熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站中蒸汽發(fā)生系統(tǒng)水循環(huán)方式的對比分析

牛亞兵，任亞軍，王彥普，張思遠(yuǎn)

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱功轉(zhuǎn)換過程來實(shí)現(xiàn)發(fā)電的系統(tǒng)。中國的太陽能熱發(fā)電歷經(jīng)“十二五”和“十三五”10年的發(fā)展，從近乎零基礎(chǔ)發(fā)展到已初步形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈，但發(fā)展依然任重道遠(yuǎn)[1]。2022年1月30日，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》(發(fā)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(shè)和運(yùn)行機(jī)制，發(fā)揮太陽能熱發(fā)電的調(diào)節(jié)作用，完善支持太陽能熱發(fā)電和儲能等調(diào)節(jié)性電源運(yùn)行的價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制。該《意見》的發(fā)布將助力“十四五”期間太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。目前，在國內(nèi)水、風(fēng)、光、熱互補(bǔ)開發(fā)的大趨勢下，儲能型太陽能熱發(fā)電市場正迎來新一波的發(fā)展熱潮。截至2022年7月，在青海省、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)及吉林省等地區(qū)，已有超過2 GW的儲熱型太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)入開發(fā)階段，這是中國太陽能熱發(fā)電發(fā)展史上的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是利用熔鹽作為儲熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電站的核心系統(tǒng)之一。儲存在熔鹽系統(tǒng)中的熱量，在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)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(jìn)入汽輪機(jī)做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電[2]。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的水循環(huán)方式主要包括自然循環(huán)方式及強(qiáng)制循環(huán)方式，系統(tǒng)出口參數(shù)均達(dá)到高溫、超高壓參數(shù)。

目前國外已建及在建的熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目中，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的水循環(huán)方式多采用強(qiáng)制循環(huán)方式，且系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。國內(nèi)已建成投運(yùn)的5個(gè)熔鹽塔式及1個(gè)熔鹽線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，有3個(gè)項(xiàng)目的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)水循環(huán)方式采用自然循環(huán)方式，且系統(tǒng)運(yùn)行情況良好；另外3個(gè)項(xiàng)目采用強(qiáng)制循環(huán)方式，其中某些項(xiàng)目由于強(qiáng)制循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)選型不合適等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行存在少量問題。目前國內(nèi)在建及正在設(shè)計(jì)的熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目中，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的水循環(huán)方式均采用自然循環(huán)方式。

本文在對熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的兩種水循環(huán)方式進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對比分析，并結(jié)合目前國內(nèi)熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢及已建成投運(yùn)項(xiàng)目的運(yùn)行情況提出推薦方案，以期為未來以熔鹽作為儲熱介質(zhì)的塔式太陽能熱發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

以熔鹽作為儲熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)熔鹽與水/蒸汽之間熱交換，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的重要設(shè)備，其主要設(shè)備包括給水預(yù)熱器、蒸發(fā)器(含汽包)、過熱器、再熱器，以及各設(shè)備之間的汽水管路、熔鹽管路等。

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

給水系統(tǒng)內(nèi)給水的流動方向正好與熔鹽的流向相反，給水從給水預(yù)熱器開始進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，其在給水預(yù)熱器中加熱至接近飽和溫度后進(jìn)入汽包；然后在汽包和蒸發(fā)器之間循環(huán)蒸發(fā)產(chǎn)生飽和蒸汽，再進(jìn)入過熱器加熱成過熱蒸汽；然后通過主蒸汽管路進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功；做功后變?yōu)榈蜏卦贌嵴羝俜祷氐秸羝l(fā)生系統(tǒng)的再熱器中進(jìn)行加熱，加熱后變?yōu)楦邷卦贌嵴羝M(jìn)入到汽輪機(jī)低壓缸繼續(xù)做功；做功后的乏汽在凝汽設(shè)備中降溫后進(jìn)入給水系統(tǒng)，進(jìn)行下一次汽水循環(huán)。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)按照蒸發(fā)器與汽包間的水循環(huán)方式分為自然循環(huán)方式和強(qiáng)制循環(huán)方式兩種。

1.1 自然循環(huán)方式

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

自然循環(huán)方式具有蒸汽發(fā)生系統(tǒng)阻力小、給水壓力低的特點(diǎn)，可降低給水泵的運(yùn)行電耗。采用自然循環(huán)方式時(shí)，汽包與蒸發(fā)器之間的布置高差需克服汽水循環(huán)回路的循環(huán)阻力。

