塔式與槽式光熱電站蒸汽發生系統可靠性研究

張榮發

(上海電氣電站工程公司，上海 201199)

0 前 言

隨著我國對新能源項目的支持與推進，太陽能熱發電(Concentrating solar power plant, 簡稱CSP)項目越來越走近大家的視野，目前商業運行比較成熟，機組容量較大的為采用塔式和槽式技術的光熱機組，目前世界上塔式單臺機組最大的容量可以做到150 MW，而槽式機組則可以做到200 MW。發電機組能否可靠運行是一個項目是否成功的重要指標，也是直接關系到了機組的發電量和經濟效益，因此非常有必要對機組的可靠性進行研究。在塔式和槽式光熱機組中，蒸汽發生系統是機組的關鍵系統之一，也是出現故障較多的系統。因此本文追根溯源，從光熱發電機組整體設計、蒸汽發生系統設計、系統運行以及換熱器本體優化等角度進行研究，尋求可以提高蒸汽發生系統的運行可靠性，進而提高光熱電站運行的可靠性的辦法。

1 典型的塔式與槽式帶儲熱光熱機組工作原理

如圖1所示，塔式機組主要由鏡場、吸熱塔、熱熔鹽罐、熱熔鹽罐、蒸汽發生系統、汽輪機、發電機以及空冷島等關鍵部件組成，并由這些部件形成機組發電最主要的熔鹽循環和汽水循環。熔鹽循環為冷熔鹽從冷熔鹽罐通過冷泵送到吸熱塔上的吸熱器吸收由鏡場集中反射的太陽能后變成熱熔鹽，然后送到熱熔鹽罐，之后熱熔鹽從熱熔鹽罐通過熱泵送到蒸汽發生系統進行放熱變成冷熔鹽回到冷熔鹽罐。汽水循環為給水通過給水泵送到蒸汽發生系統吸收熱熔鹽的熱能變成蒸汽后送到汽輪機進行做功并帶動發電機發電，蒸汽在做功后變成乏汽經過空冷島冷卻后冷凝回水。塔式機組通過熔鹽和汽水這兩個主要的循環完成從太陽能到電能的轉化。

圖1 塔式機組工作原理示意圖

如圖2 所示，槽式機組主要由鏡場(包含了吸熱器)、熱熔鹽罐、熱熔鹽罐、油鹽換熱器、蒸汽發生系統、汽輪機、發電機以及空冷島等關鍵部件組成，與塔式機組相比汽水循環基本相同，但是主要循環由熔鹽循環變成了導熱油循環，吸熱器被包含在了鏡場中，熔鹽系統變成熔鹽在冷熔鹽罐、油鹽換熱器以及熱熔鹽罐之前來回切換。導熱油循環的一種模式(充熱模式)為冷導熱油通過導熱油泵送到鏡場的吸熱器吸收太陽能變成熱導熱油，熱導熱油將分成兩路，一路直接送到蒸汽發生系統加熱給水變成蒸汽，推動汽輪機發電機發電，另一路則是送到油鹽換熱器加熱熔鹽進行儲能，兩路熱導熱油經過放熱冷卻后變成冷導熱油又回到鏡場進行加熱。到了夜間，導熱油循環的另一種模式(放熱模式)為冷導熱油通過導熱油泵送到油鹽換熱器吸收熱熔鹽中白天存儲的熱能變成熱導熱油，之后熱導熱油被送到蒸汽發生系統進行熱能交換變回冷導熱油。熱熔鹽則變成冷熔鹽回到冷熔鹽罐中。槽式機組通過導熱油循環、汽水循環以及熔鹽系統完成了從太陽能到電能的轉化。

圖2 槽式機組工作原理示意圖

2 典型的塔式與槽式機組蒸汽發生系統

從塔式和槽式機組的工作原理，我們可以看出無論是塔式還是槽式機組，蒸汽發生系統都是兩個主要循環的紐帶，在不同的導熱介質之間起著熱能交換的作用。其功能類似于傳統火電機組中的鍋爐，在不同機組中功能相同，但又各有不同。塔式機組的熔鹽循環導熱介質是采用重量比例分別為60%的硝酸鈉(NaNO3)和40%的硝酸鉀(KNO3)進行混合而成的熔鹽(Molten salt, 簡稱MS)，使用溫度可以達到560℃，同樣冷凝結晶的溫度也較高為238℃。而槽式機組的導熱油循環采用的是導熱油(Heat transfer fluid oil，簡稱HTF)，目前市場上使用較多的品牌為Therminol VP-1或者DowthermTMA，使用溫度范圍為15-393 ℃。也正是導熱介質的不同帶來塔式與槽式機組蒸汽發生系統的諸多不同。

2.1 蒸汽發生系統的組成與工藝流程

從熱能傳遞的角度，蒸汽發生系統主要由一系列的換熱器和管道組成。目前較為成熟的一次再熱的機組主要由省煤器、蒸發器、汽包、過熱器以及再熱器組成。不同的機組，設備和工藝流程也稍有不同。

