光熱電站熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

李有霞，肖欣悅，彭 俊，奚正穩(wěn)，孫登科

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

太陽能熱發(fā)電通過聚光裝置將低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度能量，經(jīng)傳熱介質(zhì)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換。

利用熔鹽作為傳熱和儲熱介質(zhì)的光熱電站具有發(fā)電效率高、儲熱成本低、儲熱容量大等優(yōu)勢，正逐漸成為太陽能光熱發(fā)電的主流技術(shù)。國家能源局新能源和可再生能源司提出的《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》發(fā)展目標，強調(diào)有序推進太陽能熱發(fā)電示范工程項目建設(shè)，其中推薦建設(shè)熔鹽工質(zhì)塔式太陽能熱發(fā)電機組示范工程。截至2020 年7 月我國已投運并網(wǎng)的6 座光熱示范項目中，以熔鹽為傳熱儲熱工質(zhì)的示范項目達5 座。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是熔鹽太陽能發(fā)電站的核心系統(tǒng)之一，熔鹽作為傳熱儲熱介質(zhì)，不能直接進入汽輪機組做功，需要在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中將攜帶的熱量傳遞給水／蒸汽，高溫蒸汽再進入汽輪機膨脹做功。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)能否安全可靠運行直接關(guān)系到整個電站的安全性，其傳熱性能也直接影響系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，進而影響電廠的經(jīng)濟性，對其進行優(yōu)化設(shè)計是整個熔鹽工質(zhì)塔式熱發(fā)電技術(shù)設(shè)計的關(guān)鍵。

太陽能熱電站在其運行壽命內(nèi)根據(jù)太陽資源進行滿負荷或者部分負荷運行，且汽輪機每天啟動和停機，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的換熱設(shè)備必須滿足不同負荷工況壓力和溫度的變化以及多次啟停的需要，并要防止由于熔鹽介質(zhì)特殊的物理特性（較高的凝固點）導(dǎo)致的啟停過程中極易發(fā)生的熔鹽凝固堵塞管路的問題。

上述運行條件對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高要求。文獻［1-4］進行了設(shè)備選型論述，本文則從系統(tǒng)構(gòu)成、流程設(shè)置、整體布置3 方面對熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計進行詳細介紹。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)熔鹽與水工質(zhì)之間的熱交換，產(chǎn)生符合汽輪機運行要求的蒸汽。主要設(shè)備包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器，分別實現(xiàn)對水介質(zhì)的預(yù)熱、加熱、蒸發(fā)、過熱和再熱。各設(shè)備之間通過合理的連接方式組合在一起，形成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，為了保證蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的高效安全運行，設(shè)備還包括防凝伴熱、啟動預(yù)熱、低負荷預(yù)熱器、排鹽、疏水排污、放氣充氮、噴水減溫等輔助系統(tǒng)［5-6］。

1.1 主設(shè)備選型

1.1.1 預(yù)熱器

預(yù)熱器在蒸發(fā)系統(tǒng)中起到將給水加熱到略低于飽和溫度的作用。考慮到管殼側(cè)的膨脹差以及光熱電站換熱器的特性，選用U 形管換熱器。由于冷流體（給水）的出口溫度高于熱流體（熔鹽）的出口溫度，選用普通的兩管程單殼程的U 形管換熱器會導(dǎo)致溫度交叉，傳熱效果差。因此選用帶殼側(cè)大隔板的雙殼程U 形管換熱器［7］，使冷熱流體純逆向流動，從而避免溫度交叉。預(yù)熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 預(yù)熱器結(jié)構(gòu)

1.1.2 蒸發(fā)器

選用帶汽包型蒸發(fā)器，自然循環(huán)，汽包高位布置，依據(jù)汽水密度差，在下降管、蒸發(fā)器、引出管及汽包之間形成自然循環(huán)，無需強制循環(huán)泵即可實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行，降低系統(tǒng)投資運行維護成本。

蒸發(fā)器選用水在殼側(cè)蒸發(fā)熔鹽走管內(nèi)的穿流型U 形管再熱器方案。汽包內(nèi)布置數(shù)量合理的旋風(fēng)分離器，進行有效的汽水分離。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.3 過熱器／再熱器

過熱器和再熱器熔鹽進出口溫差大，如果是普通的U 形管換熱器，冷熱熔鹽與同一塊管板接觸，管板熱應(yīng)力大。為了解決這一問題，可以選用發(fā)夾式換熱器。這種換熱器殼體為U 型，在殼體的兩端分別設(shè)有一塊管板。相同管子數(shù)量的前提下，發(fā)夾式換熱器的管板比普通U 形管換熱器的管板小而薄。發(fā)夾式換熱器能夠?qū)⒏叩蜏囟朔指糸_，也能實現(xiàn)冷熱流體的純逆流，能很好地滿足過熱器和再熱器的需要。過熱器／再熱器外形如圖3 所示。

圖2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

圖3 過熱器／再熱器外形

上述設(shè)備，除蒸發(fā)器內(nèi)水工質(zhì)在殼側(cè)蒸發(fā)，其余設(shè)備均為水工質(zhì)走管內(nèi)，熔鹽工質(zhì)走殼側(cè)。

