塔式熔鹽光熱電站蒸汽發生器選型配置優化研究

（青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司，山東 青島 266100）

一、引言

塔式太陽能熱發電是利用定日鏡將太陽光反射到位于塔頂的吸熱器上，將聚積的輻射能轉變為熱能通過高溫熔鹽、蒸汽發生器進行熱交換，產生蒸汽來推動汽輪發電機組發電。

二、設備結構

蒸發器從結構形似可以分為：集箱式蒸發器和 U 形管殼式蒸發器。

集箱式蒸發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、還影響到蒸發器工作的可靠性及維修困難等問題。

U 形管殼式蒸發器，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+殼體膨脹節的結構形式。

采用臥布置，分為管內和管外蒸發兩種形式。若采用管外蒸發，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。若采用管內蒸發則有效的解決管板的溫差問題，但是管內蒸發需考慮汽水側阻力，所以推薦管內蒸發的自然循環方式，這個結構是結合水平蒸發管式余熱鍋爐設計、制造經驗，優化汽包和蒸發器以及兩者間的上升管和下降管的布置方式，實現汽水在水平布置 U 形管內的自然循環。各個負荷的循環倍率 3～12，負荷下降時，循環倍率逐漸增加。由此可見自然循環的蒸發方式是適合水平 U 形管的熔鹽、蒸汽發生系統。

三、單雙列方案比較

（一）系統配置比較

1×100%方案：包含省煤器、蒸發器、汽包、過熱器、再熱器，外循環泵，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、蒸發器、汽包、過熱器、再熱器等主設備各兩臺，外循環泵，電加熱器等主設備一臺，相應的閥門儀表管道配套件一套。

單列方案系統構成簡單；相反，雙列方案系統構成較為復雜。

（二）蒸汽發生系統運行性能比較

對于塔式光熱電站，蒸汽發生系統與聚光集熱系統解耦運行，不受限于聚光集熱系統，可根據電網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生，并考慮爆管發生時系統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泵為蒸發器、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，減小系統的溫升降速率，使熔鹽換熱系統保持安全運行。

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-蒸汽發生系統是熔鹽吸熱系統與蒸汽動力系統連接的橋梁，該系統的可靠性影響到整個電廠的正常運行。在蒸汽發生器材料選擇，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，保證系統安全高效的運行。