关于在极端运行条件下大型熔盐储存罐基础材料性能的沉降、应力及演变的研究

《Journal of Energy Storage》：Study on the settlement, stress, and evolution of foundation material properties for large-scale molten salt storage tanks under extreme operating conditions

极端洪水事件对熔盐储罐基础系统的影响研究采用1:100比例实验与数值模拟相结合的方法，揭示了漏水引发的高温非均匀热场导致基础材料性能退化（热导率增加2倍，抗压强度下降10-30%），并证实局部不均匀沉降易引发大耳板焊接处（应力峰值超328MPa）开裂，而均匀沉降风险集中于储罐底部中心。该研究建立了多物理场耦合分析框架，为大型熔盐储热系统洪涝灾害评估提供理论支撑。

　　

刘翔|陈存贤|王木群|薛雪|赵建国|周浩

浙江大学，热能工程研究所，清洁能源利用国家重点实验室，杭州，310027，中国

摘要

本研究采用1:100比例的实验和数值模拟相结合的方法，系统地研究了极端洪水事件对熔盐储能罐基础系统的影响。实验再现了水侵入事故的关键特征和主要物理机制，揭示了底板温度不均匀性、显著的热应力发展以及基础承载能力的下降。应变计和温度传感器的测量结果表明，在高温条件下，水的侵入会引发强烈的温度梯度和交替的热应力（±100–150 MPa），底板不同位置会表现出瞬态的拉伸和压缩应力状态，这可能引发潜在的裂纹。水暴露显著改变了基础材料的物理性质：浸水后经过24小时干燥，导热系数可能增加两倍，而抗压强度则降低约10–30%；此外，盐水蒸发后盐的结晶可能会适度提高基础材料的抗压强度。基于这些实验结果，进一步开发了工程规模的CFD（计算流体动力学）和结构模型，明确考虑了实际的罐体几何形状、壁厚和边界条件。数值模拟定量评估了在不同水侵入量和角度下的热场、沉降行为和应力分布。结果表明，与360°周向侵入相比，90°单侧侵入更有可能在大型角焊缝处引起严重的不均匀沉降和明显的应力集中；当局部膨胀粘土发生破坏时，该位置的应力可能超过328 MPa。总体而言，熔盐储能罐组件的脆弱性强烈依赖于沉降模式：局部不均匀沉降主要威胁大型角焊缝，而近似均匀沉降则将关键风险区域转移到罐底中心。这些发现架起了机制理解和工程应用之间的桥梁，为评估大规模熔盐储能系统的洪水相关风险提供了系统框架，并支持其在复杂环境中的安全运行。

引言

2024年，全球能源转型投资达到了2.08万亿美元，同比增长11%，首次超过了2万亿美元的门槛。其中，7280亿美元专门用于可再生能源。配备熔盐热储能系统（MSTS）的聚光太阳能（CSP）电站能够稳定供应太阳能，并为电网提供持续的清洁电力。近年来，MSTS也成为电网规模储能的关键解决方案[1]，并提高了改造后的燃煤电厂的灵活性[2]。在计划中的CSP项目中，61.90%的设计采用了双罐热储能系统，而几乎所有电网储能和燃煤电厂改造项目都采用了这种配置[3]。然而，关于MSTS安全性的全球研究和监管标准仍然很少。针对大规模高温熔盐储能罐的安全研究已成为支持中国能源转型和工业经济可持续发展的紧迫任务。

大型熔盐储能罐的泄漏和倒塌是与MSTS相关的问题。据报道，世界各地的商业CSP电站发生了多起MST泄漏事件。美国的Crescent Dunes太阳能项目（2016年）、摩洛哥的150 MW NOORo III塔式聚光太阳能电站（2019年）和西班牙的Gemasolar电站都经历了严重的泄漏事故，导致长时间停机和巨大的收入损失[4]，[5]。预计在未来五到十年内，由于国内CSP项目和燃煤电厂灵活性改造中熔盐储能应用的迅速扩展，中国可能会面临MST泄漏事件的增加。现有的MSTS研究主要集中在温度分布和热损失[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，以及充放电过程中的动态热性能[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，而关于高温腐蚀和熔盐泄漏的研究仍然较少。

熔盐对金属的腐蚀通常发生在高温环境中，熔盐溶液与金属材料之间的化学反应会导致表面降解和材料失效[19]。熔盐直接接触金属表面，并逐渐形成一层腐蚀产物。潜在的腐蚀机制包括电化学反应、物理化学转变和热力学驱动的过程。熔盐的类型对金属腐蚀的严重性和性质起着决定性作用[20]，[21]。美国能源部（DOE）通过其SunShot计划优先研究了基于氯化物的盐类。Peiwen Li等人[22]开发了由NaCl或KCl与ZnCl?、FeCl?和AlCl?组成的三元传热熔盐，并对每种组合进行了腐蚀性能评估。Qing Gong等人[23]研究了两种选定的商用铁基合金（SS 310和In 800H）在MgCl?-KCl-NaCl熔盐混合物中的腐蚀行为。熔盐热能系统的运行对结构金属材料施加了各种类型的应力，包括热应力、机械应力和残余应力。应力与高温氧化介质的结合可能导致金属合金的应力腐蚀开裂（SCC）[24]。Li Heng等人[25]研究了在由二元硝酸盐（60 wt% NaNO?和40 wt% KNO?）组成的熔盐中，恒定载荷对304奥氏体不锈钢（ASS）的SCC行为的影响。

