CN108955330A - 一种静态高温熔盐罐 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静态高温熔盐罐，其包括：罐体，其为不锈钢—镍复合材料所构成的密闭容器，用于盛放熔盐，所述不锈钢—镍复合材料中的镍层作为罐体内壁；加热单元，用于加热罐体内的熔盐；换热器，其为由罐体顶部插入罐体内部的镍金属管，镍金属管中充有气态换热介质；热循环单元，其与所述换热器连接，用于控制气态换热介质流动以实现热循环；该热循环单元包括热风输出管道、冷风回流管道以及与冷风回流管道连接的风机；控制单元，用于对熔盐温度、热风输出管道内热风温度、冷风回流管道内冷风温度进行监控，并根据监控结果对加热单元和风机进行控制。本发明集储能、换热、加热功能为一体，且安全可靠性更高，实现成本更低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种静态高温熔盐罐，属于储能、储热技术领域。
背景技术
熔盐是一种低成本、长寿命、传热储热性能好的高温、高热通量和低运行压力的传热储热介质。采用熔盐作为光热发电、储能技术、核反应堆的传热和储热工质，可显著提高发电、储能系统的热效率、系统的可靠性和经济性。
光热发电(CSP)作为光伏发电另外一种有效的太阳能发电形式，近年来已成为能源圈的新宠。采用熔盐工质可以提高设备运行温度，对于提高CSP发电效率非常重要。德国储能协会(BVES)发布的一组最新研究数据(表1)显示，分别储存1kWhel和 1kWhth的能量时，锂离子电池储电成本约为熔盐储热成本的33倍。其成本优势推动了熔盐储能的发展。
表1
另一方面，目前我国北方地区取暖使用的能源以燃煤为主，燃煤取暖面积约为总取暖面积的83％，天然气、电、地热能、生物质能、太阳能、工业余热等合计约占17％，清洁能源取暖面积占比较低，缺少统筹规划与管理、清洁能源供应存在短板且成本普遍较高、商业模式创新不足是制约清洁取暖推广的关键。
太阳能供暖是几乎不受地域限制的，最有大规模普及可能性的清洁能源供暖方式，但其缺点也很明显，无光时段就无能量输出，因此必须搭配储能装置以满足24小时供热。采用熔盐工质可以在常压前提下，提高储热温度，进而提高热存储效率。
然而采用熔盐作为换热工质，必然存在以下问题：
(1)高成本涉盐动设备的研发与制造。高温熔盐动设备主要包括熔盐泵、熔盐阀门等。这些动设备本身存在结构复杂，材料昂贵、设计难度高、运行不稳定、寿命低等问题。这无疑加大了整个系统的运行难度。
(2)设备及管路运行过程中的熔盐泄漏与冻堵。在室温状态下熔盐为固态，因此当设备及管路由于极端天气和局部冷点的产生，非常容易导致局部冻堵，冻堵本身并不危险，危险的是因为冻堵会导致整个系统停滞，甚至损坏昂贵的设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种集储能、换热、加热为一体的静态高温熔盐罐，且安全可靠性更高，实现成本更低廉。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种静态高温熔盐罐，包括：
罐体，其为不锈钢—镍复合材料所构成的密闭容器，用于盛放熔盐，所述不锈钢—镍复合材料中的镍层作为罐体内壁；
加热单元，用于加热罐体内的熔盐；
换热器，其为由罐体顶部插入罐体内部的镍金属管，镍金属管中充有气态换热介质；热循环单元，其与所述换热器连接，用于控制气态换热介质流动以实现热循环；该热循环单元包括热风输出管道、冷风回流管道以及与冷风回流管道连接的风机；
控制单元，用于对熔盐温度、热风输出管道内热风温度、冷风回流管道内冷风温度进行监控，并根据监控结果对加热单元和风机进行控制。
优选地，所述不锈钢—镍复合材料的室温剪切强度为250MPa～350MPa，界面结合率不低于99％。
进一步优选地，所述不锈钢—镍复合材料为304系列不锈钢-Ni复合材料、347系列不锈钢-Ni复合材料或316系列不锈钢-Ni复合材料，且所述不锈钢的碳含量在0.04～1.00％范围内。
优选地，所述加热单元为设置于罐体底部的电磁加热器。
优选地，所述镍金属为Ni200或Ni201。
