热力发电

项目	能量守恒	能量传递
电阻丝	$d (C Re, i m Re, i T Re, i) d t = Q ele, i − Q a, i$
填充材料	$d (C Mg, i m Mg, i T Mg, i) d t = Q a, i − Q b, i$	$Q a, i = T a, i − T Mg, i R Mg 1, i$	$Q b, i = T Mg, i − T b, i R Mg 2, i$
金属套筒	$d (C out, i m out, i T out, i) d t = Q b, i − Q c, i$	$Q b, i = T b, i − T out, i R out 1, i$	$Q c, i = T out, i − T c, i R out 2, i$
熔盐	$d (ρ s, i V s, i) d t = g s, i − g s, i + 1$ $d (C s, i m s, i T s, i) d t = g s, i h s, i − g s, i + 1 h s, i + 1 + Q c, i$	$Q c, i = α s, i A out 2, i (T c, i − T s, i)$

项目

能量守恒

能量传递

内壁

外壁

电阻丝

d (C Re, i m Re, i T Re, i) d t = Q ele, i − Q a, i

填充材料

d (C Mg, i m Mg, i T Mg, i) d t = Q a, i − Q b, i

Q a, i = T a, i − T Mg, i R Mg 1, i

Q b, i = T Mg, i − T b, i R Mg 2, i

金属套筒

d (C out, i m out, i T out, i) d t = Q b, i − Q c, i

Q b, i = T b, i − T out, i R out 1, i

Q c, i = T out, i − T c, i R out 2, i

熔盐

d (ρ s, i V s, i) d t = g s, i − g s, i + 1

d (C s, i m s, i T s, i) d t = g s, i h s, i − g s, i + 1 h s, i + 1 + Q c, i

Q c, i = α s, i A out 2, i (T c, i − T s, i)

项目	能量守恒	能量传递
电阻丝	$d (C Re, i m Re, i T Re, i) d t = Q ele, i − Q a, i$
填充材料	$d (C Mg, i m Mg, i T Mg, i) d t = Q a, i − Q b, i$	$Q a, i = T a, i − T Mg, i R Mg 1, i$	$Q b, i = T Mg, i − T b, i R Mg 2, i$
金属套筒	$d (C out, i m out, i T out, i) d t = Q b, i − Q c, i$	$Q b, i = T b, i − T out, i R out 1, i$	$Q c, i = T out, i − T c, i R out 2, i$
熔盐	$d (ρ s, i V s, i) d t = g s, i − g s, i + 1$ $d (C s, i m s, i T s, i) d t = g s, i h s, i − g s, i + 1 h s, i + 1 + Q c, i$	$Q c, i = α s, i A out 2, i (T c, i − T s, i)$

项目

能量守恒

能量传递

内壁

外壁

电阻丝

d (C Re, i m Re, i T Re, i) d t = Q ele, i − Q a, i

填充材料

d (C Mg, i m Mg, i T Mg, i) d t = Q a, i − Q b, i

Q a, i = T a, i − T Mg, i R Mg 1, i

Q b, i = T Mg, i − T b, i R Mg 2, i

金属套筒

d (C out, i m out, i T out, i) d t = Q b, i − Q c, i

Q b, i = T b, i − T out, i R out 1, i

Q c, i = T out, i − T c, i R out 2, i

熔盐

d (ρ s, i V s, i) d t = g s, i − g s, i + 1

d (C s, i m s, i T s, i) d t = g s, i h s, i − g s, i + 1 h s, i + 1 + Q c, i

Q c, i = α s, i A out 2, i (T c, i − T s, i)

项目	数值
壳体	直径/mm	988
长度/m	12
U型电加热管根数/根	390
电阻丝	直径/mm	1
材料	Ni80Cr20
填充材料	直径/mm	3
材料	氧化镁22SR
金属套筒	直径/mm	2.75
材料	S32168

