摘要：儲能是新型電力系統的關鍵核心技術，熔鹽儲能作為一種中高溫傳熱蓄熱方法，因具有儲能密度高、穩定性好等優點，廣泛應用于太陽能光熱系統、調峰調頻、綠電消納等新能源領域。但目前對熔鹽儲能系統中的核心部件如儲罐、熔鹽電加熱器、熔鹽換熱器等設備的研究普遍基于太陽能熱發電技術的需求開展，針對其他應用場景的研究尚不夠充分。在不同應用場景下，熔鹽的使用溫度區間、加熱及換熱方式都有區別。概述了熔鹽儲能關鍵技術的研究現狀和技術成果，研究了熔鹽儲能技術的發展路徑，提出了其在新型電力系統中的應用領域，并針對不同應用場景，提出了相應的熔鹽選型參數、儲罐及換熱器類型。

引言：“雙碳”背景下，構建新型電力系統是保障我國能源安全的戰略任務。光伏光熱、風電水力等新能源存在間歇性和不穩定性，易造成能源供需不匹配，需要配合儲能技術。熔鹽儲熱是一種安全水平較高的儲能方式，利用硝酸鹽等熔鹽作為傳熱介質，通過熔鹽的儲熱和放熱循環來存儲和放出能量，實現能量的有效遷移。熔鹽儲能的關鍵核心技術和設備包括熔鹽、電加熱器、儲罐以及換熱器等，廣泛應用在以下3個方向：太陽能光熱發電、耦合火電機組調峰調頻、耦合新能源綠電供熱。表1為熔鹽儲能不同應用場景對比。針對不同應用場景，熔鹽的使用溫度區間和換熱過程均有較大差異。現階段以解決光熱電站的技術需求為主，針對熔鹽儲能耦合火電機組調峰調頻、綠電供熱等領域的系統性研究嚴重不足。

1、熔鹽儲能關鍵技術

現有熔鹽的選型主要為耐高溫熔鹽和低熔點鹽。耐高溫熔鹽如技術成熟的Solar鹽，最高工作溫度達565℃，適合于高參數光熱發電或火電機組儲熱調峰系統。低熔點鹽通常為多元混合鹽，熔點低于240℃，如工程中常用的Hitec鹽等，能降低熔鹽凝固的風險，適用于較低參數的系統。

熔鹽儲罐主要有單罐、雙罐、多罐系統。單罐熔鹽儲能系統結構簡單，成本較低，適用于小面積生活供暖等領域，但存在斜溫層導致蓄熱效率降低的問題[1]。雙罐系統包含冷罐與熱罐，通過冷熱熔鹽分離并在2罐中循環換熱，避免了斜溫層問題，技術風險也相對較低。在雙罐的基礎上還可進一步增加儲罐數量，形成多罐系統，增大儲熱量。如哈密50 MW熔鹽塔式光熱發電項目首創了雙熱罐、一冷罐的系統配置，提高了機組的可靠性和靈活性。

實現大規模熔鹽儲能的關鍵是兼具低成本、可實施性的高電壓等級熔鹽電加熱器的研發。目前，熔鹽電加熱器主要有電阻式、電極式、感應式3種形式。現有技術普遍為380 V或690 V的低壓電阻式加熱器，主要應用于光熱發電場景。若用于電加熱熔鹽的場景如綠電供熱，則存在高壓綠電輸入與低壓加熱器不匹配而產生較高變電成本的問題。目前，市面上總體缺乏成熟的高電壓熔鹽加熱器。

傳統的熔鹽換熱器有管殼式換熱器和套管式換熱器。管殼式換熱器是目前熔鹽換熱器的主要形式，許多研究者已通過實驗和計算給出了推薦的管程、殼程換熱關聯式[2-3]，對其傳熱特性進行了數學描述。套管式換熱器具有結構簡單、能耐高壓的優點，在工程中也有應用。與上述傳統換熱器相比，以印刷電路板換熱器為代表的緊湊式換熱器效率高且能承受高溫、高壓工況，在新型電力系統如熔鹽儲能與新型動力循環的耦合中具有很大優勢[4]。表2整理了熔鹽關鍵技術的對比、分類情況，以及不同的應用場景下熔鹽、儲罐、加熱器選型的區別。