优选地，所述气态换热介质包括以下气体中的至少一种：空气、氮气、氦气、二氧化碳。
优选地，所述罐体使用以下工艺加工而成：
(1)制备罐体上封头、罐体下封头、筒体；所述罐体上封头、罐体下封头采用冲压工艺制备，所述筒体使用卷制+焊接工艺制备，并对冲压完成后的罐体上封头和罐体下封头以及卷制焊接完成后的筒体进行次固溶热处理，所述次固溶热处理的热处理温度为 1000～1035℃，在400℃以上的升温速率和降温速率不大于100℃/h，次固溶热处理的保温时间根据材料最大厚度按照1.2-1.8min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于30min；
(2)将罐体上封头、罐体下封头分别焊接于筒体的顶端和底端，并在焊接完成后进行去应力和尺寸稳定化热处理，所述热处理的热处理温度为660～750℃，在400℃以上的升温速率和降温速率不大于100℃/h，热处理的保温时间根据材料最大厚度按照 2.5-3.0min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于20min。
优选地，所述换热器使用以下工艺加工而成：将镍金属管弯制为所需的尺寸和形状，然后进行固溶热处理，所述固溶热处理的热处理温度为700～1040℃，在400℃以上的升温速率不大于100℃/h，热处理的保温时间根据材料最大厚度按照0.8-1.0min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于10min，自然冷却降温。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明采用静态熔盐设计思路，高温熔盐由熔盐罐体容纳，整个工作过程中熔盐不需流出熔盐罐，因而整个装置的结构简单合理，无冻堵、无泄漏风险，极大的提高了熔盐热利用系统的安全性。
本发明大幅减少了熔盐环境下的动设备，例如熔盐泵、熔盐阀等，免除这些设备，可以在提高系统安全可靠性的同时，很大程度上降低系统成本，提高系统的经济性。
本发明针对高温熔盐的特性，有针对性地选择静态高温熔盐罐所使用的材料，很好地平衡了安全可靠性与经济性之间的关系，并进一步通过优化的制备工艺提高了安全可靠性，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明静态高温熔盐罐一个优选实施例的结构原理示意图；图中包含：电磁加热器1、罐体2、熔盐3、计算机4、变频风机5、温度传感器6、热风输出管道7、冷风回流管道8、熔盐注入排出孔9、换热器10、基座11；
图2为计算机的控制流程示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明采用静态熔盐设计思路，高温熔盐由熔盐罐体容纳，整个工作过程中熔盐不需流出熔盐罐；采用单罐设计，不需要配备冷罐；并针对高温熔盐的特性，有针对性地选择静态高温熔盐罐所使用的材料，以平衡安全可靠性与经济性之间的关系。
具体而言，本发明的静态高温熔盐罐，包括：
罐体，其为不锈钢—镍复合材料所构成的密闭容器，用于盛放熔盐，所述不锈钢—镍复合材料中的镍层作为罐体内壁；
加热单元，用于加热罐体内的熔盐；
换热器，其为由罐体顶部插入罐体内部的镍金属管，镍金属管中充有气态换热介质；热循环单元，其与所述换热器连接，用于控制气态换热介质流动以实现热循环；该热循环单元包括热风输出管道、冷风回流管道以及与冷风回流管道连接的风机；
控制单元，用于对熔盐温度、热风输出管道内热风温度、冷风回流管道内冷风温度进行监控，并根据监控结果对加热单元和风机进行控制。
所述罐体作为高温熔盐的直接载体，为了满足安全可靠性，其必须具有优异的抗高温熔盐腐蚀特性，但如果采用Hastlloy N、Hastelloy C22、Hastelloy C276等耐高温耐熔盐腐蚀合金，则又存在材料成本高昂和制备工艺复杂的问题。为了解决这一问题，本发明提出采用不锈钢—镍复合材料作为罐体材料，其中的镍层作为直接接触高温熔盐的罐体内壁。其优点体现在如下方面：
1、不锈钢作为耐热结构材料ASME标准中指出其最高可以用在825℃，采用不锈钢作为结构承力材料可以满足熔盐罐高温使用的要求。