项目

数值

壳体

直径/mm

988

长度/m

U型电加热管根数/根

390

电阻丝

直径/mm

材料

Ni80Cr20

填充材料

直径/mm

材料

氧化镁22SR

金属套筒

直径/mm

2.75

材料

S32168

项目	数值
壳体	直径/mm	988
长度/m	12
U型电加热管根数/根	390
电阻丝	直径/mm	1
材料	Ni80Cr20
填充材料	直径/mm	3
材料	氧化镁22SR
金属套筒	直径/mm	2.75
材料	S32168

项目

数值

壳体

直径/mm

988

长度/m

U型电加热管根数/根

390

电阻丝

直径/mm

材料

Ni80Cr20

填充材料

直径/mm

材料

氧化镁22SR

金属套筒

直径/mm

2.75

材料

S32168

辅助燃煤机组AGC调节的熔盐电加热器动态性能研究

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马汀山 ¹^,² , 张国龙 ²^,³ , 居文平 ¹^,² , 常东锋 ¹^,² , 王伟 ²^,³ , 雒青 ¹^,² , 张建元 ²^,³ , 耿如意 ²^,³ , 兀鹏越 ²

热力发电 | 热能科学研究 2024,53(4): 84-91

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热力发电 | 热能科学研究 2024, 53(4): 84-91

辅助燃煤机组AGC调节的熔盐电加热器动态性能研究

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马汀山¹^,², 张国龙²^,³, 居文平¹^,², 常东锋¹^,², 王伟²^,³, 雒青¹^,², 张建元²^,³, 耿如意²^,³, 兀鹏越²

作者信息

^1.高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室，北京　102209

^2.西安热工研究院有限公司，陕西　西安　710054

^3.西安西热节能技术有限公司，陕西　西安　710054

马汀山（1982），男，硕士，研究员，主要研究方向为汽轮机、供热、储热技术研发与应用，matingshan@tpri.com.cn。

Dynamic performance of molten salt electric heater with AGC regulation for auxiliary coal-fired units

Tingshan MA¹^,², Guolong ZHANG²^,³, Wenping JU¹^,², Dongfeng CHANG¹^,², Wei WANG²^,³, Qing LUO¹^,², Jianyuan ZHANG²^,³, Ruyi GENG²^,³, Pengyue WU²

Affiliations

^1.State Key Laboratory of High-Efficiency Flexible Coal Power Generation and Carbon Capture Utilization and Storage, Beijing 102209, China

^2.Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China

^3.Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi’an 710054, China

出版时间: 2024-04-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202308137

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摘要

收起

燃煤机组耦合熔盐电加热器系统可大幅提升其调频调峰能力。基于Modelica语言建立了熔盐电加热器的动态模型并完成了试验验证，揭示了熔盐电加热器在熔盐流量扰动和机组自动发电控制（AGC）负荷扰动下的动态特性。基于其动态特性提出了“前馈+PID”调节的温度控制方法，计算分析了熔盐电加热器辅助燃煤机组AGC调节时的电负荷变化特性和热力参数变化特性。研究结果表明，配置10 MW熔盐电加热器可使660 MW燃煤机组AGC变负荷速率提升340%，且所提控制方法能够维持电加热器热力参数的稳定。

关键词

燃煤机组 / 熔盐储热 / 电加热器 / 动态特性 / AGC调节

Abstract

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The coupling of coal-fired units with molten salt electric heater systems can significantly improve their frequency regulation and peak shaving capabilities. On the basis of Modelica language, a dynamic model of the molten salt electric heater is established and the experimental verification is completed, it reveals the dynamic characteristics of the molten salt electric heater under the disturbance of molten salt flow rate and unit AGC load. A temperature control method of “feedforward+PID” regulation is proposed based on its dynamic characteristics, and the characteristics of electrical load and thermal parameter changes during AGC regulation of coal-fired units assisted by molten salt electric heaters are calculated and analyzed. The results indicate that, configuring a 10 MW molten salt electric heater can increase the AGC variable load rate of a 660 MW coal-fired unit by 340%, and the proposed control method can maintain the stability of thermal parameters of the electric heater.