2、熔鹽儲能在光熱領域的應用

太陽能光熱發電是新型電力系統的中堅力量，擁有并網無障礙、連續發電調節能力強的優勢。光熱電站將太陽能以熱能的形式存儲在熔鹽中，后續利用熔鹽加熱給水獲取蒸汽，優勢在于儲能容量大，對地理環境要求低，建設規模可達10 GW以上。光熱型熔鹽儲能電站的技術研究重點是如何降低其成本、提高安全性。

大部分光熱電站使用熔鹽雙罐系統，光熱和熔鹽的耦合形式分為間接和直接2種。雙罐熔鹽儲熱系統如圖1所示[16-17]。間接蓄熱系統需要換熱裝置來傳遞熱量，采用導熱油或水蒸氣作為傳熱流體，在熔鹽中蓄熱。間接蓄熱系統換熱過程為太陽能-熔鹽-導熱油-蒸汽，熔鹽中儲存的熱能通過導熱油循環，到達蒸汽發生器換熱。間接蓄熱系統中熔鹽儲能系統作為相對獨立的模塊存在，可用于改造普通光熱電站。因導熱油的熱穩定性不足，間接蓄熱的工作溫度一般規定在400℃以下。直接蓄熱系統采用熔鹽作為傳熱和蓄熱介質，其換熱過程為太陽能-熔鹽-蒸汽，不需要經過導熱油循環，避免了不良換熱，適用于400～500℃的高溫工況，也可提高電站效率和朗肯循環效率。

光熱與熔鹽耦合的2種形式在工程中均有應用。熔鹽間接蓄熱一般能保持較高的循環效率，比蒸汽蓄能成本更低[16]，如西班牙Andasol槽式光熱電站是第一個大規模熔鹽間接蓄熱電站，容量約為1000 MW·h，儲能時間為7.5 h。熔鹽直接蓄熱簡化了電站設備組成，后期運維便捷。典型的熔鹽直接蓄熱電站是美國Solar two項目，該項目使用的硝酸鹽混合鹽被稱作Solar鹽，溫度范圍290~565℃。此后的塔式熔鹽光熱電站多沿用直接蓄熱方式與此工作溫度區間，如西班牙Gemasolar電廠、青海中控德令哈10 MW項目。

未來光熱的發展主要在于高參數運行及耦合新型動力循環。高參數運行涉及的關鍵技術為耐高溫熔鹽，選用碳酸鹽和部分MgCl2-KCl-NaCl混合體系的氯化鹽可提高系統的整體效率。光熱耦合新型動力循環則主要及高參數熔鹽及熔鹽換熱器，以超臨界CO2（S-CO2）布雷頓循環光熱發電系統為例，其中最高工作溫度可達800℃，冷熱罐熔鹽的溫差將達到100~120℃，儲能的難度更大[18]，需要使用性能穩定的寬溫域高參數熔鹽。該系統參數高、效率高、部件緊湊，涉及的熔鹽-CO2換熱器需耐受苛刻工況。在熔鹽-CO2換熱領域可選擇緊湊式換熱器如印刷電路板換熱器[4]，換熱效率高，能承受高達30 MPa的高溫、高壓工況。印刷電路板換熱器用于熔鹽儲能和CO2循環已有研究。Wang等人[15]設計并制造了一種翼形肋片印刷電路板換熱器，在工作壓力較小的熔鹽系統中采用換熱性能較好的肋片強化換熱通道。張虎忠[19]搭建了最高壓力和溫度分別為32 MPa和600℃的S-CO2換熱器試驗平臺，深度掌握了S-CO2在印刷電路板換熱器中的流動換熱特性。