2、纯镍金属具有天然的耐高温熔盐腐蚀能力，在熔盐环境下几乎不腐蚀，因此采用纯镍作为复层材料，与高温熔盐接触可以方便的解决高温熔盐的腐蚀现象。
3、不锈钢材料作为常见的耐热合金其价格仅有Hastlloy N、Hastelloy C22、Hastelloy C276合金的1/25至1/10。采用不锈钢—镍复合材料可以大幅降低罐体的材料成本。
优选地，所述不锈钢—镍复合材料的室温剪切强度为250MPa～350MPa，界面结合率不低于99％。进一步优选地，所述不锈钢—镍复合材料为304系列不锈钢-Ni复合材料、347系列不锈钢-Ni复合材料或316系列不锈钢-Ni复合材料，且所述不锈钢的碳含量在0.04～1.00％范围内。
所述加热单元可以采用电加热、燃气加热等加热方式，从加热效率角度考虑，所述加热单元优选采用设置于罐体底部的电磁加热器。通过电磁感应的方式使罐体本身产生感应涡流，进而加热内部熔盐。这种非接触加热方式具有结构简单，安全系数高，无熔盐腐蚀，使用寿命长等优点，其热效率可大于95％。
本发明的换热器为裸露式的管状设计，使用时直接将换热器插入熔盐罐的罐体内，使之浸入高温熔盐中，通过换热管内的空气、氦气、氮气、二氧化碳等气态换热介质的流动，实现换热与导出热量。为了提高安全可靠性，延长设备使用寿命，所述换热器采用具有优异抗高温熔盐腐蚀性能的镍金属管，优选采用Ni200或Ni201。所述换热器可根据实际需要采用U型、W型、螺旋型等形状。
本发明分别采用不锈钢—镍复合材料和镍金属作为与高温熔盐直接接触的罐体和换热器的材料。虽然两者均在理论上具有优异的抗高温熔盐腐蚀性能，但在实际加工过程可能会对其界面剪切强度、抗高温熔盐腐蚀性能、高温热力学性能、尺寸稳定性等产生较大不良影响，因此有必要进一步对其制备工艺进行优化，以尽可能消除加工影响，提高材料各项性能。为此，本发明进一步为罐体和换热器分别提出了优化的加工工艺，具体如下：
所述罐体使用以下工艺加工而成：
(1)制备罐体上封头、罐体下封头、筒体；所述罐体上封头、罐体下封头采用冲压工艺(冷冲压或者热冲压均可)制备，所述筒体使用卷制+焊接工艺制备，并对冲压完成后的罐体上封头和罐体下封头以及卷制焊接完成后的筒体进行次固溶热处理，所述次固溶热处理的热处理温度为1000～1035℃，在400℃以上的升温速率和降温速率不大于 100℃/h，次固溶热处理的保温时间根据材料最大厚度按照1.2-1.8min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于30min；
次热处理工艺之所以称之为次热处理工艺，是因为其热处理温度低于常规的不锈钢热处理温度。其目的在于在调整晶粒度的同时，提高复合材料的界面强度，保证罐体的安全性。之所以热处理温度不能低于1000℃也是因为要保证界面具有一定的延伸率，防止界面变脆而导致罐体失效。保温时间按照1.2-1.8min/mm计算，时间长于常规的 0.8min/mm，这是采用必要的延长热处理时间以补偿热处理温度较低的不利效果。
常规不锈钢的固溶热处理温度不低于1050℃，本专利在990、1000、1020、1035、1040、1060℃均进行了不同的热处理实验，发现界面剪切强度依次为360、350、300、 250、240、220MPa，发现热处理温度只有在1000～1035℃之间才能保证剪切强度位于 250-350MPa之间。
400℃以上加热和冷却速度不大于100℃/h，是防止温度急剧变化中由于两种材料的热膨胀系数不同导致材料撕裂。经对不锈钢-镍复合材料进行了大量的试验，得出了加热和冷却速率与撕裂概率之间的关系，见下表2。
表2
| 加热和冷却速度 | 界面撕裂概率 |
| 150℃/h | 1％ |
| 120℃/h | 0.5 |
| 100℃/h | 0.1％ |
| 80℃/h | 0％ |
| 60℃/h | 0％ |
| 50℃/h | 0％ |