如圖3所示，塔式機組中，熱熔鹽由熔鹽泵從熱熔鹽罐泵出后同時進入過熱器與再熱器，之后匯合進入到蒸發器，最后再到預熱器，從預熱器放熱完成后回到冷熔鹽罐。冷導熱介質給水的流動方向正好與熔鹽相反，給水從預熱器開始進入系統，之后進入汽包，在汽包和蒸發器之間循環蒸發，產生的蒸汽再進入過熱器加熱成過熱蒸汽，即為主蒸汽，主蒸汽通到汽機高壓缸進行做功后變成冷再蒸汽又回到蒸汽發生系統的再熱器進行加熱，再次加熱的熱再蒸汽將通到汽機低壓缸做功。為了防止熔鹽的冷凝，系統中還需增設啟動加熱器和省煤器循環泵來預熱進入省煤器的給水，使其溫度高于熔鹽的冷凝溫度。得益于熔鹽可達到的高溫560 ℃，主汽和再熱的溫度可以達到555 ℃的高參數，而且由于主蒸汽壓力溫度參數已處于亞臨界參數，所以通常塔式機組都增設強制循環泵，使給水在蒸發器換熱管內之間實現強制循環。

圖3 塔式機組蒸汽發生系統的組成與工藝流程

如圖4所示槽式機組相較于塔式機組不同之處在于，熱導熱介質導熱油同時進入過熱器與再熱器，進入過熱器的一路導熱油進入蒸發器，再到預熱器，從預熱器放熱完成后回到系統管路中；進入再熱器的一路導熱油則在再熱器中加熱冷再蒸汽后直接進入到系統中并在系統中預熱器出口的導熱油進行混合。相較于塔式機組，由于導熱油的使用溫度限制，導熱油進入蒸汽發生系統的溫度為391 ℃，機組主汽的溫度可以達到385 ℃，在此壓力溫度條件下，汽包和蒸發器之間的汽水循環比較容易建立，故槽式機組多使用自然循環。

圖4 槽式機組蒸汽發生系統的組成與工藝流程

2.2 蒸汽發生系統的換熱器

從蒸汽發生系統的組成可以看出換熱器是蒸汽發生系統的核心設備，塔式機組的換熱器是熔鹽和水進行熱能換熱，槽式機組是導熱油和水進行熱能換熱。如表1，典型的蒸汽發生系統換熱器多采用管板U形管的管殼式換熱器，針對進出口溫度差較大的設備采用發卡式換熱器，例如塔式機組中過熱器與再熱器，槽式機組中的再熱器。

表1 典型的蒸汽發生系統換熱器型式

從蒸汽發生系統工藝流程上，塔式機組使用的是熔鹽，由于有凝固的風險，熔鹽都被設置在換熱器的殼側，而且由于采用強制循環，針對蒸發器，給水通常也需要設置在管側。槽式機組則不同，由于是自然循環，導熱油設置在蒸發器管側，給水在殼側蒸發，而其他換熱器則正好相反。

從換熱器的選材上，塔式機組由于熔鹽的溫度已達到560 ℃的高溫，且高溫熔鹽具有腐蝕性，因此可選擇的材料較少，目前通常過熱器、再熱器以及蒸發器都需要采用347H不銹鋼材料。而省煤器中的熔鹽由于經過蒸發器的冷卻，溫度已經降低，與槽式機組的換熱器選材類似，多采用管殼式換熱器較為常規的碳鋼或者低合金鋼材料，例如筒身、封頭多采用SA516 gr. 70 、SA/GB 713-Q345R或者 SA-533 Gr.B Cl.2, 管板采用SA350 F2 CL2或者SA-508 Gr.3鍛件，換熱管則可采用SA556 Gr C2或者SA-210-A1 等。

2.3 光熱機組蒸汽發生系統的運行不穩定性

無論是塔式還是槽式光熱機組，運行時都會受到天氣的影響，無法做到與傳統火電機組一樣的穩定。如白天未能存儲足夠的熱量，則每天機組都可能需要關停與重新啟動；由于鏡場的占地面積較大，局部地方也會受到云朵與風沙的影響，從而影響吸熱器吸收太陽能，也會對機組的負荷造成影響。針對蒸汽發生系統，塔式機組的熱源是來自熱熔鹽罐，并非直接來自鏡場，有了這層緩沖，機組在運行時相較于槽式機組會穩定一些，白天和夜間機組運行可達到的最大負荷也是一致的。而槽式機組在白天直接采用鏡場能量發電時就會直接受到受天氣的影響，而且由于在夜間需要通過熱能需要通過熔鹽傳遞給導熱油，會存在一定溫度損失，夜間機組能達到的最大負荷會低于白天的最大負荷。

3 提高塔式與槽式光熱機組提高蒸汽發生系統可靠性

通過對塔式與槽式光熱機組工作原理以及蒸汽發生系統的了解，可以在機組系統設計、系統運行以及換熱器本體的優化設計角度出發，研究提高可靠性的一些可行性。

3.1 系統設計優化

針對塔式機組，熔鹽循環比較簡單，但是汽水循環比較復雜，既要增加強制循環泵保證汽水在蒸發器中的強制循環，又需要防止熔鹽凝結，增加省煤器循環泵、啟動加熱器等的設備。設備越多，出現故障的概率就越高。如圖5所示，為了簡化系統，可以采取以下的改變：1)從系統設計角度，提高各級高壓加熱器的出力，使進入到蒸汽發生系統的給水也就是省煤器進口的給水溫度從230 ℃增加到250 ℃；2)在壓力條件允許下，更改強制循環為自然循環或其他形式，這樣系統也可大大簡化，提升可靠性。

