太陽能光熱發電系統蒸汽發生器的結構方案

崔艷艷

摘 要：如今太陽能光熱發電技術得到廣泛應用，針對槽式太陽能光熱發電系統進行分析，討論了蒸汽發生器的設計形式。以某50MW光熱發電項目為依托，比較了釜式蒸汽發生器與汽包式蒸汽發生器的結構方案，并從設計、結構、性能、造價等方面作比較分析，為槽式太陽能發電系統設計提供理論依據。

關鍵詞：光熱發電；釜式蒸汽發生器；汽包式蒸汽發生器

0 引言

槽式太陽能熱發電系統包括槽式拋物面集熱鏡場模塊、儲熱模塊、導熱介質（HTF）系統和汽輪機動力島模塊。其中HTF系統包括燃氣鍋爐、蒸汽發生系統和主油泵等。蒸汽發生系統包括太陽能預熱器，太陽能蒸汽發生器，太陽能過熱器以及太陽能再熱器。系統的作用是將導熱介質傳輸來的熱量與給水進行換熱，產生汽機所要求品質的過熱蒸汽。

1 蒸汽發生器

蒸汽發生器的功能是將來自預熱器的近乎達到臨界溫度的水轉化為飽和蒸汽。設計為形式有臥式釜式蒸汽發生器和分離汽包式蒸汽發生器。

1.1 釜式蒸汽發生器

釜式蒸汽發生器的結構圖如圖1所示。釜式蒸汽發生器是由變徑的殼體與管束組成，釜式蒸汽發生器的管束沉浸于管箱液體中，液體與管束進行熱交換后氣液混合物向上流動，進入蒸汽發生器的上部蒸發空間。結構的設計特點在于殼體上部設置一個蒸發空間，蒸發空間的大小由產氣量和所需要的蒸汽品質所決定。蒸汽發生器選用90°布管，這是由于蒸發器存在汽水分離空間，為了使蒸汽從下往上流通方便，需要更順暢的管束排列。

蒸發器由于存在汽水分離空間，所需要的殼體直徑很大，若整個換熱器做成統一直徑的筒體，那么管板厚度與直徑都增大，造成材料的浪費及工藝的復雜，所以從經濟與制造的角度考慮，采用管箱與殼體中間增加偏心錐段的方式設計蒸發器的外形結構。

為了更好地達到蒸汽品質要求，需在釜式蒸汽發生器出口設置汽水分離器進行二次分離，分離出來的干蒸汽進入過熱器，分離的水回到蒸發器內。

1.2 汽包式蒸汽發生器

汽包是蒸汽發生器最重要的設備，是加熱、汽化、過熱三過程的連接樞紐，汽包與蒸汽發生器之間由上升管和下降管連接，形成汽包自身的水循環。蒸汽發生器產生的汽水混合物由上升管進入汽包，通過汽包內的汽水分離器，蒸汽繼續向上流出，汽包冷水在重力作用下經下降管補充至蒸汽發生器中。

汽包的內部裝置主要包括汽水分離裝置、蒸汽清洗裝置、排污、加藥、事故放水等裝置。汽包式蒸汽發生器能保證下邊的換熱器中管子始終是沉浸在水中的，不會有露管的現象發生。工作過程中要嚴格控制汽包中的液位，通過給水量和蒸汽流量信號以及液位信號共同控制。

汽包式蒸汽發生器的循環回路是由換熱器、汽包、上升管和下降管4個主要部件構成的汽水循環回路。循環回路的結構設計主要包括上升管和下降管的數量和直徑，以及汽包的安裝高度等一系列幾何尺寸的選取和確定。

2 釜式與汽包式蒸汽發生系統的方案對比

以某50MW槽式光熱發電項目為依托，雙列布置設計蒸汽發生系統，其中蒸汽發生器的結構設計方案對比如下：

從表1的數據中分析：

（1）設計方面：釜式本體設計時考慮蒸發空間、斜錐殼，稍顯復雜，但汽水分離器設計簡單；外置汽包式本體設計常規化，但汽包內汽水分離裝置設計復雜。且系統管路設計比釜式復雜。總體來說，汽包式的設計要繁于釜式。

（2）結構方面：同等功率50MW，釜式蒸汽發生器殼體大φ2200，但汽水分離裝置小φ1100；而汽包式蒸汽發生器筒體小φ1600，外置汽包體積龐大φ1600。從高度上講，實際占用空間外置汽包式要相對大一些。

（3）性能方面：釜式蒸汽發生器本體具備一次汽水分離條件，二次簡單分離后即可達到蒸汽品質要求；外置汽包式所有的汽水分離都在汽包中進行，蒸汽品質亦可得到很好地控制。因此性能方面差距不大。

（4）工程造價方面：同等功率，釜式殼體材料需求多，加工復雜，然而簡單的汽水分離裝置會拉低整體的造價；外置汽包式雖然筒體小，節省用料，但獨立的汽包裝置體積相對較大，拉高了整體造價。因此此消彼長，二者的造價差距并不是太多。

3 結論

針對50MW光熱項目，從設計與結構角度分析，汽包式蒸汽發生器略顯復雜，從性能及造價對比分析，兩種方案差別不大。

總體來說，大功率光熱項目，釜式蒸汽發生器由于龐大的殼體不建議采用；小功率時，汽包外置式汽包結構設計復雜，浪費材料，不建議采用。不過最終蒸汽發生器的結構方案確定需結合系統、工藝等綜合考慮。

參考文獻

[1]朱娜.太陽能光熱電站發電子系統熱力設備設計計算[D].華中科技大學，2011.

[2]潮坤.微型太陽光熱蒸汽發電系統研究[D].電子科技大學，2015.

（作者單位：哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司）