1.2 熔鹽防凝伴熱

目前光熱電站均采用的二元硝酸鹽（Solar Salt），化學(xué)成分為60%NaNO3+40%KNO3，凝固點為238 ℃，為了保證熔鹽在系統(tǒng)內(nèi)不發(fā)生凝固凍堵的事故，在上鹽前需先將涉及熔鹽的設(shè)備管件閥門預(yù)熱至熔鹽凝固點以上。選用不銹鋼礦物絕緣電伴熱，在系統(tǒng)啟動階段可將空熔鹽管道、閥門及設(shè)備在一定時間內(nèi)從最低環(huán)境溫度條件預(yù)熱并維持至290 ℃；系統(tǒng)運行過程中，電伴熱帶可耐溫至系統(tǒng)運行最高溫；系統(tǒng)停運但在不排鹽時，可維持系統(tǒng)溫度在290 ℃。

1.3 啟動預(yù)熱系統(tǒng)

為了實現(xiàn)冷態(tài)啟動時水側(cè)系統(tǒng)的預(yù)熱，設(shè)置啟動預(yù)熱系統(tǒng)，包括電加熱器及外循環(huán)泵和相應(yīng)的啟動循環(huán)管路。

電加熱器為啟動循環(huán)提供熱量來源，啟動循環(huán)泵為循環(huán)過程提供循環(huán)動力。

啟動循環(huán)管路，與預(yù)熱器、汽包、蒸發(fā)器及其連接管路形成閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過電加熱器加熱循環(huán)水，持續(xù)為系統(tǒng)升溫升壓，并產(chǎn)生飽和蒸汽預(yù)熱后端的過熱器、再熱器及管路。

1.4 低負荷預(yù)熱器

由于熔鹽結(jié)晶點為238 ℃，而在低負荷工況，給水溫度遠低于此溫度，為了防止低負荷階段，低于熔鹽結(jié)晶點的給水進入預(yù)熱器與290 ℃左右的熔鹽接觸導(dǎo)致熔鹽凝固的風(fēng)險，需要從系統(tǒng)上保證進入預(yù)熱器的給水溫度高于熔鹽結(jié)晶點。可通過增加低負荷預(yù)熱器，利用主蒸汽加熱給水，主蒸汽降溫凝結(jié)后進入除氧器或者機組回?zé)嵯到y(tǒng)。

1.5 排鹽系統(tǒng)

排鹽系統(tǒng)用于系統(tǒng)停運后，將設(shè)備及管路中熔鹽排入排鹽罐中，防止熔鹽存留于設(shè)備與管路中凝結(jié)，主要由排鹽管路，排鹽罐、排鹽泵及相應(yīng)管路、閥門、附件組成，布置在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)最低位。排鹽罐內(nèi)配置相應(yīng)的配套件以監(jiān)測排鹽管道安全運行，配置熔鹽泵將系統(tǒng)排鹽送回熔鹽儲罐加以利用。

系統(tǒng)的排鹽主要通過設(shè)備、管路的合理布置，利用熔鹽自身重力進行。預(yù)熱器、過熱器、再熱器傾斜布置，在各換熱器設(shè)備最低點設(shè)置排鹽口，并連接設(shè)備排鹽管路至熔鹽側(cè)最低點的排鹽總管，并引入排鹽罐。

1.6 系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)鋼構(gòu)架設(shè)計充分考慮全套蒸汽發(fā)生系統(tǒng)范圍內(nèi)各種汽水管道、熔鹽管道、換熱器設(shè)備、輔助設(shè)備、熱熔鹽泵、冷熔鹽泵、調(diào)溫熔鹽泵在鋼構(gòu)架上的布置及閥門、儀表等的檢修。系統(tǒng)換熱器設(shè)備，包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、汽包、過熱器及再熱器，以及熔鹽泵、電加熱器等輔助設(shè)備，均采用支撐結(jié)構(gòu)支撐在鋼構(gòu)平臺或地面上；汽水、熔鹽管道采用吊掛裝置進行固定；閥門、儀表設(shè)置專門的檢修平臺。

系統(tǒng)鋼構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)，露天布置，也可設(shè)計封閉型式。主要構(gòu)件的材料采用抗蝕的高強度低合金鋼，構(gòu)件的接頭采用扭剪型高強螺栓連接。柱腳通過柱腳錨固件與基礎(chǔ)相連，柱與柱之間有橫梁和斜支撐。

1.7 其他輔助系統(tǒng)

熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)作為光熱電站的 “鍋爐”部分，也配置相應(yīng)的疏水排污、放氣充氮、噴水減溫、高低壓旁路、必要的閥門儀表等輔助系統(tǒng)保證蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的安全運行。

2 系統(tǒng)流程

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要流程為來自高溫熔鹽儲罐的高溫熔鹽與來自高壓加熱器的給水換熱產(chǎn)生高溫蒸汽進入汽輪機做功，具體流程見圖4。