Key words

coal-fired unit / molten salt heat storage / electric heater / dynamic characteristics / AGC regulation

引用本文

马汀山, 张国龙, 居文平, 常东锋, 王伟, 雒青, 张建元, 耿如意, 兀鹏越. 辅助燃煤机组AGC调节的熔盐电加热器动态性能研究. 热力发电, 2024 , 53 (4) : 84 -91 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202308137

Tingshan MA, Guolong ZHANG, Wenping JU, Dongfeng CHANG, Wei WANG, Qing LUO, Jianyuan ZHANG, Ruyi GENG, Pengyue WU. Dynamic performance of molten salt electric heater with AGC regulation for auxiliary coal-fired units[J]. Thermal Power Generation, 2024 , 53 (4) : 84 -91 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202308137

正文

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随着可再生能源大规模接入电网，其随机性强、波动性大的特点也给电网稳定带来极大挑战。在我国富煤贫油少气的能源背景下，燃煤机组在未来一段时间仍是我国电力供应的最主要电源，其角色也将由传统的提供电力、电量的主体电源，逐步向电力、电量调节型电源转变^[1]。然而，从煤粉研磨到煤粉燃烧，再到水气化吸热的大延迟，严重限制了燃煤机组灵活运行能力^[2-3]。因此，燃煤机组快速响应负荷的能力亟待提高。

由于电池储能和飞轮储能具有响应速度快、精度高、控制灵活等优势，常被用于辅助燃煤机组调频。何林轩等^[4]验证了燃煤机组配置飞轮储能可有效减少电力系统频率偏差变化量。2023年4月广东台山电厂投资建设的60 MW/60 MW·h电化学储能正式投入生产运营，期间发电机组AGC调节水平得到有效提升^[5]。尽管电储能技术输出精准、响应时间短，但因成本较高、容量小仍应用受限。

熔盐储热近些年应用广泛，在光热发电、火电灵活性改造、用户侧储热供热等场景下，市场需求显著扩大^[6-8]。Drost等人^[9]在1990年第一个提出了利用熔盐储热辅助燃煤机组深度调峰方案。Cao等人^[10]设计了利用电加热熔盐的储热方式，进一步提高了熔盐储热系统耦合燃煤机组的系统灵活性。西安热工研究院有限公司承担的“与煤电耦合的熔盐储热调频调峰及安全供汽技术示范工程项目”是熔盐储热在国内乃至整个世界首次大规模工程应用于火电行业，项目投运后机组深度调峰、调频、安全供汽能力得到大幅提升^[11]。

燃煤机组和熔盐储热系统耦合方式众多，其中借助于采用熔盐电加热器加热熔盐的储能过程，不仅能实现大规模储能辅助燃煤机组深度调峰，而且在储能过程中其精准、快速、可控的功率响应能力也可以辅助燃煤机组自动发电控制（AGC）调节^[12]。简单来说，在电加热器稳定运行过程中，当电网需要降低负荷时，熔盐电加热器快速升高负荷，使机组上网功率降低；反之，当电网需要升高负荷时，熔盐电加热器快速甩掉负荷，使机组上网功率升高。但是，对熔盐电加热器来说，电气设备的快速性与热工设备的热惰性存在矛盾，如何保证其在快速变工况条件下的稳定运行成为问题的关键。

熔盐储热可应用于辅助高参数供汽机组的热电解耦，储能过程中利用电加热熔盐储存热量，辅助机组深度调峰，放热过程中高温熔盐加热除氧水产生蒸汽，补充机组供汽不足。本文将重点关注电热熔盐储能与燃煤机组耦合系统中的储能过程。先建立了熔盐电加热器动态模型，揭示了其在电负荷扰动和熔盐流量扰动下的动态特性，并基于其动态性能提出了“前馈+PID”调节的控制方法；再计算分析了熔盐电加热器辅助燃煤机组AGC调节时的负荷变化特性和热力参数变化特性，验证了本文所提控制方法的有效性。

1　动态建模

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1.1　电加热器结构

典型熔盐电加热器结构示意如图1所示，其主要由接线盒、U型电加热管、壳体和支撑板组成（图1a)），其中U型电加热管（图1b)）从里到外依次是合金电阻丝、填充材料和金属套筒。电加热器内熔盐选用Hitec混合硝酸盐（53%硝酸钾+40%亚硝酸钠+7%硝酸钠），其物性参数见文献[13]。

