熔鹽塔式太陽能熱發電站中蒸汽發生系統水循環方式的對比分析

牛亞兵，任亞軍，王彥普，張思遠

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

太陽能熱發電系統是將太陽能轉化為熱能，通過熱功轉換過程來實現發電的系統。中國的太陽能熱發電歷經“十二五”和“十三五”10年的發展，從近乎零基礎發展到已初步形成具有自主知識產權的產業鏈，但發展依然任重道遠[1]。2022年1月30日，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合印發了《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》(發改能源[2022]206號)(下文簡稱為“《意見》”)，指出要完善靈活性電源建設和運行機制，發揮太陽能熱發電的調節作用，完善支持太陽能熱發電和儲能等調節性電源運行的價格補償機制。該《意見》的發布將助力“十四五”期間太陽能熱發電產業的大力發展。目前，在國內水、風、光、熱互補開發的大趨勢下，儲能型太陽能熱發電市場正迎來新一波的發展熱潮。截至2022年7月，在青海省、甘肅省、新疆維吾爾自治區及吉林省等地區，已有超過2 GW的儲熱型太陽能熱發電項目進入開發階段，這是中國太陽能熱發電發展史上的一個重要節點。

蒸汽發生系統是利用熔鹽作為儲熱介質的太陽能熱發電站的核心系統之一。儲存在熔鹽系統中的熱量，在蒸汽發生系統中通過換熱將熱量傳遞給水/蒸汽，吸收熱量后的高溫蒸汽再進入汽輪機做功，帶動發電機發電[2]。蒸汽發生系統中的水循環方式主要包括自然循環方式及強制循環方式，系統出口參數均達到高溫、超高壓參數。

目前國外已建及在建的熔鹽塔式太陽能熱發電項目中，蒸汽發生系統的水循環方式多采用強制循環方式，且系統運行情況良好。國內已建成投運的5個熔鹽塔式及1個熔鹽線性菲涅爾式太陽能熱發電示范項目中，有3個項目的蒸汽發生系統水循環方式采用自然循環方式，且系統運行情況良好；另外3個項目采用強制循環方式，其中某些項目由于強制循環泵的結構選型不合適等原因，導致系統運行存在少量問題。目前國內在建及正在設計的熔鹽塔式太陽能熱發電項目中，蒸汽發生系統的水循環方式均采用自然循環方式。

本文在對熔鹽塔式太陽能熱發電站蒸汽發生系統進行介紹的基礎上，對蒸汽發生系統的兩種水循環方式進行技術性和經濟性對比分析，并結合目前國內熔鹽塔式太陽能熱發電技術的發展趨勢及已建成投運項目的運行情況提出推薦方案，以期為未來以熔鹽作為儲熱介質的塔式太陽能熱發電站蒸汽發生系統的設計選型提供參考。

1 熔鹽塔式太陽能熱發電站的蒸汽發生系統

以熔鹽作為儲熱介質的太陽能熱發電站蒸汽發生系統，是實現熔鹽與水/蒸汽之間熱交換，產生高溫、高壓蒸汽的重要設備，其主要設備包括給水預熱器、蒸發器(含汽包)、過熱器、再熱器，以及各設備之間的汽水管路、熔鹽管路等。

在蒸汽發生系統中，高溫熔鹽儲罐內的高溫熔鹽由高溫熔鹽泵分別送入過熱器與再熱器進行換熱，換熱后的高溫熔鹽再進入到蒸發器中加熱接近飽和溫度的給水，最后進入給水預熱器加熱給水，從給水預熱器放熱完成后再進入低溫熔鹽儲罐內，進行下一次集熱循環。

給水系統內給水的流動方向正好與熔鹽的流向相反，給水從給水預熱器開始進入蒸汽發生系統，其在給水預熱器中加熱至接近飽和溫度后進入汽包；然后在汽包和蒸發器之間循環蒸發產生飽和蒸汽，再進入過熱器加熱成過熱蒸汽；然后通過主蒸汽管路進入汽輪機高壓缸做功；做功后變為低溫再熱蒸汽再返回到蒸汽發生系統的再熱器中進行加熱，加熱后變為高溫再熱蒸汽進入到汽輪機低壓缸繼續做功；做功后的乏汽在凝汽設備中降溫后進入給水系統，進行下一次汽水循環。

