太阳能光热发电蒸汽发生系统技术浅析

太阳能光热发电蒸汽发生系统技术浅析

李继超

（青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司山东青岛266000）

摘要：随着世界能源需求不断增长，太阳能清洁能源的发展成为热门话题。太阳能发电技术分为光伏发电和光热发电。光热发电即依靠各种聚光镜聚集太阳的辐射能，通过载热工质（导热油或熔盐等）将能量传送到蒸汽发生系统，使蒸汽发生系统产生的高温蒸汽来驱动汽轮机（或燃气轮机）作功转换为电能的一种高新技术。光热发电主要分为塔式、槽式、碟式和菲涅尔式。目前，槽式和塔式太阳能光热发电站已实现商业化示范运行模式。

关键词：太阳能；光热发电；蒸汽发生系统；技术

1蒸汽发生系统简介

蒸汽发生系统一般划分在传热/蓄热子系统中，作为换热设备，其作用是将高温流体的热量传递给来自除氧器的给水并将其加热成蒸汽。常采用管壳式换热器作为蒸汽发生器的类型。整个系统包括给水预热器、蒸发器、过热器和再热器。给水预热器将回热系统的给水进行加热，蒸发器将饱和水转换成饱和蒸汽，过热器将饱和蒸汽加热到汽轮机需要的温度，再热器将汽轮机高压缸排出的蒸汽进行再次加热。整个系统的高温介质全部为熔盐。

2太阳能光热发电系统

针对努奥三期150MW塔式太阳能光热发电系统（熔盐载热工质）。低温熔盐先通过泵从冷熔盐罐直接输送到吸热器，吸收太阳辐射能，转化成高温熔盐，再输送到热熔盐罐。最后，高温熔盐通过蒸汽发生系统加热给水，从而产生高温蒸汽。蒸汽发生系统主要包括预热器，蒸发器，过热器和再热器。从图1可看出，蒸汽发生系统中有两个蒸汽流进入汽轮机，其中包括主流蒸汽和再热蒸汽。

图1塔式太阳能光热发电熔盐换热系统

2.1主流蒸汽设备的工作流程

1）过热器：高温熔盐加热从蒸发器产生的蒸汽，蒸汽在进入到高压缸前在过热器内转变为过热蒸汽。2）蒸发器：从过热器出来的熔盐将水加热产生饱和蒸汽。通常熔盐走管侧，水走壳程，便于利用自然循环原理形成汽相空间。3）预热器：对给水进行预热，加热到接近饱和温度。各设备间的逐级加热有利于设备的安全稳定运行。

2.2再热蒸汽设备的工作流程

再热器：通过再热器将汽轮机高压缸排汽与高温熔盐换热后进入汽轮机中压缸或低压缸。根据主系统的布置型式，两条工作流程可同时投运，也可单独工作。下面对太阳能光热发电系统的典型工况做简要说明：1）启动工况：环境温度下，蒸发器设定初始水位，预热器满水状态，用电加热等方式加热蒸汽发生系统。将蒸汽发生系统加热到蒸发器熔盐侧温度高于熔盐融化温度，从而保证熔盐在系统中的流通。2）夜间运行工况：在夜间，冷熔盐搅拌泵启动运行，用电加热器补充保温损失，保证冷熔盐循环的持续运行，并保持蒸发器的水位。3）停机工况：为停掉蒸汽发生系统，热熔盐泵停止供给熔盐，然后热熔盐泵停机。关掉冷熔盐搅拌泵、给水泵，关掉给水阀门，从而达到停机状态，汽轮机解列。

3换热器结构设计特点

3.1预热器

预热器布置在热流体流动方向的末端。熔盐或热油在过热器与蒸发器中换热之后，温度降低，预热器正是利用此时的熔盐或导热油对给水进行加热，将给水加热至饱和状态。预热器主要有U型管壳式和发夹式等等。

3.1.1U型管壳式预热器

特点1）传统换热器型式，技术成熟，内部布置型式多样，包括纯逆流，纯顺流和混合流等等。2）U型管结构一端固定，另一端自由，可以消除温差应力，适合高温差、高应力的场合。

