化行业惯例，投资回收期按15年计算，光热蒸汽与燃
煤蒸汽单位成本预测数据详见表5.
表5光热蒸汽与燃煤蒸汽成本比较表
折旧费 原科 燃料 水电费 人工费 运营费 合计然煤燕汽 光热燕汽 15.00 65. 00 16. 00 16. 00 47 00 0.00 15.00 15.00 35.00 25. 00 15.00 5.00 143. 00 126.00
4优劣势分析
5结论与建议：
光热蒸汽估算单位成本126元/吨，接近并略低于公司燃煤蒸汽成本价，项目经济合算.
项目主要优势：克拉玛依拥有丰富的太阳能资源，本地区年均日照小时数为2800-3400小时，而且克石化地处古尔班通古特沙漠边缘，拥有广阔的戈壁沙漠地，项目具有用地优势.
2023（国家能源局综合司关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》、《中国（新疆）自由贸易试验区总体方案》、2024《自治区城乡建设领域碳达峰实施方案》等政策的出台，对项目具有强支持作用.
主要劣势是：项目运行受天气影响大，需随时调整运行策略，对项目运行人员素质要求较高.为提高光热蒸汽装置的运行可靠性，宜引入智能控制技术，并依靠物联网与AI算法优化光热系统与工业用汽需求的匹配调度.
按照工程技术进化理论S曲线，太阳能光热发电及光热储能技术目前尚处于幼儿期，未来潜 能巨大.清华碳中和研究院也认为中国光热发电成本至少还有一半以上下降空间，太阳能光热技术应用前景非常广阔.
采用集成于熔盐储罐内的一体式静态熔盐换热、蒸发器后，太阳能光热转换过程中，熔盐始
终存储于熔盐储罐中，无需循环换热.熔盐与太阳光的换热依靠软化水热媒循环来实现.由于水的比热是熔盐的三倍，则传递同样的热量仅需要熔盐，因此，在整个光热转换过程中，可以大幅 1/3熔盐的循环量.且水的密度和粘度均远小于节约高品位电能的消耗量，理论计算可节能80%以上，光热转换装置的运行费用可大幅降低.同时，光热转换过程不再需要两套熔盐泵及 繁复的熔盐化盐设施及熔盐输送管道，可节约一次性投资约10%.
本项目技术可行、经济合算、政策鼓励.除可为公司提供工艺及动力用汽，实现约30万吨/供暖等领域，应用前景可观.建议择机实施项目 年的碳减排目标外，还可用于：油田热采、民用工程化.
参考文献
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