光熱發電中，塔式通過吸熱塔吸收聚集的太陽能，傳熱至熱罐；槽式通過集熱管收集太陽能；線性菲涅爾式光熱發電成本低，在我國西部擁有良好的商業化前景；S-CO2用于光熱系統具有循環效率高、結構緊湊的優勢。光熱發電加熱器一般為低壓電阻式，以較低的成本滿足需求。除加熱器外，不同技術路線涉及的熔鹽儲能技術存在的區別見表3。

3、熔鹽儲能在火電調峰領域的應用

在火電機組中采用儲能可以實現削峰填谷，目前已經可以實現工程應用的是高溫熔鹽儲熱耦合火電機組調峰技術[20]。熔鹽-火電耦合系統的優勢在于能極大地提高機組深度調峰和提供高溫蒸汽的能力。熔鹽-火電耦合形式多樣，如抽取部分主蒸汽和再熱蒸汽進入熔鹽儲能模塊實現蒸汽蓄熱；用發電機出口電力加熱熔鹽的電加熱；通過煙氣-熔鹽換熱器實現的煙氣蓄熱以及結合以上幾種耦合形式的混合型加熱。為提高熔鹽-蒸汽換熱效率、增加儲能時長，火電調峰領域主要涉及高參數、寬溫域的熔鹽選型以及安全穩定的雙罐熔鹽系統。

3.1蒸汽蓄熱

3.1.1再熱蒸汽加熱熔鹽

在火電機組正常運行的同時抽取高壓主蒸汽和再熱蒸汽加熱熔鹽，該耦合系統能夠提高調峰性能和全過程循環效率，主要適用于亞臨界一次再熱機組500~600℃水平的蒸汽蓄熱。羅海華等[21]通過計算證明了再熱蒸汽加熱熔鹽方案的可行性，該方案利用熔鹽存儲的熱量加熱給水，輸出工業蒸汽，能實現火電機組熱電解耦和供熱調峰。熔鹽-火電耦合也可存在多個抽汽點，范慶偉等[10]以600 MW機組為例，提出多罐-多換熱器儲熱系統，將再熱蒸汽分別引入2個加熱器，其中疏水段加熱器的?效率最高。

3.1.2再熱+過熱蒸汽加熱熔鹽

同時抽取再熱、過熱蒸汽與熔鹽換熱的技術路線能夠充分利用鍋爐所產生的高溫蒸汽，適用主蒸汽溫度為500～600℃。王輝等[22]設計了火電機組超臨界百兆瓦級熔鹽儲能工藝流程，具體流程如圖2所示。其中，冷罐熔鹽預熱后分成2路，分別進入過熱加熱器和再熱加熱器，2路混合后進入熱鹽罐，實現熔鹽回路的流動儲熱。該方案各工藝模塊均為閉式循環，在全過程中鍋爐和汽輪機的高溫工質沒有減少或浪費，能極大提高深度調峰能力和系統靈活性[23]。

3.1.3高再冷段蒸汽加熱熔鹽

抽取再熱蒸汽加熱熔鹽可能導致再熱溫度超限，采用具有煙氣再循環的二次再熱機組可避免上述問題。該技術路線適用于主蒸汽溫度600～620℃的二次再熱機組。在上述機組中抽取高再冷段蒸汽加熱熔鹽，所儲熱能可用于加熱給水，供熱或供工業蒸汽，提高機組靈活性。張世剛[24]以某超超臨界660 MW二次再熱機組為研究對象，提出同時抽取一次和二次高再冷段高溫蒸汽進行熔鹽蓄熱。龐力平等[25]則模擬了二次再熱機組鍋爐和汽輪機的負荷響應特性，結果表明高再冷段蒸汽用于熔鹽蓄熱，可提高二次再熱機組對電網負荷的響應速率。

3.1.4直接蒸汽蓄熱技術

針對超超臨界機組620℃以上的蒸汽蓄熱，就需要采用直接蒸汽蓄熱（direct steam generation，DSG）技術。DSG電站中僅產出飽和蒸汽，無法采用常規的熔鹽冷、熱罐倒換運行模式，缺乏合適的長時間大規模儲熱系統。為解決DSG技術的瓶頸，可采用高參數熔鹽技術和多罐熔鹽系統來組成DSG的儲能裝置。如Seitz等人[26]在DSG系統中耦合冷、熱、中間罐3罐熔鹽儲能，間接存儲給水蒸發的熱量，進行預熱和過熱加熱。Disor項目[27]使用熔點為306℃的硝酸鈉熔鹽作為介質，直接與水蒸氣進行換熱。此類特殊情況涉及高參數熔鹽，對熔鹽熱穩定性的要求較高。