自然循環(huán)方式的工藝流程如圖1所示。

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

1.2 強(qiáng)制循環(huán)方式

強(qiáng)制循環(huán)是借助爐水強(qiáng)制循環(huán)泵的壓力使工質(zhì)流動的方式，由汽包、下降管、強(qiáng)制循環(huán)泵、蒸發(fā)器、上升管等構(gòu)成強(qiáng)制循環(huán)回路。因?yàn)樵O(shè)置了強(qiáng)制循環(huán)泵，其循環(huán)推力比自然循環(huán)方式大，可不考慮汽包與蒸發(fā)器之間的布置高差影響。強(qiáng)制循環(huán)方式在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)啟停階段，利用水的強(qiáng)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(fù)荷速度，縮短了蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的啟停時(shí)間。

強(qiáng)制循環(huán)方式設(shè)置有強(qiáng)制循環(huán)泵，雖然其揚(yáng)程不高，但因其工作在高溫(330 ℃以上)、超高壓(14 MPa以上)參數(shù)下，泵軸的密封比較困難。若采用常規(guī)離心泵，機(jī)械密封將是日常檢修維護(hù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)；也可采用大型火電機(jī)組常用的立式無軸封離心泵，由濕式電機(jī)驅(qū)動，但是設(shè)備價(jià)格相對較高。

強(qiáng)制循環(huán)方式的工藝流程如圖2所示。

圖2 強(qiáng)制循環(huán)方式的工藝流程Fig. 2 Process flow of forced circulation mode

2 兩種水循環(huán)方式的技術(shù)性對比分析

2.1 自然循環(huán)方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1.1 自然循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)

1)在維持適當(dāng)?shù)难h(huán)倍率(指進(jìn)入上升管的循環(huán)水量與其產(chǎn)汽量之比)的正常運(yùn)行條件下，自然循環(huán)方式具有良好的自補(bǔ)償能力，即當(dāng)汽水循環(huán)回路的吸熱量增大時(shí)，循環(huán)水流量也自動隨之增加；

2)采用自然循環(huán)方式時(shí)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的循環(huán)阻力不需要通過強(qiáng)制循環(huán)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(qiáng)制循環(huán)泵，其檢修維護(hù)的工作量小，工作可靠性較好。

2.1.2 自然循環(huán)方式的缺點(diǎn)

1)自然循環(huán)方式的運(yùn)動壓頭較小，蒸發(fā)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(fā)換熱平臺的高度；

2)自然循環(huán)方式是超高壓及亞臨界壓力狀態(tài)下的主要循環(huán)方式，循環(huán)倍率高，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)容量的發(fā)展受到尺寸、鍋筒制造及運(yùn)輸條件的限制。

2.2 強(qiáng)制循環(huán)方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2.1 強(qiáng)制循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)

1)采用強(qiáng)制循環(huán)方式時(shí)，包括啟動、停運(yùn)在內(nèi)的任何工況下均由強(qiáng)制循環(huán)泵提供足夠的揚(yáng)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(fā)生系統(tǒng)的啟停時(shí)間。

2)強(qiáng)制循環(huán)方式的循環(huán)水動力比自然循環(huán)方式的大，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的可靠性提高。自然循環(huán)方式產(chǎn)生的水動力一般只有0.05～0.10 MPa，而強(qiáng)制循環(huán)方式產(chǎn)生的水動力可達(dá)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(qiáng)制循環(huán)方式可采用比較靈活的布置方案，蒸發(fā)換熱平臺的高度相對較低。

4)采用強(qiáng)制循環(huán)方式時(shí)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)行的壓力范圍更大，有利于太陽能熱發(fā)電機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行。

2.2.2 強(qiáng)制循環(huán)方式的缺點(diǎn)

1)強(qiáng)制循環(huán)方式需采用強(qiáng)制循環(huán)泵，因此會增加強(qiáng)制循環(huán)泵的設(shè)備投資及運(yùn)行維護(hù)成本；

2)強(qiáng)制循環(huán)方式的循環(huán)倍率較低，但強(qiáng)制循環(huán)泵的運(yùn)行電耗較高，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性稍差；

3)采用強(qiáng)制循環(huán)方式時(shí)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制要求相對較高；

4)由于強(qiáng)制循環(huán)泵長期在高溫、超高壓工況下運(yùn)行，需使用特殊設(shè)計(jì)才能保證其運(yùn)行的安全性；另外，此類設(shè)備的生產(chǎn)廠家較少，可選擇性較低。

2.3 技術(shù)對比結(jié)論

采用自然循環(huán)方式時(shí)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的布置高度增加，系統(tǒng)的設(shè)備投資及土建投資需適當(dāng)增加；同時(shí)為滿足蒸汽發(fā)生系統(tǒng)冷態(tài)啟動的要求，需增設(shè)預(yù)熱泵及相關(guān)閥門管路系統(tǒng)；但通過合理的配置和系統(tǒng)優(yōu)化，采用自然循環(huán)方式也可使蒸汽發(fā)生系統(tǒng)在正常工況和變負(fù)荷工況時(shí)均能保證較穩(wěn)定的汽水循環(huán)，滿足安全穩(wěn)定的要求。