蒸汽發生系統按照蒸發器與汽包間的水循環方式分為自然循環方式和強制循環方式兩種。

1.1 自然循環方式

自然循環是依靠工質(汽、水)的密度差克服設備與管道的阻力而推動水循環的運行方式。汽水循環回路由汽包、下降管、蒸發器、上升管等構成，給水由汽包下行進入蒸發器，然后在蒸發器內通過鹽、水換熱被加熱成汽水混合物，再通過蒸發器至汽包的連接管道接入汽包進行汽水分離，得到的飽和蒸汽被送往過熱器進行加熱，飽和水仍返回蒸發器繼續循環蒸發。在適當循環倍率條件下，自然循環方式具有良好的自補償能力，汽水循環回路的吸熱量增大時，循環水流量也隨之增加。

自然循環方式具有蒸汽發生系統阻力小、給水壓力低的特點，可降低給水泵的運行電耗。采用自然循環方式時，汽包與蒸發器之間的布置高差需克服汽水循環回路的循環阻力。

自然循環方式的工藝流程如圖1所示。

圖1 自然循環方式的工藝流程Fig. 1 Process flow of natural circulation mode

1.2 強制循環方式

強制循環是借助爐水強制循環泵的壓力使工質流動的方式，由汽包、下降管、強制循環泵、蒸發器、上升管等構成強制循環回路。因為設置了強制循環泵，其循環推力比自然循環方式大，可不考慮汽包與蒸發器之間的布置高差影響。強制循環方式在蒸汽發生系統啟停階段，利用水的強制流動使各承壓部件之間得到均勻的加熱或冷卻，從而提高了升降負荷速度，縮短了蒸汽發生系統的啟停時間。

強制循環方式設置有強制循環泵，雖然其揚程不高，但因其工作在高溫(330 ℃以上)、超高壓(14 MPa以上)參數下，泵軸的密封比較困難。若采用常規離心泵，機械密封將是日常檢修維護的重點與難點；也可采用大型火電機組常用的立式無軸封離心泵，由濕式電機驅動，但是設備價格相對較高。

強制循環方式的工藝流程如圖2所示。

圖2 強制循環方式的工藝流程Fig. 2 Process flow of forced circulation mode

2 兩種水循環方式的技術性對比分析

2.1 自然循環方式的優缺點分析

2.1.1 自然循環方式的優點

1)在維持適當的循環倍率(指進入上升管的循環水量與其產汽量之比)的正常運行條件下，自然循環方式具有良好的自補償能力，即當汽水循環回路的吸熱量增大時，循環水流量也自動隨之增加；

2)采用自然循環方式時，蒸汽發生系統的循環阻力不需要通過強制循環泵克服，因此可以大幅降低廠用電，且不需要在高溫、超高壓條件下工作的強制循環泵，其檢修維護的工作量小，工作可靠性較好。

2.1.2 自然循環方式的缺點

1)自然循環方式的運動壓頭較小，蒸發器與汽包的布置需要有一定的高度差，因此相對增加了蒸發換熱平臺的高度；

2)自然循環方式是超高壓及亞臨界壓力狀態下的主要循環方式，循環倍率高，但蒸汽發生系統容量的發展受到尺寸、鍋筒制造及運輸條件的限制。

2.2 強制循環方式的優缺點分析

2.2.1 強制循環方式的優點

1)采用強制循環方式時，包括啟動、停運在內的任何工況下均由強制循環泵提供足夠的揚程和流量，以保證換熱面的冷卻，因此可加速使各承壓部件間金屬的溫度均勻升高或降低，有利于縮短蒸汽發生系統的啟停時間。

2)強制循環方式的循環水動力比自然循環方式的大，蒸汽發生系統的可靠性提高。自然循環方式產生的水動力一般只有0.05～0.10 MPa，而強制循環方式產生的水動力可達到0.25～5.00 MPa，因此可選用小直徑管作為換熱管；且小直徑管在同樣壓力下所需的管壁較薄，金屬消耗量較少。

3)強制循環方式可采用比較靈活的布置方案，蒸發換熱平臺的高度相對較低。

4)采用強制循環方式時，蒸汽發生系統運行的壓力范圍更大，有利于太陽能熱發電機組滑參數運行。

2.2.2 強制循環方式的缺點

1)強制循環方式需采用強制循環泵，因此會增加強制循環泵的設備投資及運行維護成本；

2)強制循環方式的循環倍率較低，但強制循環泵的運行電耗較高，導致蒸汽發生系統的經濟性稍差；

3)采用強制循環方式時，蒸汽發生系統的調節控制要求相對較高；

4)由于強制循環泵長期在高溫、超高壓工況下運行，需使用特殊設計才能保證其運行的安全性；另外，此類設備的生產廠家較少，可選擇性較低。

2.3 技術對比結論

采用自然循環方式時，蒸汽發生系統的布置高度增加，系統的設備投資及土建投資需適當增加；同時為滿足蒸汽發生系統冷態啟動的要求，需增設預熱泵及相關閥門管路系統；但通過合理的配置和系統優化，采用自然循環方式也可使蒸汽發生系統在正常工況和變負荷工況時均能保證較穩定的汽水循環，滿足安全穩定的要求。