3.1.5蒸汽加熱熔鹽的不同情況

在主蒸汽蓄熱和再熱蒸汽蓄熱領域，熔鹽的選型存在區別。再熱蒸汽壓力參數較低，一般約為4 MPa，對應飽和蒸汽溫度約251℃。高溫主蒸汽和再熱蒸汽分別在不同熔點的熔鹽中蓄熱的情況如圖3所示。

由圖3a)可見，由于點a處夾點溫度的存在，熔鹽被加熱的溫度受到熔鹽最低使用溫度和夾點溫度的限制，其使用溫度范圍有限。常見的低熔點熔鹽使用溫度范圍為140~450℃，受到夾點溫度影響，其最高溫度僅能被加熱至400℃左右。若降低熔點，選擇熔點在100℃左右的熔鹽，其使用溫度上限就可以提升至450℃，但此類熔鹽的應用研究尚不充分，工程實際中使用較少。若采用常規Solar鹽，其使用溫度為260~565℃，此時熔鹽最低工作溫度已經接近飽和蒸汽線，被再熱蒸汽加熱的空間較小，并不適用于該場景。綜上所述，在再熱蒸汽蓄熱的情景下，宜采用熔點較低的熔鹽，其最高使用溫度無需設置過高。

與之相反，主蒸汽的參數較高，以14 MPa主蒸汽為例，對應飽和蒸汽溫度約335℃，如圖3b)點b，其夾點位置相對更高，對熔鹽加熱的限制相對較小。圖3b)描述了同一參數的主蒸汽加熱不同參數熔鹽的情況，此時常見的低熔點熔鹽工作溫度范圍為140~450℃，最高溫度可進一步拓展，而Solar鹽工作溫度約260~565℃，在此蒸汽參數下,只能被加熱到420℃左右，若降低熔點，則熔鹽甚至可被加熱到530℃以上。由此可見，針對主蒸汽蓄熱供熱場景，常規熔鹽即可適用，但是對于主蒸汽蓄熱后還要再產生蒸汽的熔鹽蓄熱場景，適用于熔點較低但是最高溫度較高的寬溫域熔鹽。

3.2發電機出口電加熱熔鹽

發電機出口電加熱熔鹽技術路線是利用電廠發電機出口的高壓電加熱熔鹽，將儲存的熱能輸出為調峰電能，即“電-熱-電”轉化。所存儲的熱能也可用于實現供熱，即“電-熱-熱”轉化。電加熱熔鹽儲能啟停方便，能提高現有儲熱和發電設備的利用率，降低棄風棄光率，提升電站效益。與光熱發電和電化學儲能相比，電加熱熔鹽通過在電廠發電機出口增加電加熱熔鹽裝置就能實現，成本下降空間大；與鋰電池等儲電池相比，其優勢為兼具火電靈活性改造的功能，滿足靈活調峰調頻等工況需要。

在電加熱熔鹽的使用情景下，電能直接來源于發電機出口，功率規模大，使用傳統低壓電阻式熔鹽加熱器不能滿足需求。因此，需要采用高電壓加熱系統如高電壓電阻式、感應式、電極式加熱器。高電壓熔鹽加熱器電壓等級可達6～10 kV，可避免低壓電阻式加熱方案中輸電線路損耗高的問題，成本較低。

“電-熱-電”熔鹽電蓄熱是一種電熱儲能，即“卡諾電池”技術。可采用雙罐熔鹽系統，通過冷熱罐循環放熱發電。“電-熱-熱”轉化的情況下，熔鹽電蓄熱與固體蓄熱具有相似性，并且可以結合。張家口市崇禮區城建小區使用固體蓄熱電鍋爐，綠電進入110 kV電鍋爐加熱鎂磚至500～550℃，所儲熱能再通過換熱器傳導至熱水，熱水進入集中供熱系統。

