槽式光熱電站汽水管道效率探討

劉傳成

摘要：本文結合槽式光熱發電項目的汽水管道效率優化方案，綜合考慮管徑、管系壓降、布置、應力分析及熱力平衡（HBD）因素的影響，并結合技術經濟比較，提出槽式光熱發電項目合適的汽水管道效率，提高槽式光熱電站項目汽水管道效率約4.5個百分點，此設計優化有借鑒意義。

關鍵詞：槽式光熱發電；管道效率

目前，太陽能光熱發電技術逐漸走向成熟，國內太陽能光熱發電市場也迅速膨脹，國內各大電力公司均踴躍參與其中，產業鏈也已經初步形成。

國家能源局已公布了國內首批入選的20個光熱發電示范項目名單，總裝機134.9萬千瓦，將在2018年前建成投產。到2020年底，國內要實現光熱發電總裝機容量達到10GW，對應近3000億元的投資落地。

光熱發電形式主要有：槽式、塔式、碟式、菲涅耳式等。相比其他幾種光熱發電技術相比，槽式光熱發電技術更加成熟、可靠，也是目前實現商業化運行項目中占比例最高的光熱發電技術。

1 汽水管道效率差距及分析

（1）差距原因。槽式光熱電站汽水島的工藝原理存在如下與常規火電機組不同的工藝特性：a.因光照和儲熱的限制條件，機組啟停頻繁；b.主蒸汽、熱再熱蒸汽過熱度低，冷再熱和部分抽汽參數為濕飽和蒸汽；c.主要系統設備室外布置，蒸汽發生系統SGS區域與汽輪機區域距離較遠，管道敷設距離長；d.管道壁厚較大，管道柔性設計難度高，補償彎多，彎頭數量多，阻力損失大。由上可知，槽式光熱電站的工藝特性應該就是其管道效率與常規火電機組有差距的根源。

（2）分析。電站整體的光熱電轉換效率是非常重要的指標，包括鏡場效率、導熱油熔鹽島效率、汽水島效率主要三部分，光熱電站總效率的表達式為：

η電站=η鏡場*η油鹽島*η汽水島

目前成熟的鏡場和導熱油熔鹽儲換熱系統的工藝技術多壟斷在少數幾個歐美發達國家手中，國內短時間內實現技術突破帶來這兩個環節效率的大幅提升存在較大困難，而對于汽水島效率，國內則有大量成熟的工程經驗，可以在這方面著力進行攻關突破。

汽水島的主要組成包括蒸汽發生系統SGS（STEAM GENERATION SYSTEM）、汽輪發電機組ST&BOP（STEAM TURBINE AND BALENCE OF PLANT）以及管道系統，是光熱電站熱能轉換成電能的核心系統。汽水島效率的表達式為：

η汽水島=η蒸汽發生*η汽輪機組*η管道

目前槽式光熱電站對于蒸汽發生系統SGS的效率約為90%～92%，與相同容量火力發電站的鍋爐效率基本相同甚至略高。槽式光熱電站汽輪發電機組的效率與同等容量的火電汽輪發電機組也基本相同，多在35%～40%之間，目前先進水平可達42%。而對于槽式光熱電站，汽水管道的效率多在94%～96%之間，與火力電站管道效率的98%～99%存在較大差距，有較大的提升空間。

2 提高汽水管道效率途徑

汽水管道本質上是輸送汽輪機做功介質的載體，其效率主要取決于介質做功能力的損失。基于熱力學第二定律的熵方法和火用方法，闡明影響管道效率η管道的因素。

管道中汽水介質做功能力的損失主要是涉及兩部分，分別為溫度降和壓力降，在HBD（HEAT BALANCE DIAGRME）中是以溫降和壓降的形式體現的。

（1）途徑。

主要蒸汽管道設計首要需要確定管徑、管道阻力降、管道布置、應力計算。經技術經濟性比較，包括熱平衡（HBD）計算，確定合適的管道效率。

a.因槽式光熱電站參數較低，主汽等管道材質為碳鋼，管道效率變化引起的汽輪機入口參數變化導致汽輪機價格變化，及其微小，這兩項的價格變化可以忽略。所以只要按上述流程進行發電量的變化而不引起汽輪發電機規格升級的計算，即得到合適的管道效率。

結論：壓降損失大。

結論：光熱發電機組管道溫降與火電機組差別不大。

d.應力分析。槽式光熱電站因光照和儲熱限制啟停頻繁，管道涉及低周疲勞，應力要求苛刻，汽機等設備接口的推力及扭矩要求嚴格，所以提高管道效率必須在滿足管道應力要求的前提下進行，即布置、壁厚（流速）需考慮此方面的影響。

（2）優化布置 縮短SGS與汽機間距離 縮短連接管道長度。

距離的縮短的對降低管道的壓力損失和散熱損失起到了顯著的作用。

（3）增大管道直徑，降低管道流速，減少管道沿程阻力損失。

管道摩擦壓力損失（等效為管道沿程阻力損失）的表達式為：

Δpf=λρw22g

·LDt

式中：Δpf=——直管的摩擦力損失，MPa

g——重加加速度，m/s2。

ω——平均流速，m/s。

ρ——流體密度，kg/m3。

由上式可以看出，管道的摩擦壓力損失與管道內徑成反比，與管內介質流速的平方成正比。而且在介質流量一定的情況下，由下式可知：介質流速和管徑的平方成反比。

Di=18.81

Qω

式中：Di——管道內徑，mm。

G=介質質量流量，t/h。

v——介質比容，m2/kg。

ω——介質流速，m/s。

Q——介質容積流量，m2/h。

綜合以上兩式可知，在介質流量一定的情況下，管道沿程阻力損失與管道直徑的5次方成反比，也就是說增大管道直徑可以極其顯著的降低管道的沿程阻力損失。

從上表可見，我們對光熱電站管道管徑選取要遠大于常規火電機組在推薦流速的條件下計算出來的管徑。這也使光熱電站管道內介質流速要比常規火電推薦值小很多。結合管道沿程阻力計算的公式，這樣會顯著降低管道的沿程阻力損失。

（4）改變管件形式，使用局部阻力系數小的管件。

根據上表，部分管件的選用原則：

（1）主蒸汽彎頭在空間布置允許的情況下可替換成彎管，這樣既可以降低管道局部阻力，又可以提高管道柔性，有助于降低管道應力。（2）在兩個90°彎頭之間距離較短時，可替換成兩個45°彎頭，可以降低管道局部阻力。下圖為主蒸汽管道，兩個比較近的90°彎頭換成了兩個45°彎頭。（3）對管道的匯流三通多通過支路設置成側向匯流，盡量避免對向匯流；對于分流三通，如果布置空間允許的話應設置成Y型三通。（4）對于大流量的主要支路管道，盡量避免使用異徑三通，可以使用等徑三通加大小頭的形式，這樣管道局部阻力損失小一些。

3 效益

（1）槽式光熱電站與常規火電機組蒸汽管道壓力降及管道效率統計

槽式光熱電站管道效率達到97.3%，與目前世界最先進水平97.5%很接近。

（2）可提高槽式光熱電站項目汽水管道效率約4.5個百分點，進而可提高全廠的光熱電轉換效率，每年可給業主直接增加客觀的發電收益。

4 結論

綜上所述，管徑、阻力、布置、應力分析、HBD及商務結合在一起考慮，建議合適的槽式光熱電站管道效率在97%～97.5%。

參考文獻：

[1]DL/T 50542016，火力發電廠汽水管道設計規范.