(2)将罐体上封头、罐体下封头分别焊接于筒体的顶端和底端，并在焊接完成后进行去应力和尺寸稳定化热处理，所述热处理的热处理温度为660～750℃，在400℃以上的升温速率和降温速率不大于100℃/h，热处理的保温时间根据材料最大厚度按照2.5-3.0min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于20min。其加热和冷却速度的控制原理同罐体的次固溶热处理工艺。
对于普通不锈钢焊接后一般不需要进行热处理，若必须进行热处理也需避开450℃～850℃的敏化区间，但基于以下4点原因，本发明将去应力和尺寸稳定化热处理温度选择在660～750℃，(1)所述不锈钢碳含量位于0.04-1.00％，非低碳不锈钢，本身并不担心其敏化；(2)由于纯镍金属的隔绝，不锈钢并不接触内部熔盐，因此毋须担心熔盐导致的晶间腐蚀现象；(3)碳含量位于0.04-1.00％的不锈钢具有优异的高温性能，可以大幅提高其工作温度，最高可达825℃。(4)660～750℃可以兼顾不锈钢、Ni、两者界面的去应力和尺寸稳定化。
经上述工艺处理的罐体最高使用温度可达到825℃，同时室温剪切强度可达到250MPa～350MPa。
所述换热器使用以下工艺加工而成：将镍金属管弯制为所需的尺寸和形状，然后进行固溶热处理，所述固溶热处理的热处理温度为700～1040℃，为保证尺寸稳定性，加热速度在400℃以上不大于100℃/h，热处理的保温时间根据材料最大厚度按照 0.8-1.0min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于10min，冷却速率可不做控制，自然冷却即可。
图1显示了本发明静态高温熔盐罐一个优选实施例。
其中，1为电磁加热器，加热过程中基于电磁感应使罐体2本身产生感应电流，进而加热内部熔盐，电磁加热器需与熔盐罐紧密贴合，以确保电磁加热器热效率大于95％。
2为罐体，采用304系列不锈钢-Ni复合材料、347系列不锈钢-Ni复合材料或316 系列不锈钢-Ni复合材料，且所述不锈钢的碳含量在0.04～1.00％范围内，具体制备工艺采用以上的优化工艺，其最高使用温度可达到825℃。
3为熔盐，可以采用碳酸盐、氯化物、硝酸盐、氟化物等多元盐，具体可根据熔点高低的需求选择不同种类的盐。
4为计算机，其通过接受多个温度传感器6所采集的熔盐温度、热风输出管道内热风温度、冷风回流管道内冷风温度，通过与目标温度值进行对比计算，进而对变频风机 5和电磁加热器1进行控制，以使输出温度达到目标温度值。图2显示了其所采用的一种控制逻辑。
5为变频风机，其根据计算机4输出的控制指令调整开关状态及运行频率，通过风机的送风量的调整来调节熔盐罐的输出功率和输出热风的温度。
6为温度传感器，其作用在于获得实时的熔盐3、热风管道7和冷风管道8中的温度，输入到计算机控制模块4中。
7为热风输出管道，其与用热设备(例如蒸气发生器、化工反应釜、采暖水箱)连接，是输出热量媒介的载体；
8为冷风回流管道，通过此管道冷风回流到熔盐罐，进入换热器10。
9为熔盐注入排出孔，熔盐注入时对接化盐设备，通过其注入熔盐；当设备故障需要排出熔盐时，通过其孔道将熔盐排出到临时储盐罐中。
10为换热器，换热管为裸露式，浸泡于熔盐中，以增加换热面积。换热管可以为U形、螺旋形或其他易于换热的换热管形式。换热管内部为循环换热气体。换热器的换热能力要覆盖热需求所要求的换热能力。
11为基座，主要承载熔盐罐及相关附属设备的自重。
上述静态高温熔盐罐的一种工作过程具体如下：
利用波谷电能、光伏电厂弃光部分电能、风电场弃风部分电能等低价电能，采用电磁加热器1对熔盐罐进行加热，使熔盐达到较高的工作温度，达到熔盐显热储能的目的。由于能量输入为电能，所以能量获取相对方便，当特殊情况低价电能不能满足需求时，可以方便的做到从电网取电。加热工作状态时，罐体2内部温度逐渐升高，达到存储热能要求值后，停止加热。
有热能需求时，变频风机5启动，熔盐3、热风输出管道7和冷风回流管道8内的温度值输入，计算机4通过热工水利计算获得需要的送风量。当热风输出管道7内温度达到目标温度后，风机进入稳定运行状态。变频风机5抽取冷气体通过冷风回流管道8，流入换热器，冷气体在换热器内的换热管中循环，被加热到指定的温度。冷气体被加热后进入热风输出管道，进而进入蒸气发生器、化工反应釜、采暖水箱等热利用设备。热利用完毕后，冷风进入冷风回流管道。由于热量输出过程会伴随熔盐罐内熔盐温度的降低。因此计算机每5min进行一次逻辑运算，并调节变频风机5的运行频率。