采用強(qiáng)制循環(huán)方式時(shí)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)在冷態(tài)啟動時(shí)更具有時(shí)間優(yōu)勢，且滑參數(shù)運(yùn)行范圍較大；但是根據(jù)預(yù)估的冷態(tài)啟動次數(shù)(12次/年)，這一時(shí)間優(yōu)勢會被強(qiáng)制循環(huán)泵的投資所抵消，且當(dāng)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)或需要輔助蒸汽時(shí)，強(qiáng)制循環(huán)泵需要長期運(yùn)行，會增加電耗；另外，由于強(qiáng)制循環(huán)泵長期在高溫、超高壓工況下運(yùn)行，運(yùn)行維護(hù)的工作量相對較大。

根據(jù)以上對比分析，再結(jié)合熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電的技術(shù)特性，自然循環(huán)方式及強(qiáng)制循環(huán)方式均能滿足其蒸發(fā)換熱要求；但從技術(shù)發(fā)展及運(yùn)行維護(hù)工作量方面考慮，推薦采用自然循環(huán)方式。

3 兩種水循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性對比分析

以青海省某100 MW熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)為例，對兩種水循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。該蒸汽發(fā)生系統(tǒng)采用雙列設(shè)計(jì)，系統(tǒng)進(jìn)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(fā)器總換熱功率約為84.7 MW。

對分別采用自然循環(huán)方式與強(qiáng)制循環(huán)方式的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，并對不同方案的投資估算和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對比，相關(guān)數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 采用不同水循環(huán)方式時(shí)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的投資估算及運(yùn)行費(fèi)用對比Table 1 Comparison of investment estimation and operating cost of steam generation system using different water circulation modes

根據(jù)表1的對比分析可知：該熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的水循環(huán)方式采用強(qiáng)制循環(huán)方式時(shí)的系統(tǒng)投資比采用自然循環(huán)方式時(shí)的增加約1050萬元，且全生命周期(25年)內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)泵的運(yùn)行電費(fèi)增加約1090萬元。因此，針對該熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站，在其蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)下，自然循環(huán)方式在系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用上均更具有優(yōu)勢，從經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦采用自然循環(huán)方式。

4 國內(nèi)項(xiàng)目應(yīng)用情況

目前國內(nèi)已建成投產(chǎn)的第1批以熔鹽為儲熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目及多能互補(bǔ)項(xiàng)目中，考慮項(xiàng)目的示范效應(yīng)及各方向技術(shù)路線差異，自然循環(huán)方式及強(qiáng)制循環(huán)方式均有應(yīng)用。比如：中控德令哈50 MW熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目、中電工程哈密50 MW熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目、蘭州大成敦煌50 MW熔鹽線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目等均采用自然循環(huán)方式；中電建青海共和50 MW熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目、首航節(jié)能敦煌100 MW熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目、魯能海西州50 MW熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目等均采用強(qiáng)制循環(huán)方式。

根據(jù)對上述已建成投產(chǎn)的熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的調(diào)研結(jié)果：目前以上各項(xiàng)目的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)均運(yùn)行良好，自然循環(huán)方式及強(qiáng)制循環(huán)方式技術(shù)路線基本均能滿足太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目蒸發(fā)換熱的需求。但有的采用強(qiáng)制循環(huán)方式的項(xiàng)目中，由于強(qiáng)制循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)選型不合適，導(dǎo)致運(yùn)行中存在機(jī)械密封泄露的情況，在大幅增加檢修維護(hù)工作量的同時(shí)，影響了電站整體的發(fā)電性能。

5 結(jié)論

本文對熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的兩種水循環(huán)方式——自然循環(huán)方式和強(qiáng)制循環(huán)方式進(jìn)行了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對比分析。分析結(jié)果表明：在目前熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站采用高溫、超高壓參數(shù)下，自然循環(huán)方式及強(qiáng)制循環(huán)方式技術(shù)路線均能滿足熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站蒸發(fā)換熱的需求，且在國內(nèi)第1批已建成的熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中均有成功應(yīng)用案例。但若選擇強(qiáng)制循環(huán)方式，在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)將強(qiáng)制循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境作為重點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

結(jié)合國內(nèi)目前已建成項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢，以熔鹽為儲熱介質(zhì)的塔式太陽能熱發(fā)電站的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的出口主蒸汽壓力在亞臨界以下(＜16 MPa)時(shí)，從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行維護(hù)方面綜合考慮，推薦蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的水循環(huán)方式采用自然循環(huán)方式。本文研究結(jié)果可為熔鹽塔式太陽能熱發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供參考。