2.1 水側(cè)流程

正常運行工況下。來自高壓加熱器的給水流經(jīng)預(yù)熱器，進入汽包，經(jīng)下降管進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中發(fā)生相變，汽水混合物經(jīng)引出管返回汽包，通過汽包內(nèi)的旋風(fēng)分離器進行汽水分離，飽和水與給水混合后經(jīng)汽包下降管進入蒸發(fā)器，飽和汽則進入過熱器，經(jīng)高溫熔鹽再次加熱后變?yōu)檫^熱蒸汽，由主蒸汽管道送入汽輪機高壓缸做功。過熱蒸汽在汽輪機高壓缸做完功后，其排汽進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)再熱器，再次經(jīng)高溫熔鹽加熱后進入汽輪機中、低壓缸繼續(xù)做功［8］。

初始啟動階段。通過給水泵為預(yù)熱器、汽包及蒸發(fā)器上水至汽包的指定水位后，啟動外循環(huán)泵及電加熱器，使水工質(zhì)在預(yù)熱器、汽包、蒸發(fā)器之間形成閉式循環(huán)通路，通過電加熱器提升其溫度，通過控制壓力控制產(chǎn)汽溫度，產(chǎn)生的飽和蒸汽依次經(jīng)過過熱器、高壓旁路、再熱器，實現(xiàn)過熱器及再熱器的預(yù)熱，預(yù)熱之后的飽和蒸汽及凝結(jié)水經(jīng)低壓旁路及設(shè)備、管道疏水口排出。

系統(tǒng)預(yù)熱（水側(cè)預(yù)熱及鹽側(cè)電伴熱）至熔鹽凝固點以上之后，啟動給水泵及熔鹽泵，調(diào)節(jié)給水流量、熔鹽流量、熔鹽溫度進行匹配換熱，在產(chǎn)生汽機暖機及沖轉(zhuǎn)參數(shù)的蒸汽之前，系統(tǒng)所產(chǎn)生的低參數(shù)蒸汽通過高低壓兩級串聯(lián)旁路排出。

系統(tǒng)低負荷運行工況下。當給水溫度低于熔鹽凝固點時，利用部分過熱蒸汽進入低負荷預(yù)熱器實現(xiàn)給水溫度的提升，避免熔鹽的凝固。

為了防止低負荷工況給水在預(yù)熱器中氣化，設(shè)置預(yù)熱器旁路，給水經(jīng)預(yù)熱器旁路直接進入汽包。

2.2 鹽側(cè)流程

來自高溫儲罐的熔鹽分別流經(jīng)過熱器和再熱器后匯合，再依次流經(jīng)蒸發(fā)器及預(yù)熱器與給水發(fā)生換熱，將熱量傳遞給水工質(zhì)后流入低溫儲罐。進入過熱器和再熱器的熔鹽總流量和分流量均可以調(diào)節(jié)，分別以過熱器和再熱器出口蒸汽溫度作為反饋信號實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

對于鹽側(cè)，在過熱器、再熱器入口設(shè)置有低溫熔鹽管路，用于調(diào)整進入過熱器及再熱器的熔鹽溫度。低溫熔鹽來自低溫儲罐調(diào)溫泵。

圖4 系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)整體布置

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備型式及場所要求設(shè)計不同的布置方 式［9］，此處選用低位分層式［10］，見圖5。整體布置在高低溫熔鹽罐中間，主要布置原則是：

1）水側(cè)汽包布置在最高處，與蒸發(fā)器距離一定的高差，保證自然循環(huán)水動力循環(huán)的安全性。

2）熔鹽側(cè)從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。考慮熔鹽介質(zhì)的排放需要，從高到低依次布置預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器，其中過熱器和再熱器同層布置，保證系統(tǒng)停運或事故工況排鹽時熔鹽從低溫段往高溫段排放，避免設(shè)備、管道超溫。

3）同時水平連接管路及臥式設(shè)備均傾斜布置，系統(tǒng)內(nèi)熔鹽依靠自重經(jīng)熔鹽連接管道排放。

圖5 系統(tǒng)布置

4）系統(tǒng)內(nèi)管道儀表閥門布置充分考慮系統(tǒng)工藝流程、管道應(yīng)力、安裝及檢修空間等因素，特別優(yōu)先考慮熔鹽管道，使熔鹽管道盡量簡短并利于排鹽。

4 結(jié)語

塔式熔鹽光熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要設(shè)備包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器（含汽包）、過熱器、再熱器，分別實現(xiàn)對水介質(zhì)的預(yù)熱、加熱、蒸發(fā)、過熱和再熱。各設(shè)備之間通過合理的連接方式組合在一起，形成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。采用自然循環(huán)，汽包高位布置，蒸汽發(fā)生器低位臥式布置，水在殼側(cè)蒸發(fā)。過熱器再熱器采用U 管U 殼結(jié)構(gòu)型式避免端差過大，減小管板厚度，提升設(shè)備啟停速率。設(shè)置防凝伴熱、啟動預(yù)熱、低負荷預(yù)熱器、排鹽、噴水減溫、高低壓旁路等輔助系統(tǒng)保證蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的安全運行。系統(tǒng)采取低位分層布置，熔鹽依靠重力排凈。