整个运转过程中的动设备只有风机，且该风机装在冷风回流管道上，因此整个系统无高温动设备，更无高温熔盐动设备，因此本系统具备本征安全性，且投资较常规熔盐罐低很多。
本发明在完全解决了现有技术所存在的问题的同时做到了集成化、模块化设计，极大的节约设备制造及设计成本。本发明有望应用在熔盐储能、太阳能热利用、储热型清洁供热领域、热电厂改造等诸多领域，应用前景十分广阔。
Claims (8)
1.一种静态高温熔盐罐，其特征在于，包括：
罐体，其为不锈钢—镍复合材料所构成的密闭容器，用于盛放熔盐，所述不锈钢—镍复合材料中的镍层作为罐体内壁；
加热单元，用于加热罐体内的熔盐；
换热器，其为由罐体顶部插入罐体内部的镍金属管，镍金属管中充有气态换热介质；
热循环单元，其与所述换热器连接，用于控制气态换热介质流动以实现热循环；该热循环单元包括热风输出管道、冷风回流管道以及与冷风回流管道连接的风机；
控制单元，用于对熔盐温度、热风输出管道内热风温度、冷风回流管道内冷风温度进行监控，并根据监控结果对加热单元和风机进行控制。
2.如权利要求1所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述不锈钢—镍复合材料的室温剪切强度为250MPa～350 MPa，界面结合率不低于99%。
3.如权利要求2所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述不锈钢—镍复合材料为304系列不锈钢-Ni复合材料、347系列不锈钢-Ni复合材料或316系列不锈钢-Ni复合材料，且所述不锈钢的碳含量在0.04～1.00%范围内。
4.如权利要求1所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述加热单元为设置于罐体底部的电磁加热器。
5.如权利要求1所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述镍金属为Ni200或Ni201。
6.如权利要求1所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述气态换热介质包括以下气体中的至少一种：空气、氮气、氦气、二氧化碳。
7.如权利要求1所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述罐体使用以下工艺加工而成：（1）制备罐体上封头、罐体下封头、筒体；所述罐体上封头、罐体下封头采用冲压工艺制备，所述筒体使用卷制+焊接工艺制备，并对冲压完成后的罐体上封头和罐体下封头以及卷制焊接完成后的筒体进行次固溶热处理，所述次固溶热处理的热处理温度为1000～1035℃，在400℃以上的升温速率和降温速率不大于100℃/h，次固溶热处理的保温时间根据材料最大厚度按照1.2-1.8min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于30min；
（2）将罐体上封头、罐体下封头分别焊接于筒体的顶端和底端，并在焊接完成后进行去应力和尺寸稳定化热处理，所述热处理的热处理温度为660～750℃，在400℃以上的升温速率和降温速率不大于100℃/h，热处理的保温时间根据材料最大厚度按照2.5-3.0min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于20min。
8.如权利要求1所述静态高温熔盐罐，其特征在于，所述换热器使用以下工艺加工而成：将镍金属管弯制为所需的尺寸和形状，然后进行固溶热处理，所述固溶热处理的热处理温度为700～1040℃，在400℃以上的升温速率不大于100℃/h，热处理的保温时间根据材料最大厚度按照0.8-1.0min/mm的单位厚度保温时间计算确定，但保温时间不低于10min，自然冷却降温。
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