塔式熔鹽光熱電站蒸汽發(fā)生器選型配置優(yōu)化研究

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一、引言

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用定日鏡將太陽(yáng)光反射到位于塔頂?shù)奈鼰崞魃?，將聚積的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芡ㄟ^高溫熔鹽、蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生蒸汽來推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

二、設(shè)備結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)器從結(jié)構(gòu)形似可以分為：集箱式蒸發(fā)器和 U 形管殼式蒸發(fā)器。

集箱式蒸發(fā)器的換熱管通常為蛇形管。蛇形管面臨設(shè)備投資增大、廠用電增加、還影響到蒸發(fā)器工作的可靠性及維修困難等問題。

U 形管殼式蒸發(fā)器，有立式和臥式布置兩種方式。

采用立式布置，在其頂部設(shè)置通氣閥時(shí)，可使疏鹽加快，采用浮頭式或固定管板+殼體膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)形式。

采用臥布置，分為管內(nèi)和管外蒸發(fā)兩種形式。若采用管外蒸發(fā)，則熔鹽和蒸汽進(jìn)、出溫差大，導(dǎo)致管板在 U 形管的進(jìn)口端和出口端溫差大，不利于管子與管板的焊縫質(zhì)量。若采用管內(nèi)蒸發(fā)則有效的解決管板的溫差問題，但是管內(nèi)蒸發(fā)需考慮汽水側(cè)阻力，所以推薦管內(nèi)蒸發(fā)的自然循環(huán)方式，這個(gè)結(jié)構(gòu)是結(jié)合水平蒸發(fā)管式余熱鍋爐設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化汽包和蒸發(fā)器以及兩者間的上升管和下降管的布置方式，實(shí)現(xiàn)汽水在水平布置 U 形管內(nèi)的自然循環(huán)。各個(gè)負(fù)荷的循環(huán)倍率 3～12，負(fù)荷下降時(shí)，循環(huán)倍率逐漸增加。由此可見自然循環(huán)的蒸發(fā)方式是適合水平 U 形管的熔鹽、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

三、單雙列方案比較

（一）系統(tǒng)配置比較

1×100%方案：包含省煤器、蒸發(fā)器、汽包、過熱器、再熱器，外循環(huán)泵，電加熱器等主設(shè)備一臺(tái)，相應(yīng)的閥門儀表管道配套件一套。

2×50%方案：雙列布置，每列換熱器承擔(dān)50%負(fù)荷，包含省煤器、蒸發(fā)器、汽包、過熱器、再熱器等主設(shè)備各兩臺(tái)，外循環(huán)泵，電加熱器等主設(shè)備一臺(tái)，相應(yīng)的閥門儀表管道配套件一套。

單列方案系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單；相反，雙列方案系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜。

（二）蒸汽發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)行性能比較

對(duì)于塔式光熱電站，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與聚光集熱系統(tǒng)解耦運(yùn)行，不受限于聚光集熱系統(tǒng)，可根據(jù)電網(wǎng)要求進(jìn)行計(jì)劃性運(yùn)行，單列及雙列方案均能符合要求。

（三）綜合比較

四、換熱器使用壽命保證說明

太陽(yáng)能熔鹽換熱器與常規(guī)換熱器相對(duì)，具有啟動(dòng)頻繁，工況負(fù)荷變化大且要求快速變負(fù)荷的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取各種有效措施減小溫差應(yīng)力，提高換熱器壽命，主要有：

（一）在保證強(qiáng)度的前提下，盡量減小殼體、管板和接管的厚度，以減小壁厚方向溫差，從而減小溫差應(yīng)力。

（二）在換熱器設(shè)計(jì)上采用特殊結(jié)構(gòu)防止溫差大的工質(zhì)對(duì)管板的直接沖刷，降低管板兩側(cè)溫差，減小溫差應(yīng)力。

（三）管板與殼體連接焊縫圓滑過渡，減小管板熱變形在根部產(chǎn)生的局部應(yīng)力。

在設(shè)計(jì)中對(duì)換熱器管板和進(jìn)入口管接頭進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，最終保證結(jié)構(gòu)滿足應(yīng)力和疲勞要求。

換熱器制造上除滿足常規(guī)換熱器和壓力容器制造要求外，還需滿足JB4732 中關(guān)于疲勞容器的制作要求。

五、避免換熱器爆管的設(shè)計(jì)及應(yīng)對(duì)爆管的安全策略說明

由于熔鹽換熱器工作負(fù)荷變化范圍大，并經(jīng)歷頻繁的啟停過程，再加上熔鹽工質(zhì)具有高凝點(diǎn)特性，因此在熔鹽換熱器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)應(yīng)防止換熱器爆管的發(fā)生，并考慮爆管發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的安全性及應(yīng)對(duì)策略。。

在熔鹽換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，從換熱流程、伴熱方案、散熱特性等方面做好相關(guān)的論證與準(zhǔn)備工作：熔鹽換熱遵循高壓介質(zhì)走管側(cè)的原則，采取熔鹽走殼側(cè)，水蒸汽走管側(cè)的流程布置，這樣可以有效減小換熱面積以及殼體材料的制造成本。安全閥排放需考慮水閃蒸情況。同時(shí)為了減小熔鹽換熱器所需承受的熱沖擊，在熔鹽換熱器投運(yùn)前，需要啟動(dòng)電加熱器以及啟動(dòng)循環(huán)泵為蒸發(fā)器、省煤器以及汽包內(nèi)的水進(jìn)行預(yù)熱。同時(shí)對(duì)各個(gè)換熱器殼體采用電伴熱加熱方法，提升殼側(cè)的溫度，使熔鹽換熱器在進(jìn)鹽或變負(fù)荷條件下，減小系統(tǒng)的溫升降速率，使熔鹽換熱系統(tǒng)保持安全運(yùn)行。

六、抗腐蝕

國(guó)外相關(guān)研究資料表明，347 不銹鋼在熔鹽中的腐蝕速度年腐蝕量約8.03um/year，因此在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考。

七、結(jié)論

熔鹽-蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是熔鹽吸熱系統(tǒng)與蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)連接的橋梁，該系統(tǒng)的可靠性影響到整個(gè)電廠的正常運(yùn)行。在蒸汽發(fā)生器材料選擇，運(yùn)行方式及配置等方面應(yīng)充分考慮熔鹽防凝及腐蝕等特性，保證系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。