采用強制循環方式時，蒸汽發生系統在冷態啟動時更具有時間優勢，且滑參數運行范圍較大；但是根據預估的冷態啟動次數(12次/年)，這一時間優勢會被強制循環泵的投資所抵消，且當蒸汽發生系統處于熱備用狀態或需要輔助蒸汽時，強制循環泵需要長期運行，會增加電耗；另外，由于強制循環泵長期在高溫、超高壓工況下運行，運行維護的工作量相對較大。

根據以上對比分析，再結合熔鹽塔式太陽能熱發電的技術特性，自然循環方式及強制循環方式均能滿足其蒸發換熱要求；但從技術發展及運行維護工作量方面考慮，推薦采用自然循環方式。

3 兩種水循環方式的經濟性對比分析

以青海省某100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站的蒸汽發生系統為例，對兩種水循環方式的經濟性進行對比分析。該蒸汽發生系統采用雙列設計，系統進口熔鹽溫度為560 ℃、出口熔鹽溫度為290 ℃，過熱器出口主蒸汽壓力為13.5 MPa、溫度為543 ℃，蒸發器總換熱功率約為84.7 MW。

對分別采用自然循環方式與強制循環方式的蒸汽發生系統進行詳細方案設計，并對不同方案的投資估算和運行費用進行對比，相關數據對比如表1所示。

表1 采用不同水循環方式時蒸汽發生系統的投資估算及運行費用對比Table 1 Comparison of investment estimation and operating cost of steam generation system using different water circulation modes

根據表1的對比分析可知：該熔鹽塔式太陽能熱發電站蒸汽發生系統的水循環方式采用強制循環方式時的系統投資比采用自然循環方式時的增加約1050萬元，且全生命周期(25年)內強制循環泵的運行電費增加約1090萬元。因此，針對該熔鹽塔式太陽能熱發電站，在其蒸汽發生系統的設計參數下，自然循環方式在系統投資和運行費用上均更具有優勢，從經濟性考慮，推薦采用自然循環方式。

4 國內項目應用情況

目前國內已建成投產的第1批以熔鹽為儲熱介質的太陽能熱發電示范項目及多能互補項目中，考慮項目的示范效應及各方向技術路線差異，自然循環方式及強制循環方式均有應用。比如：中控德令哈50 MW熔鹽塔式太陽能熱發電項目、中電工程哈密50 MW熔鹽塔式太陽能熱發電項目、蘭州大成敦煌50 MW熔鹽線性菲涅爾式太陽能熱發電項目等均采用自然循環方式；中電建青海共和50 MW熔鹽塔式太陽能熱發電項目、首航節能敦煌100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電項目、魯能海西州50 MW熔鹽塔式太陽能熱發電項目等均采用強制循環方式。

根據對上述已建成投產的熔鹽塔式太陽能熱發電項目的調研結果：目前以上各項目的蒸汽發生系統均運行良好，自然循環方式及強制循環方式技術路線基本均能滿足太陽能熱發電項目蒸發換熱的需求。但有的采用強制循環方式的項目中，由于強制循環泵的結構選型不合適，導致運行中存在機械密封泄露的情況，在大幅增加檢修維護工作量的同時，影響了電站整體的發電性能。

5 結論

本文對熔鹽塔式太陽能熱發電站的蒸汽發生系統進行了介紹，對蒸汽發生系統的兩種水循環方式——自然循環方式和強制循環方式進行了技術性和經濟性對比分析。分析結果表明：在目前熔鹽塔式太陽能熱發電站采用高溫、超高壓參數下，自然循環方式及強制循環方式技術路線均能滿足熔鹽塔式太陽能熱發電站蒸發換熱的需求，且在國內第1批已建成的熔鹽塔式太陽能熱發電示范項目中均有成功應用案例。但若選擇強制循環方式，在設備選型時，應將強制循環泵的結構及運行環境作為重點進行綜合分析。

結合國內目前已建成項目的運行經驗及太陽能熱發電技術的發展趨勢，以熔鹽為儲熱介質的塔式太陽能熱發電站的蒸汽發生系統的出口主蒸汽壓力在亞臨界以下(＜16 MPa)時，從技術性、經濟性及運行維護方面綜合考慮，推薦蒸汽發生系統的水循環方式采用自然循環方式。本文研究結果可為熔鹽塔式太陽能熱發電站蒸汽發生系統的設計選型提供參考。