圖5 優化后塔式蒸汽發生系統的組成與工藝流程

針對槽式機組，能量從太陽能傳到導熱油，然后傳遞到熔鹽，之后又傳遞到導熱油，最后才傳遞給給水，此過程過于復雜，每一次的傳遞意味著能量的損失、設備的增加和系統的不穩定。如圖6所示，一種比較大膽的想法為更換鏡場中的導熱介質導熱油為熔鹽，同時與塔式機組一樣，先用熱熔鹽罐存儲熱熔鹽作為緩沖，之后再從熱熔鹽罐中泵出熱熔鹽到蒸汽發生系統進行蒸發放熱，提高可靠性的同時有望提高鏡場出口的熱導熱介質溫度，提高機組的效率。

圖6 優化后槽式機組工作原理

3.2 蒸汽發生系統運行注意事項

針對典型的塔式與槽式光熱機組，由于可能每天都需要啟停，為了防止換熱器的泄漏，就需要蒸汽發生系統所有的換熱器都運行在設備本身可接受的范圍，熱沖擊不超過250 ℃、溫升速率不超過10 ℃/min以及介質流量不超過額定值等。這不僅需要在系統設計時對每個換熱器的進口設置足夠的壓力與溫度測點，設定好合理的跳機值，也需要操作人員在運行做出正確的判斷進行操作，以保護設備安全可靠運行。

塔式機組由于熔鹽本身凝結溫度高的特性，因此運行時需對蒸汽發生系統進行預熱。對整個熔鹽系統采用電伴熱進行預熱，溫度不低于260 ℃，同時電伴熱預熱的速度不能太高，通常不超過12 ℃/hr，否則會對換熱器設備造成損壞。給水系統采用輔助鍋爐或電加熱器來進行預熱保證進入預熱器的給水溫度不低于250 ℃。另外由于現有的塔式機組的蒸發器換熱器管采用的是TP347H的不銹鋼管，需特別注意給水水質的要求。這是由于不銹鋼的換熱管對cl離子較為敏感，而蒸發器和汽包之間給水由于蒸汽的蒸發，氯離子會逐漸的濃縮，如果氯離子達到一定的濃度(>1 μg/L，目前還沒有確切的數值研究)就很容易發生換熱管的應力腐蝕，造成換熱管破壞。因此首先需注意補水的水質，氯離子不應超過3 μg/L，同時需及時的排污，以減少氯離子的富集，避免造成不可挽回的情況。

槽式機組的換熱器由于一側是導熱油，一側是給水，在運行時需注意給水側需提前于導熱油側運行。水側注水至汽包最低水位后就可以開始注入導熱油，之后給水隨著導熱油逐步提高溫度而提高溫度直至達到到額定的運行負荷工況。

3.3 蒸汽發生器系統換熱器本體的優化設計

通過對換熱器本體進行優化設計是提升蒸汽發生器系統可靠性最直接的方式。傳統的管板式換熱器由于換熱管與管板角接的連接形式造成在進出口導熱介質溫差較大、長期變負荷的情況下就容易出現連接方式的失效，從而導致泄漏。而光熱機組每日啟停、不穩定運行的特性就對換熱器提出更高的要求，因此蛇形管集箱式的換熱器可能更適合于運用到光熱項目。蛇形管集箱式換熱器集箱與蛇形管之間采用對接的連接形式，而且對接后可以進行100%無損檢測，可進一步提高焊接的可靠性。較好的管板式換熱器溫升溫降速率可以做到10 ℃/min，而蛇形管換熱器可以做到15 ℃/min甚至25 ℃/min。

另外由于蒸汽發生系統采購成本占總成本的比例并不高，在條件允許的情況下，適當的提高換熱管的壁厚裕量可以在一定的程度上抵抗泄漏的風險，特別是蛇形管換熱器這種采用對接型式的換熱器。

4 總 結

通過了解塔式與槽式光熱機組的工作原理，對比不同機組蒸汽發生系統的組成、工藝流程、系統運行以及核心設備換熱器的異同，為了保證蒸汽發生系統的穩定運行提高可靠性可以從以下幾方面入手：

1)系統設計優化，通過運行參數調整，更改導熱介質等方式以減少設備簡化系統、提高系統的穩定性。

2) 運行優化，機組運行時嚴格遵守不同傳熱介質、不同類型換熱器在運行時需注意的熱沖擊限值、溫升速率限值以及最大流量限值，嚴格控制系統運行的水質要求。

3)換熱器本體設計優化，在成本可控的條件下選擇蛇形管式的換熱器，同時適度考慮增加換熱管的壁厚裕量來增加設備的可靠性。