太陽能槽式熱發電蓄熱系統中油鹽換熱器的設計

陳娟（湖南漢華京電清潔能源科技有限公司 湖南長沙 410114）

太陽能是地球上分布最廣泛、使用最清潔，同時也是取之不竭的可再生能源，因此，太陽能利用是建設“資源節約型和環境友好型”社會，發展低碳經濟，保證國民經濟持續、快速、健康發展的重要舉措。

目前，國際上應用太陽能發電主要有兩種形式：一是利用光伏電池直接將太陽光能轉化成電能的光電形式（亦即光伏發電）；二是將太陽光能量轉換成熱能然后發電的光熱電形式(亦即熱發電)。太陽能熱發電是通過太陽能使介質產生高溫，然后利用常規的汽輪機帶動發電機發電，可分為槽式線聚焦系統、碟式點聚焦系統、菲涅爾線聚焦系統和塔式固定目標聚焦系統等，各有優缺點。目前槽式太陽能熱發電系統的技術相對最成熟，整體投資最少，經濟效益最好，因而在三種聚光式發電中首先實現了商業化并在世界各地得到廣泛應用。。

為克服太陽能熱發電中由于天氣變化造成的間歇性。實現全天候連續供電，最大程度發揮太陽能熱發電系統的發電能力、降低發電成本，聚光類太陽能熱發電裝置中一般都會配備儲熱系統或輔助熱源系統。其中儲熱系統把白天太陽輻射強時多余的熱量儲存起來，等晚上需要時再釋放出來發電，從而提高太陽能及其設備的總體利用率。

槽式太陽能熱發電系統一般采用導熱油作為吸熱介質，熔融硝酸鹽作為蓄熱介質，這就要求系統中有一個導熱油與熔融硝酸鹽之間的換熱裝置，這就是油鹽換熱器。

一、油鹽換熱器的特點

1.介質

管程介質：導熱油是一種(低共熔)共晶混合物，包括約73.5% 的聯苯醚和26.5%的聯苯，沸點254.25OC。在393OC時，密度約為700 k g/m3，比熱約2.6 k J/k g·K,在12OC凝結，易燃且有毒，在工作溫度接觸到空氣時可燃燒，溫度超過100℃時，可以觀察到氧化分解，屬第一組介質。

殼程介質：儲熱介質為熔鹽（60%Na NO3，40%K NO3）混合物，具有吸濕特性。無機硝酸鹽混合物作為熱儲能系統的存儲介質，有良好的傳熱和流體流動性能，同時有低成本、安全性、對環境無害等優點。

從介質來看，管程介質—導熱油為易燃有毒介質，管程設計壓力為2.8 M Pa，如果PV≥50 M Pa·m3，則該換熱器屬于I I I類壓力容器，設計、制造、驗收的要求都相對要高。殼程介質—熔融硝酸鹽在常溫下為固體，熔鹽的凝凍點是223℃-238℃。在任何情況下，都要避免熔鹽凝結，凝結可能會嚴重損壞設備。為了避免熔鹽凝結，熔融鹽的溫度不低于260℃。

2.具有蓄熱和放熱的雙重作用特性

槽式太陽能熱發電系統中的油鹽換熱器就是用來進行蓄熱，即是在太陽能足夠時通過蓄熱系統將熱量貯存起來，當太陽能不夠時再將存貯的熱量釋放出來，以保證太陽能熱發電系統的連續輸出。蓄熱時393℃的熱導熱油進入蓄熱換熱系統將280℃的冷鹽加熱至380℃后送入熔鹽罐存貯起來；放熱時將熱熔鹽罐中380℃的熱熔鹽送入該換熱系統中將270℃的冷導熱油加熱至370℃后再進入油水換熱器產生水蒸汽送入汽輪機進行發電。這就是油鹽換熱器系統所具有的蓄熱和放熱的雙重作用的特性。

