熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器的設計方法

李石棟，莫國強，蘇楚然，宋本南，莫才頌，黃伯志，許少西，陳禮鑫

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熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器的設計方法

李石棟1，莫國強1，蘇楚然2，宋本南1，莫才頌1，黃伯志1，許少西2，陳禮鑫1

（1. 廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000； 2. 廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000）

對熔融鹽蒸汽發(fā)生器的類型進了介紹,由于熔融鹽引起的熱應力、凍堵等，會造成熔融鹽蒸汽發(fā)生器的泄漏等安全事故，提出了一種熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器并對其進行設計方法探索, 該蒸汽發(fā)生器由上下鍋筒及高溫熱管構成，其管程走水/水蒸汽，殼程走熔融鹽, 能改善其結構熱應力、熔融鹽流動阻力。最后展望了熔融鹽蒸汽發(fā)生器的研究方向。

熔融鹽；熔融鹽蒸汽發(fā)生器；太陽能；太陽能熱發(fā)電

太陽能熱發(fā)電技術是太陽能的高品位清潔利用方式，一直得到世界各國的廣泛關注。中國科學院電工研究所建成了1 MW塔式太陽能發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已經(jīng)搭建了22個太陽能高溫集熱系統(tǒng)，籌劃推進的商業(yè)化太陽能熱發(fā)電項目總裝機容量達886MW[1]。我國在“太陽能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃”中提出以具備建立100 MW級太陽能熱發(fā)電站的設計能力和成套裝備供應能力為目標[2]。2015年9月國家能源局下發(fā) “關于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設的通知”，啟動了國家1 GW太陽能熱發(fā)電示范電站建設項目，同時“十三五”規(guī)劃的10 GW太陽能熱發(fā)電站建設項目將正式公布，各類項目如雨后春筍，首航節(jié)能、中廣核、蘭州大成等太陽能熱發(fā)電項目等紛紛建設。

太陽能熱發(fā)電采用的傳熱或儲熱介質有金屬合金、導熱油、熔融鹽等。熔融鹽蒸汽發(fā)生器是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要設備，它的安全運行至關重要。熔融鹽頻繁充放熱和凝固對引起的熱應力、熱震，會造成熔融鹽蒸汽發(fā)生器的泄漏等安全事故[3-7]。Reilly等[4,5]報道了美國熔融鹽塔式太陽能電站Solar Two的運行事故，其中就有釜式熔融鹽蒸汽發(fā)生器的換熱管因熱應力及熱疲勞而破裂，導致水/水蒸汽進入熔融鹽儲熱罐，發(fā)生危及電站安全運行的事故。

本文對熔融鹽蒸汽發(fā)生器的類型進了介紹,提出了一種熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器,并對其進行設計方法探索，希望能提高熔融鹽蒸汽發(fā)生器的運行可靠性,也能為熔融鹽蒸汽發(fā)生器等方面的設計標準提供參考。

北海某航標處在燈樁個性化設計建造方面，結合不同的海域、政府經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，設計建造不同風格的燈樁，成為一道道靚麗風景線。下面以潿洲斜陽島水域陸島運輸航標完善工程燈樁建設為例。

1 常用熔融鹽蒸汽發(fā)生器類型

熔融鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要有過熱器、熔融鹽蒸汽發(fā)生器、預熱器等。預熱器和過熱器一般采用U型管殼式換熱器。蒸汽發(fā)生器一般采用釜式蒸汽發(fā)生器，有U型管/直外殼、U型管/U型外殼等[5]，為改善結構熱應力、熔融鹽流動阻力等而新研發(fā)的結構形式有熱管式、斜橫管/斜外殼[8]、蛇管式、螺旋繞管式[7]等。其中蛇管式蒸汽發(fā)生器是由2個蒸發(fā)換熱器及1個單獨的蒸汽鍋筒組成，蒸汽鍋筒在蒸發(fā)換熱器之上，兩者之間通過上升管和下降管連接，水/蒸汽在殼體則，傳熱介質（熔融鹽、導熱油等）在蛇管換熱管內(nèi)，蛇管換熱管束兩端焊接到進出口圓形集箱。集箱穿過在殼體處的熱套筒，沒有管板，這樣能降低熱應力。蛇管式蒸汽發(fā)生器和U型管蒸汽發(fā)生器的主要區(qū)別就是U型管蒸汽發(fā)生器采用U型換熱管。國際著名CIEMAT-Plataforma Solar de Almería[8]測試了一種新型的斜橫管/斜外殼熔融鹽換熱器系統(tǒng)的性能，如圖1所示，但該文獻[8]中沒有進行熔融鹽在管外的傳熱機理研究。

圖1 一種新型熔融鹽換熱器[8]

