塔式熔鹽光熱電站蒸汽發(fā)生器選型配置優(yōu)化研究

（青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司，山東 青島 266100）

一、引言

塔式太陽能熱發(fā)電是利用定日鏡將太陽光反射到位于塔頂?shù)奈鼰崞魃希瑢⒕鄯e的輻射能轉變?yōu)闊崮芡ㄟ^高溫熔鹽、蒸汽發(fā)生器進行熱交換，產(chǎn)生蒸汽來推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

二、設備結構

蒸發(fā)器從結構形似可以分為：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，在其頂部設置通氣閥時，可使疏鹽加快，采用浮頭式或固定管板+殼體膨脹節(jié)的結構形式。

采用臥布置，分為管內和管外蒸發(fā)兩種形式。若采用管外蒸發(fā)，則熔鹽和蒸汽進、出溫差大，導致管板在 U 形管的進口端和出口端溫差大，不利于管子與管板的焊縫質量。若采用管內蒸發(fā)則有效的解決管板的溫差問題，但是管內蒸發(fā)需考慮汽水側阻力，所以推薦管內蒸發(fā)的自然循環(huán)方式，這個結構是結合水平蒸發(fā)管式余熱鍋爐設計、制造經(jīng)驗，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，實現(xiàn)汽水在水平布置 U 形管內的自然循環(huán)。各個負荷的循環(huán)倍率 3～12，負荷下降時，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，電加熱器等主設備一臺，相應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50%負荷，包含省煤器、蒸發(fā)器、汽包、過熱器、再熱器等主設備各兩臺，外循環(huán)泵，電加熱器等主設備一臺，相應的閥門儀表管道配套件一套。

單列方案系統(tǒng)構成簡單；相反，雙列方案系統(tǒng)構成較為復雜。

（二）蒸汽發(fā)生系統(tǒng)運行性能比較

對于塔式光熱電站，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與聚光集熱系統(tǒng)解耦運行，不受限于聚光集熱系統(tǒng)，可根據(jù)電網(wǎng)要求進行計劃性運行，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

太陽能熔鹽換熱器與常規(guī)換熱器相對，具有啟動頻繁，工況負荷變化大且要求快速變負荷的特點。在結構設計上采取各種有效措施減小溫差應力，提高換熱器壽命，主要有：

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

（二）在換熱器設計上采用特殊結構防止溫差大的工質對管板的直接沖刷，降低管板兩側溫差，減小溫差應力。

（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)生的局部應力。

在設計中對換熱器管板和進入口管接頭進行溫度場和應力場分析，最終保證結構滿足應力和疲勞要求。

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 中關于疲勞容器的制作要求。

五、避免換熱器爆管的設計及應對爆管的安全策略說明

由于熔鹽換熱器工作負荷變化范圍大，并經(jīng)歷頻繁的啟停過程，再加上熔鹽工質具有高凝點特性，因此在熔鹽換熱器的設計及運行時應防止換熱器爆管的發(fā)生，并考慮爆管發(fā)生時系統(tǒng)的安全性及應對策略。。

在熔鹽換熱器設計時，從換熱流程、伴熱方案、散熱特性等方面做好相關的論證與準備工作：熔鹽換熱遵循高壓介質走管側的原則，采取熔鹽走殼側，水蒸汽走管側的流程布置，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，在熔鹽換熱器投運前，需要啟動電加熱器以及啟動循環(huán)泵為蒸發(fā)器、省煤器以及汽包內的水進行預熱。同時對各個換熱器殼體采用電伴熱加熱方法，提升殼側的溫度，使熔鹽換熱器在進鹽或變負荷條件下，減小系統(tǒng)的溫升降速率，使熔鹽換熱系統(tǒng)保持安全運行。

六、抗腐蝕

國外相關研究資料表明，347 不銹鋼在熔鹽中的腐蝕速度年腐蝕量約8.03um/year，因此在換熱器設計時，可以參考。

七、結論

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