在這個系統中，雖然同樣是導熱油在管程內流過，熔鹽在殼程內流過。但在蓄熱和放熱的兩個不同的過程中，冷介質和熱介質均是來自不同的設備，換熱后也去到不同的設備：蓄熱時熱介質(導熱油)來自集熱器，換熱后被送到低位冷油槽，冷介質(冷鹽)來自冷鹽罐，被加熱后被送到熱鹽罐；放熱時冷介質(導熱油)來自低位冷油槽，換熱后被送到油水換熱器與水進行換熱產生水蒸汽，冷介質(熱熔鹽)來自熱鹽罐，與導熱油換熱后被送到冷鹽罐。因此，為了達到上述的蓄熱和放熱的雙重系統，需要很復雜的管路系統才能達到這樣的運行效果和目的。

二、油鹽換熱器的設計

1.結構型式的確定

蓄熱時導熱油進口溫度：393℃，出口溫度：290℃。熔融鹽進口溫度：280℃，出口溫度：380℃。為了保證自始至終均有傳熱溫壓，換熱器采用了BFU的型式，采用6臺換熱器串聯的形式，傳熱溫壓如圖1所示：

圖1

2.材料的選用

導熱油易燃且有毒，無腐蝕性，但硝酸鹽具有一定的腐蝕性。基于此，凡與熔融鹽接觸的部分(含換熱管及殼程筒體)采用S30403的材料，其余不與熔鹽接觸的(含管程及管箱)均采用Q 245R的壓力容器專用材料。

3.結構設計

（1）結構型式：由于采用6臺換熱器串聯，為了保證傳熱溫壓，換熱器采用了如圖2所示的BFU的型式：

圖2

（2）縱隔板的密封形式：

對于雙殼程換熱器，縱向隔板與殼體內壁之間必須進行密封，否則會發生程間短路現象。油鹽換熱器應考慮抽出管束進行清洗，故其縱隔板采用了彈簧密封板的形式，如圖3所示：

圖3

（3）折流板的結構形式：

為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體盡量垂直沖刷管束，從而改善傳熱，增大管程流體的傳熱系數，油鹽換熱器的殼程設計了圓盤—圓環形的折流板。由于采用的是雙殼程換熱器，實際上折流板為半圓盤—半圓環形，如圖4所示：

圖4

（4）殼程進出口的設計：

根據G B151-1999第5.11.2.1條，當殼程進口管流體的ρ ν2值為下列數值時，應在殼程進口管處設置防沖板或導流筒：

a)非腐蝕性、非磨蝕性的單相流體，ρ ν2＞2230 k g/(m·s2)者；

b)其他液體，包括沸點下的液體，ρ ν2＞740 k g/(m·s2)者。

要滿足上述條件，介質確定以后ρ ν2僅決定于流體的流速。因此只要降低流體的流速即可達到上述不設置防沖板或導流筒的條件，即可簡化換熱器的結構，降低產品制造成本。降低進口管流體的流速，只有增大進口管的管徑，在與管道連接時采用變徑接管即可，既可滿足進口管流速低的要求，也可達到流體輸送管道不至于太大而造成管道材料的浪費，如圖5所示：

圖5

三、油鹽換熱器的相關計算

1.油鹽換熱器的換熱計算

油鹽換熱器的換熱計算采用的是HTRI計算軟件，由于該軟件中沒有熔融硝酸鹽這種介質，故采用了自定義介質進行計算。計算過程的換熱器串聯結構圖如圖6所示：

圖6

2.油鹽換熱器的強度計算

油鹽換熱器的強度計算按G B151-1999《管殼式換熱器》及G B150.1～150.4-2011《壓力容器》進行計算。

在本系統中油鹽換熱器的特殊性是要根據太陽光日夜交替的周期性運行的。即是白天太陽光照射時油鹽換熱器在蓄熱工況工作，到晚上無太陽光照射時，油鹽換熱器切換工作狀態，進入放熱工況，直至蓄熱器內的介質存貯熱能全部釋放后油鹽換熱器內介質排空而停止工作。油鹽換熱器處于一個壓力、溫度日夜交替的工作過程，對油鹽換熱器進行疲勞強度校核是必要的。

結束語

以上對太陽能槽式熱發電系統蓄熱系統中的油鹽換熱器的設計進行了初步說明，總結為油鹽換熱器的設計需從結構選型、換熱計算及強度計算進行必要的考慮，與普通換熱器的不同之處在于：介質的特殊性、換熱工質溫度差的特殊性、工作過程的特殊性等。