1.2　动态建模

本文使用Modelica语言对熔盐电加热器进行建模，该语言使用微分代数方程（DAE）的非因果模型，基于面向对象的方法、多重继承的可能性和重新声明特性导致了清晰的模型结构，避免了常用代码的重复定义^[14]。

为建立模型做出以下假设：1）忽略电阻丝热阻；2）假设填充材料和金属套筒的热阻分别集中在内外壁面上；3）将电流流过电阻丝产生的热量等效为恒热流密度（W/m²）；4）忽略熔盐在加热器流动中产生的压降。简化后的熔盐电加热器内部热传递过程如图2所示，基于能量守恒定律对电加热器进行能量分析，具体情况见表1。

考虑到本文研究对象的熔盐侧雷诺数介于400~2 300，选用以下经验关联式计算努塞特数^[15]：

α s = N u ⋅ λ D = 1.61 ⋅ λ D (R e P r l / D) 0.63 (μ f μ w) 0.32

(1)

式中：Nu为努塞特数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；D为特征长度，m；l为流动长度，m；μ_f、μ_w分别为熔盐和管壁温度下的熔盐粘度系数，kg/(m‧s)。

2　模型验证与动态特性分析

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2.1　模型验证

为验证熔盐电加热器动态模型的有效性，本文采用江苏省某40 MW/80 MW·h电热熔盐储热系统中熔盐电加热器的试验测量数据进行模型验证，其具体结构参数见表2。

图3和图4分别展示了当熔盐流量减少33%和电负荷减少40%时，瞬态过程中熔盐电加热器内部熔盐温度和出口管壁温度的变化趋势。在各参数的变化曲线图中，试验值用实线表示；数值模拟值用短线表示。

由图3和图4可知，当扰动发生时，各主要参数的模拟值与试验值变化趋势基本相同，最大相对误差在3%以内，能够满足工程应用和研究分析的精度要求。

2.2　阶跃扰动下动态特性分析

由于熔盐电加热器在辅助燃煤机组AGC调节时，其电负荷和熔盐流量会频繁快速波动，而阶跃扰动是获得其动态特性的有效手段，故对此进行了计算分析。

以熔盐入口温度203 ℃、出口温度384 ℃、电负荷5 MW为设计工况，在第200 s时分别进行了电负荷阶跃增加20%和熔盐流量阶跃增加20%的边界扰动，观察电加热器入口段（距入口4 m处）、中间段（距入口8 m处）和出口段（距入口12 m处）熔盐及管壁平均温度的变化趋势。

2.2.1　电负荷阶跃扰动

图5为电负荷阶跃扰动内部温度变化规律。由图5可知：由于电加热管热量由内向外传递，所以在电负荷阶跃增加时管壁温度迅速升高，熔盐温度伴随着管壁温度的升高而缓慢升高，但同一位置处熔盐和管壁近乎同时达到稳定状态；在熔盐流动方向上，各位置熔盐温度和管壁温度同时发生变化，但距离入口段越远动态响应时间越长，在扰动发生1 217 s后电加热器整体达到稳定状态。

2.2.2　熔盐流量阶跃扰动

图6为熔盐流量阶跃扰动内部温度变化规律。由图6可知：由于熔盐流量增加，熔盐和管壁间对流传热量增加，管壁温度呈现下降趋势；由于传热量增加比例没有熔盐流量增加比例大，熔盐温度也呈现下降趋势；与电负荷扰动一致，距离入口段越远动态响应时间越长，在扰动发生1 028 s后电加热器整体达到稳定状态。

2.3　控制方法制定

从电加热器的动态特性研究中可以看出，加热器出口熔盐温度动态响应时间最长、热惯性最大，因此其参数稳定、不大幅波动是电加热器平稳运行的关键。考虑到其接入燃煤机组辅助AGC调节时电负荷将频繁波动，本文以熔盐流量为控制量，并采用前馈+PID的控制方式，以实现电加热器出口熔盐温度稳定的控制目标，具体如图7所示。在稳态工况下，根据式(2)，熔盐进出口热量的变化等于电负荷，熔盐流量与电负荷可通过系数x进行匹配，所以选择电负荷作为前馈控制器的导前信号。