实际上，由于无法确保MSTS完全不泄漏，因此理解和处理泄漏事件至关重要。当发生泄漏时，熔盐可能会渗入多孔基材、周围土壤和地下水中。由于高温熔盐与相对较冷的罐底之间的温差较大，泄漏的熔盐可以横向和纵向迁移，甚至可能固化。这一过程构成了多孔介质中的复杂多相流动现象，涉及流体动力学、热传递和相变机制[26]，[27]。Song等人[28]对多孔介质中饱和盐水溶液的横向冻结进行了实验和数值研究，并验证了多孔基质渗透性对流体运动和分离晶体迁移的影响。他们的结果表明，多孔基质对流体运动和晶体迁移具有额外的阻力，从而影响盐水溶液的冻结过程。然而，他们的研究没有考虑在实际罐体泄漏情况下，不同熔盐硝酸盐在热活性多孔基础材料中的流动和热传递行为差异。Weisbrod等人[29]使用光学传输系统研究了在均匀预湿的硅砂床中NaNO?溶液的迁移特性。他们的实验主要关注溶液密度、表面张力和接触角对盐水迁移的影响。然而，他们没有考虑高温熔盐泄漏到多孔基础材料时发生的相变行为和与周围环境的热交换。Hird等人[30]研究了氯化钠在干燥多孔材料中的迁移特性，并分析了盐结晶、自吸收和毛细上升的影响。然而，该研究没有考虑实际条件下实际盐类、多孔材料和多相组分之间的相互作用。Shan等人[31]数值模拟了熔盐在冷土表面的泄漏行为，但没有考虑地质条件（多孔介质的组成、结构和含水量）对熔盐迁移和相变的影响。Zhang等人[26]研究了他们自主研发的SYSU-N1熔盐泄漏到冷沙多孔床中的迁移和相变特性，并分析了不同操作和结构参数对泄漏后迁移范围的影响。然而，他们的研究没有考虑熔盐与基础材料在渗透过程中的相互作用及其对床层结构的影响。Wu等人[27]对三元硝酸盐盐泄漏到冷多孔土壤系统中的迁移和相变现象进行了数值模拟，分析了流动特性、温度分布和热流。然而，他们对熔盐与多孔床之间多相相互作用的研究较为表面化。我们的研究小组也在这个主题上进行了大量工作[32]，[33]，但迄今为止的重点仅限于单组分熔盐在多孔介质中的宏观流动行为，而没有深入探讨控制流体运动和相变的微观机制。

高温腐蚀和液位长期波动被广泛认为是熔盐储能罐焊缝开裂和泄漏的主要原因。此外，多次熔盐罐故障事件表明，不均匀的基础沉降是加速裂纹扩展和导致罐体失效的关键因素。熔盐罐的泄漏甚至倒塌涉及复杂问题，如金属-熔盐界面处的高温腐蚀、疲劳失效和复杂的瞬态热机械耦合效应，使其成为多相、多原因相互作用的典型例子。然而，随着MSTS技术在向清洁能源转型中发挥越来越重要的作用，其应用范围已从中国西北部等干旱高温地区扩展到地下水丰富、降雨量大的南部地区。在这种条件下，极端降雨事件对大规模熔盐热储能系统的安全性和稳定性构成了重大挑战。Zhang等人[31]总结了自2024年以来的全球主要极端天气事件分布，如图1所示，在传统干旱地区如西班牙和西亚，已经发生了百年一遇的洪水。许多沙漠地区如迪拜、阿曼、巴基斯坦和中国新疆都发生了洪水，而这些地区集中了许多CSP电站。因此，洪水和地下水对熔盐储能罐的威胁已成为现实，迫切需要相关研究。

针对上述研究背景和工程趋势，本研究使用1:100比例的高温熔盐储能罐实验模型进行了一系列研究。目的是阐明在不同水侵入情况下罐底板和焊缝所经历的瞬态热机械冲击行为。然后，确定基础材料在盐水和水污染后的热性能和机械性能变化。最后，通过数值模拟确定全尺寸45米直径MSTS在不同水暴露条件下的应力分布、关键区域和潜在裂纹扩展方向。本研究的结果预计将为评估灾害事件期间大型熔盐储能罐的损伤状态和潜在机制提供理论基础。

实验系统和程序

实验系统（图2）包括罐盖（8）、模拟的MSTS底板（7）、电加热器（9）、基础罐（5）、基础内的内部渗水管（2）、进水环（6）、水挡板（1）、进水环与外部水源之间的连接管（3）、基础罐的外缘（4）、电加热器内的导热颗粒（10）、高温应变计（11）和温度

罐底板的热冲击测试

本节研究水侵入引起的局部温度梯度是否可能触发瞬态热应力冲击。如图4(a)所示，当底板保持在270°C时，水会沿着圆周方向渗入基础系统。持续向进水环注水会导致溢出，使基础内的水位上升（其中膨胀粘土底层最初处于饱和状态）。这造成了显著的

结论

本研究采用1:100比例的实验和数值模拟相结合的方法，系统地研究了洪水对熔盐储能罐基础系统的影响。实验设计旨在再现熔盐罐中水侵入事故的关键特征和主要内部物理机制。基于实验获得的机制理解，通过明确考虑这些因素，建立了工程规模的数值模型

CRediT作者贡献声明

刘翔：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件开发，调查，正式分析，数据管理。陈存贤：正式分析，数据管理。王木群：正式分析，数据管理。薛雪：正式分析，数据管理。赵建国：正式分析，数据管理。周浩：项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

得到中央高校基本科研业务费（2022ZFJH04）的支持。