3.3煙氣蓄熱

大型火電機組中的高溫煙氣可達700～800℃，若能在熔鹽中蓄熱形成穩定熱源，就可以實現較高參數的可持續供暖或供生活熱水，同時也使鍋爐適應熱負荷變化較大的供熱需要，提高機組調峰能力。熔鹽煙氣蓄熱涉及高參數熔鹽以及特殊的煙氣-熔鹽換熱器。目前，關于高溫煙氣與熔鹽的儲熱換熱設備有許多設計，如引導煙氣穿過加熱棒，實現高溫煙氣熔鹽儲熱的特殊換熱通道[28]，以及利用高溫煙氣加熱熔鹽的自冷卻屏式加熱器[29]等，其優勢在于傳熱溫差大，熱量品位高。煙氣-熔鹽換熱器還可收集煉鋼過程中產生的高溫余熱，由多根并聯的金屬管組成并設置在煙腔內[30]。通過煙氣-熔鹽換熱器收集煙氣廢熱，可通過熔鹽雙罐系統實現再利用。利用雙罐熔鹽中儲熱實現發電的循環包括：低溫熔鹽從煙氣出口進入換熱器管束，與煙氣換熱成為高溫熔鹽；依次經過過熱器、蒸發器、預熱器加熱給水，輸出過熱蒸汽驅動汽輪機發電，換熱后的低溫熔鹽回到儲罐[31]。現有的高溫煙氣熔鹽換熱器適用溫度范圍較小，無法利用低濃度煙氣的余熱，在安全性和蓄熱換熱能力方面依然有待提高。表4為蒸汽、電蓄熱、煙氣蓄熱情景下對熔鹽儲能技術的選擇。

4、熔鹽儲能在綠電供熱領域的應用

新能源發電稱作綠電，綠電供熱是新能源消納的一種新途徑，是指使用低谷電或風、光富余電量加熱熔鹽，經過電-熔鹽-給水的熱傳遞，用于入戶供暖。一般通過雙罐熔鹽系統來實現綠電供熱，其原理如圖4所示[31]。使用綠電棄電或谷電將熔鹽加熱并儲存在高溫熔鹽罐中，白天將高溫熔鹽從罐中抽出，通過熔鹽換熱器加熱給水，滿足多種需求。如供給90℃熱水實現常規居民供熱，供給180～360℃的中低溫工業蒸汽，以及500℃以上的高溫蒸汽。換熱后降溫的熔鹽再流入低溫熔鹽罐，完成循環。

綠電供熱是一種高效的清潔供暖方式，在各地已開展試點工程。河北辛集熔鹽蓄熱低谷電綠色供暖示范工程[32]以低熔點鹽作為傳熱、蓄熱工質，利用電網10 h的低谷電力加熱熔鹽用于供給生活熱水，儲熱時長16 h。北京市燃氣熱力供熱中心[33]將夜間低谷綠電轉化為熱能儲存在180～390℃的熔鹽中，白天使用熔鹽儲熱為北京西站地區供暖，同時對外供應穩定的中低溫工業蒸汽。與燃氣供暖相比，綠電供熱的運行費用更低；與熱泵供暖技術相比，其初投資較低；與水蓄熱式電采暖相比，其優勢在于占地面積小，蓄能密度高。部分綠電供熱機組能夠同時供應100℃以下的民用熱水和各類工業蒸汽，熱效率較高，為火電機組改造提供了新方向。

綠電供熱涉及的關鍵技術為安全穩定的雙罐系統、高效率的換熱器和高電壓熔鹽電加熱器。普通生活熱水供應系統中常使用浮動盤管型彈性管束換熱器，而在熔鹽-水換熱的情景下，需要在管殼式熔鹽換熱器的基礎上進行改造優化。由于直接接入電網的熔鹽加熱器可以節省變電成本，綠電供熱也需要成熟可靠的高電壓熔鹽加熱器，如各類高壓電阻式、電極式、電磁感應式加熱器。對于部分只提供民用熱水或中低溫工業蒸汽的機組，也可直接采用380 V電極式或電阻式熔鹽加熱爐。總結綠電供熱不同技術路線適用的關鍵技術見表5。