由于太陽能熱發(fā)電的蒸汽發(fā)生器，面對高頻率啟停和負荷變化大的工況，一般建議根據(jù)要求嚴格的ASME中蒸汽鍋爐標準來設計。而蛇管式蒸汽發(fā)生器的抗熱力性能較好，建議優(yōu)先考慮。目前杜兆榮等[6]分析了熔融鹽冷卻器發(fā)生泄漏及產(chǎn)生爆管的主要原因是溫差熱應力和腐蝕介質減薄管壁的共同作用的結果。左遠志等[9]對高溫熔融鹽殼管式相變換熱器內(nèi)相變材料熔化過程進行研究。Weikl等[7]設計分析了一具有大大改善熱應力和阻力的螺旋繞管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器，具有增加了換熱面積，減少成本等優(yōu)點。對熔融鹽設備的熱應力研究，一般都集中在熔融鹽吸熱器，如王建楠等[10]對熔融鹽吸熱器過熱故障的影響因素進行了分析。James等[11]在MSEE試驗裝置的基礎上進行了吸熱器的吸熱管在熱沖擊條件下熱應力的實驗，但沒進行熔融鹽蒸汽發(fā)生器的熱應力分析。

2 熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器

為改善結構熱應力、熔融鹽流動阻力等，提出了熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器，其管程走水/水蒸汽，殼程走熔融鹽（不容易發(fā)生熔融鹽凍堵，同時減少阻力），如圖2所示。熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器由上下鍋筒及高溫熱管構成，通過太陽能熱發(fā)電中央塔聚光加熱熔融鹽，高溫熔融鹽從下鍋筒一側進從另一側出，流回熔融鹽儲熱罐或太陽能熱發(fā)電中央塔吸收器，通過熔融鹽與高溫熱管的換熱，熱量通過高溫熱管傳到上鍋筒的水中，把水加熱產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)汽水分離擋板后，高溫高壓的蒸汽從蒸汽出口出去，再經(jīng)過過熱器換熱產(chǎn)生過熱蒸汽。該熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器的熔融鹽流道比普通管殼式的熔融鹽蒸汽發(fā)生器的大，這樣不容易發(fā)生熔融鹽凍堵，同時減少阻力。該熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器相對于普通管殼式的熔融鹽蒸汽發(fā)生器沒有固定管板，可以減少熱應力的破壞，提高壽命。

圖2 熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器

2.1 換熱設計

熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器的傳熱計算，包括兩方面。一方面是熔融鹽的傳熱計算公式；另一方面是熱管的傳熱計算，確定熱管與熔融鹽的傳熱面積，也就是蒸發(fā)段的面積。

熔融鹽的傳熱計算需要知道熔融鹽熱物理參數(shù)和換熱關系式。Solar Salt、 Hitec和Hitec XL熔融鹽是常用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，它們的熱物理性能可以在北京工業(yè)大學、中山大學、中國科學院電工研究所等單位發(fā)表的熔融鹽制備及熱物理性能研究得文獻[12,13]等查找。但還有很多熔融鹽的熱物理參數(shù)比較難查找到，或不夠齊全，需要自己進行測試獲得。目前較多各種傳熱管管內(nèi)傳熱研究，而管外側的傳熱關系式較少，給設計熔融鹽蒸汽發(fā)生器造成困難，尤其是設計管程走水/水蒸汽，殼程走熔融鹽的熔融鹽蒸汽發(fā)生器。

熔融鹽的換熱關系式還沒有十分通用的，具有一定的限制或誤差比較大，需要專門做實驗得出相對比較準的換熱關系。馬重芳[14,15]和丁靜等[16,17]得出了熔融鹽在光滑管或其他強化傳熱管(橫紋管及螺旋槽等)的管內(nèi)傳熱關系式。何石泉等[18,19]得出垂直蒸汽發(fā)生器單管外熔融鹽的傳熱關系式。換熱器常用的熱力計算方法見表1，主要有平均溫差法LMTD法和法等。

表1 換熱器熱力計算常用方法[20,21]

在熱管熱力設計時，要注意選取合適的熱管經(jīng)濟長度比。對于無吸液芯的重力光管，需要考慮以下幾個熱阻：加熱段熱流體與管外徑的對流換熱熱阻，加熱段管壁的導熱熱阻，蒸發(fā)沸騰換熱熱阻，冷凝換熱熱阻，冷卻段管壁的導熱熱阻，冷凝段流體與管外徑的對流換熱熱阻。同時要考慮聲速極限，攜帶極限等熱管傳熱極限。