3.1.2发夹式预热器特点

1）设备具有良好稳定性及热膨胀性，尾部U型筒体能够很好的克服由于上下壳体温差不同导致的热膨胀差及热应力。2）换热管采用U形管，U形管本身具有很好的适应热膨胀的能力。3）每个管板受热均匀，无较大的温度梯度，降低了管板承受的温差应力。4）有效缓解设备热应力，提高设备承受疲劳载荷的能力。5）保证介质纯逆流传热，并避免交叉换热的发生，提高设备换热效率，降低阻力损失。当预热器流量较大时，可采用两台发夹式换热器串联布置型式。

过热器和再热器综合考虑设计压力、设计温度和工作介质特性，选型原则与预热器相同。例如哈密塔式熔盐光热发电项目过热器和再热器中熔盐进口温度550℃左右，出口温度450℃左右，熔盐侧进出口温差约100℃。过热器蒸汽入口温度310℃左右，出口温度530℃左右，蒸汽侧温差约220℃。设备温度高，温差大。利用发夹式换热器管束自由膨胀特性，并尽可能降低壳体的温差应力的优势，保证了设备的综合性能。

3.2蒸发器

高温熔盐或热油通过过热器、再热器换热后，温度降低，再经过蒸发器加热给水，使给水升温变为饱和蒸汽。釜式蒸发器与汽包式蒸发器都是比较成熟的技术，两者在满足系统功能性要求上无过大差异，釜式蒸发器在化工等行业应用广泛。

3.2.1釜式蒸发器特点

1）不需要单独设置用于汽液分离的汽包，结构简单，易于加工。2）频繁启停工况，釜式蒸发器结构简易，设备在热应力及热疲劳工况下能体现显著优势。3）启机时，釜式结构内部水容量要小于汽包式，暖管时间短，费用低。综合考虑，对于蒸发量不大的情况，可考虑采用自然循环的釜式蒸发器。

3.2.2汽包式蒸发器特点

1）设有独立的汽包，汽水分离效果显著。2）对于蒸发量较大的情况，优先考虑采用自然或强制循环的外置汽包式蒸发器。除选择换热器类型外，合理布置预热器、蒸发器、过热器及再热器的管道，控制系统的稳定运行至关重要。

4太阳能光热发电系统设计中应注意问题

4.1系统热效率问题

为保证发电站的经济性，提高光热发电系统的热效率，除了降低载热工质的流量，还要充分考虑提供的高温载热工质的温度值，有效利用换热设备流体相对流动的换热特性。在设计时，应利用理论分析及数值模拟方法计算来寻求一个保证发电站经济性的最优解。

4.2设备疲劳载荷问题

所有的换热器和辅助系统的设计应能够承受每天启动/停机一次、正常运行工况、瞬态运行工况、温度变化期间产生的所有力和力矩。同时，适当增加厚度以满足应力腐蚀的要求。例如，哈密塔式熔盐光热发电项目进入蒸发器熔盐温度高约450℃，出口温度约为315℃，而壳侧饱和汽水温度约为310℃。管板两侧最大温差达到约140℃，压差最大约9MPa，管板承受了较大的压力及温差应力。为了防止管板产生过热破坏及疲劳损伤，除了采用耐高温材料外，还应对管板结构及管子管板焊接方式进行合理考虑，并进行ANSYS应力分析，将管板受力控制在允许范围内。

4.3保温伴热问题

由于熔盐易凝结，如果在管路中凝结，将不易再次被熔化，所以对保温、伴热的要求相对较高，设计时要从系统配置及管线布置上进行整体考虑，以提高热效率。对于低温容易冻结的介质，必须有辅助加热器维持导热液温度，避免冻结。在某些潜在泄露区域，如仪表连接区域、法兰连接区域、人孔等位置，需采用保温材料保温。另外，换热系数是考核蒸汽发生系统性能的关键指标。在实际运行时，换热系数能够检验设备中熔盐与蒸汽的换热水平及设备的结垢情况，尤其是换热管的结垢情况。制定一套有效减薄换热管污垢层的方案，定期做去污垢处理，以此来保障蒸汽发生系统的换热效率。

结论

综上所述，太阳能光热发电蒸汽发生系统设备的结构具有多种型式。根据不同的设计参数，选择既合理又经济的换热器型式，解决系统及换热器设计中的关键问题，为太阳能光热发电产业提供强有力的技术支持。

参考文献：

［1］史美中，王中铮．热交换器原理与设计［M］．南京：东南大学出版社，2016．

［2］倪维斗，徐向东，李政，等．热动力系统建模与控制的若干问题［M］．北京：科学出版社，2016．