在綠電供熱場景中，由熔鹽加熱蒸汽或過冷水，應根據不同的情況選擇低參數或高參數熔鹽。綠電供熱中熔鹽蒸汽換熱情況如圖5所示。

由圖5a)可見，蒸汽的升溫受到夾點a的限制，若要輸出超過500℃的高溫工業蒸汽，就需要提高熔鹽的蓄熱溫度至約600℃，選用高參數熔鹽與蒸汽進行換熱。在供應中低溫工業蒸汽時，使用熔點較低的硝酸鹽熔鹽即能滿足需求（圖5b)）。熔鹽加熱蒸汽的過程受夾點b溫度限制，最終在低參數熔鹽工作區間150~450℃，可供應1.2 MPa、370℃的蒸汽。

5、結論

1）目前，熔鹽儲能相關技術多樣，但各項關鍵技術都存在欠缺,限制了熔鹽儲能在新型電力系統中的應用發展。目前，在多元混合熔鹽領域，低熔點鹽主要是鋰、鈣、鉀等元素的硝酸鹽和亞硝酸鹽體系，如Hitec鹽。耐高溫鹽中氯化鹽的腐蝕性以及碳酸鹽的易分解性缺陷，還需要展開針對研究，為市場提供更多商業化熔鹽材料。

另外，在熔鹽儲罐的預熱、變工況方面研究不足，大型高溫熔鹽儲罐缺乏完善的制造標準和規范。市場缺乏成熟的高電壓等級熔鹽電加熱器，部分電磁感應加熱器雖可接入高電壓，但成本較高，并不具備普遍實施性。目前，廣泛采用的傳統管殼式換熱器，存在未兼顧以熔鹽為工質的情況，缺少針對優化熔鹽換熱器的構型展開的實驗研究。

2）熔鹽儲能系統的技術突破能提高效率、降低成本，也是增強光熱電站競爭力的關鍵所在。目前在光熱領域，我國已具備了支撐光熱發電大規模發展的基礎。太陽能光熱發電的成本控制主要通過提高系統效率和降低設備成本2方面來實現。

在提高系統效率方面主要有2種途徑：①高參數光熱發電，使用溫度區間和儲熱容量更大，循環效率更高；②光熱耦合新型動力循環，如熔鹽儲能耦合S-CO2光熱發電系統，需要采用耐高溫高壓的印刷電路板換熱器，儲熱系統溫度需超過700℃，但目前還沒有成熟的商用熔鹽可以滿足需求，存在技術瓶頸。

降低成本應從熔鹽儲能關鍵技術入手，如關于下一代光熱電站熔鹽的選型，期望同時滿足低熔點、耐高溫、低成本的要求。但關于不同熔鹽、儲罐、加熱器等的選型還需要進一步細化行業標準，形成規范評價體系，促進技術配套實現。

3）火電機組與熔鹽儲能結合是增加機組靈活性，提高全過程循環效率的有效方式。但目前針對火電機組與熔鹽儲能耦合的運行工況研究較少，雙罐系統在其中的安全性保證仍需進一步實踐研究。

現有熔鹽-火電耦合發電系統的研究范圍多針對主蒸汽溫度620℃以下的機組，關于超超臨界機組主蒸汽溫度620℃以上的熔鹽蒸汽蓄熱還缺乏成熟落地的方案。目前，抽取再熱或過熱蒸汽加熱熔鹽的方案可行性已被證實，但具體抽汽量的標準尚不明確，對火電系統整體的負面影響也需要進一步對比研究。

注：本文轉自《熱力發電》期刊，聯合作者為西安熱工研究院有限公司左芳菲，韓偉，姚明宇。轉載此文是出于傳遞更多信息之目的，若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者與本網聯系。