M = g s C s Δ T s = x g s

(2)

式中：M为电负荷，MW；ΔT_s为电加热器进出口熔盐温度差，K；x为比例系数。

3　燃煤机组AGC调节工况下动态特性

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3.1　耦合方式

熔盐电加热器与燃煤机组的接线方式和调控原理如图8所示。电加热器经调功器（PCS）、变压器接入厂用电母线，通过改变电加热器用电负荷间接调整了机组的上网功率，进而达到辅助燃煤机组快速AGC调节的目的。

与常用的电池储能、飞轮储能调控原理略有不同，熔盐电加热器的功率给定主要包含基础负荷和调频负荷2部分。其中，基础负荷由外部给定，不受AGC指令变化的影响，而机组需要在AGC指令的基础上增加基础负荷的出力，保证上网功率（忽略厂用电）和AGC指令一致；调频负荷则按照电网指令和上网功率的偏差来决定出力大小，当AGC指令降低时，电加热器快速升高负荷，使得机组上网功率降低，反之，电加热器快速甩掉负荷，使得机组上网功率升高。具体熔盐电加热器指令的计算方法如图9所示。

3.2　案例分析

本文以某超（超）临界660 MW机组为计算案例，模拟研究了在配置10 MW熔盐电加热器前后机组的负荷变化特性，分析电加热器在辅助调频过程中关键热力参数的变化趋势。

3.2.1　负荷变化特性

图10a)为该机组在实际响应AGC指令过程中负荷随时间的变化曲线。由图10a)可以看出，在800 s的调节时间里燃煤机组多次出现超调、反调的情况，整体AGC性能较差。配置10 MW熔盐电加热器之后，采用图8中的调控策略，设置5 MW为基础负荷，并根据图9所描述的计算方法得出了图10b)所示的熔盐电加热器指令，进而获得了图10c)所示的机组出力和耦合系统出力随时间的变化曲线。由图10b)可以看出，基于图8的调控策略熔盐电加热器能够根据AGC指令和上网功率偏差快速调节出力。同时，由图10c)可以看出，燃煤机组配置熔盐电加热器后其AGC跟随能力得到提高，并一定程度上改善机组超调、反调问题。

进一步对比计算AGC调节过程中燃煤机组单独响应时和耦合系统共同响应时的变负荷速率。我国电力行业标准《火力发电厂自动发电控制性能测试验收规程》中定义了燃煤发电机组AGC调节时的变负荷速率，计算公式如下^[16]：

v = M (t 2) − M (t 1) t 2 − t 1

(3)

式中：v为变负荷速率，%P_e/min；M(t)为t时刻机组负荷，%P_e；t₁为负荷变化至AGC负荷指令目标变化幅度90%的时刻，min；t₂为负荷变化至AGC负荷指令目标变化幅度10%的时刻，min。

根据式(3)计算出在800 s的时间内共计14次AGC指令下机组的变负荷速率，结果如图11所示。由图11可知：耦合系统的变负荷速率相较于燃煤机组单独调节得到明显提升，且能够满足电网要求的1.5%P_e/min；整体来看，燃煤机组配置10 MW熔盐电加热器后，AGC平均变负荷速率从0.59%P_e/min提升至2.01%P_e/min，提升了340%。同时，从第1—3次响应AGC指令过程中可以看出，燃煤机组配置熔盐电加热器后更适合连续正反向交叉调节工况，不适合连续单方向调节工况。