熱管材料可以選擇316L、310S等不銹鋼，實驗表明，316L、310S與熔融鹽和熱管傳熱介質都具有較好的相容性。

2.2 強度設計

強度計算有兩種方法，一種是按ASME中蒸汽鍋爐標準、GB/T16508-1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》、GB/T9222-1998《水管鍋爐受壓元件強度計算》、《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》等進行。按結構可拆分成部件分別計算，如殼體、端頭等的強度計算，不同部件的計算步驟和公式不盡相同，但一般的過程大致相同，以筒體的強度計算為例，具體過程如下：1.確定設計筒體內(nèi)徑，2.確定計算壓力，3. 計算壁溫，4. 確定基本許用應力，5．基本許用應力修正系數(shù)，6．確定許用應力，7. 確定不考慮相鄰兩孔影響的最小節(jié)距，8. 縱向焊縫減弱系數(shù)，9．確定最小減弱系數(shù)，10. 附加壁厚，11. 有效厚度，12．鍋簡簡體允許最小減弱系數(shù),13. 實際減弱系數(shù)，14.筒體理論計算厚度，15. 最小需要壁厚，16. 取用壁厚，17. 校核壁厚，18.加強孔的加強計算。

另一種方法是利用Ansys等軟件進行設計和效合。采用間接單向耦合法計算熔融鹽傳熱與熱應力耦合，計算分析流程如圖3、圖4所示。首先進行熔融鹽液-固流動分析，然后把流域計算結果加載到熔融鹽傳熱管束計算域，進行瞬態(tài)熱分析，最后將求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加在熔融鹽傳熱管束，進行靜態(tài)、瞬態(tài)熱應力分析。

圖4 瞬態(tài)熱分析及靜態(tài)、瞬態(tài)熱應力分析計算過程

3 結束語

目前我國還沒有大規(guī)模太陽能熔融鹽蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的商業(yè)應用，本文對熔融鹽蒸汽發(fā)生器類型進行了介紹，提出了熱管式熔融鹽蒸汽發(fā)生器并介紹了其設計方法，現(xiàn)對太陽能熔融鹽蒸汽發(fā)生器展望如下：

目前，競爭性民主選舉在我國基層民主中表現(xiàn)為大勢所趨?；鶎由鐣裰鞯暮诵?，村（居）委會直選主任和委員的工作已經(jīng)進行了20多年，現(xiàn)在主要應在提高選舉的質量上求突破；黨內(nèi)基層民主的重要標志——“兩票制”選舉村黨支部的工作亦在部分地區(qū)試點，取得了較好的社會效果，現(xiàn)在應該進一步總結提升，使之制度化并逐步推廣。當前需要努力推動的是，競爭性民主選舉制度隨著基層民主空間的拓展需要逐步占領新的陣地，不斷拓寬實踐空間。

（1）我國太陽能熔融鹽蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)需要注意系關系式較少。整理完備的熔融鹽的熱物理參數(shù)是方便熔融鹽相關熱設計的一項十分重要的工作。

（2）熔融鹽的熱應力以及熔融鹽管束外的傳熱與熱應力之間相互作用影響的耦合研究不深入。研究熔融鹽管束外的流動傳熱對熔融鹽管束的熱應力作用，對解決熔融鹽蒸汽發(fā)生器的熱應力造成的安全性問題具有非常重要意義。

（3）太陽能熔融鹽蒸汽發(fā)生器選型、系統(tǒng)設計、運行、維護的標準與規(guī)范還不健全，國家及行業(yè)應盡快出太陽能熔融鹽蒸汽發(fā)生器的設計、運行等相關標準，為大系統(tǒng)的設計、建設和運行積累經(jīng)驗。

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The Design Method of Heat Pipe Type Molten Salt Steam Generator

LI Shi-dong1, MO Guo-qiang1, SU Chu-ran2, SONG Ben-Nan1, MO Cai-song1, HUANG Bo-zhi1, XU Shao-xi1, CHEN Li-xi1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000，China； 2. School of Petroleum Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000,China）

The types of molten salt steam generator were described. The leakage of molten salt steam generator and other security incidents can be caused by the molten salt thermal stress and freeze, so a molten salt heat pipe steam generator was put forward, and its design method was discussed. The generator is composed of the top/down drums and heat tubes; water and steam flow in the tube side, molten salt flows in the shell side, which can improve the structure heat stress and molten salt flow resistance. At last, research direction of the molten salt steam generator was prospected.

molten salt; molten salt steam generator; solar energy; solar thermal power generation

TQ 052

A

1671-0460（2016）06-1181-04

2015年廣東石油化工學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級培育計劃項目,項目號:2015pyC033；廣東省自然科學基金博士啟動項目,項目號:2014A030310376；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目,項目號:631051；廣東石油化工學院人才引進項目,項目號:513090 ; 廣東省公益研究與能力建設專項,項目號:2015A030401102。

2016-04-21

李石棟（1983-），男，廣東廉江人，講師，博士，2011年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學，研究方向：太陽能熱利用及儲熱。E-mail：lishidong0759@126.com。