3.2.2　热力参数变化特性

熔盐电加热器在辅助燃煤机组AGC调节过程中，采用图7所述的温度控制方法，模拟得出内部熔盐温度与管壁温度的变化趋势如图12所示。由图12中可以看出：出口熔盐温度的设定值为384 ℃，前馈+PID的控制方式使电加热器出口熔盐温度的变化量被限制在8 ℃以内，出口管壁温度的变化量被限制在40 ℃以内，能够保证热力参数的稳定，验证了控制策略的有效性；同时可以看出，电加热器入口段、中间段温度变化趋势与出口温度变化趋势基本一致，但入口段温度波动时间更长，主要是因为控制器参数是根据出口温度动态特性来指定的。

4　结论

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本文建立了熔盐电加热器动态模型并完成了试验验证，揭示了其在电负荷扰动和熔盐流量扰动下的动态特性，基于其动态性能提出了“前馈+PID”调节的控制方法，并计算分析了电加热器辅助燃煤机组AGC调节时的负荷变化特性和热力参数变化特性，得到以下结论。

1）采用熔盐电加热器储能方式能够显著提升燃煤机组AGC调节性能，配置10 MW熔盐电加热器可使机组AGC变负荷速率提升340%。

2）采用“电负荷前馈+PID”的控制方法，使得电加热器出口熔盐温度和管壁温度的变化量分别被限制在8 ℃和40 ℃以内，验证了控制策略的有效性。

基金

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陕西省重点研发计划项目(2023-LL-QY-27)

参考文献

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文献

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2024年第53卷第4期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202308137

接收时间：2023-08-23
首发时间：2026-03-06
出版时间：2024-04-25

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收稿日期：2023-08-23

基金

Key Research and Development Program of Shaanxi Province(2023-LL-QY-27)

陕西省重点研发计划项目(2023-LL-QY-27)

作者信息

^1.高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室，北京　102209

^2.西安热工研究院有限公司，陕西　西安　710054

^3.西安西热节能技术有限公司，陕西　西安　710054

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/rlfd/CN/10.19666/j.rlfd.202308137

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

项目	能量守恒	能量传递
电阻丝	$d (C Re, i m Re, i T Re, i) d t = Q ele, i − Q a, i$
填充材料	$d (C Mg, i m Mg, i T Mg, i) d t = Q a, i − Q b, i$	$Q a, i = T a, i − T Mg, i R Mg 1, i$	$Q b, i = T Mg, i − T b, i R Mg 2, i$
金属套筒	$d (C out, i m out, i T out, i) d t = Q b, i − Q c, i$	$Q b, i = T b, i − T out, i R out 1, i$	$Q c, i = T out, i − T c, i R out 2, i$
熔盐	$d (ρ s, i V s, i) d t = g s, i − g s, i + 1$ $d (C s, i m s, i T s, i) d t = g s, i h s, i − g s, i + 1 h s, i + 1 + Q c, i$	$Q c, i = α s, i A out 2, i (T c, i − T s, i)$

项目

能量守恒

能量传递

内壁

外壁

电阻丝

d (C Re, i m Re, i T Re, i) d t = Q ele, i − Q a, i

填充材料

d (C Mg, i m Mg, i T Mg, i) d t = Q a, i − Q b, i

Q a, i = T a, i − T Mg, i R Mg 1, i

Q b, i = T Mg, i − T b, i R Mg 2, i

金属套筒

d (C out, i m out, i T out, i) d t = Q b, i − Q c, i

Q b, i = T b, i − T out, i R out 1, i

Q c, i = T out, i − T c, i R out 2, i

熔盐

d (ρ s, i V s, i) d t = g s, i − g s, i + 1

d (C s, i m s, i T s, i) d t = g s, i h s, i − g s, i + 1 h s, i + 1 + Q c, i

Q c, i = α s, i A out 2, i (T c, i − T s, i)

项目	数值
壳体	直径/mm	988
长度/m	12
U型电加热管根数/根	390
电阻丝	直径/mm	1
材料	Ni80Cr20
填充材料	直径/mm	3
材料	氧化镁22SR
金属套筒	直径/mm	2.75
材料	S32168

项目

数值

壳体

直径/mm

988

长度/m

U型电加热管根数/根

390

电阻丝

直径/mm

材料

Ni80Cr20

填充材料

直径/mm

材料

氧化镁22SR

金属套筒

直径/mm

2.75

材料

S32168