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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

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

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

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是熔鹽太陽(yáng)能發(fā)電站的核心系統(tǒng)之一，熔鹽作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，不能直接進(jìn)入汽輪機(jī)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(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)能否安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)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(jìn)而影響電廠的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是整個(gè)熔鹽工質(zhì)塔式熱發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

太陽(yáng)能熱電站在其運(yùn)行壽命內(nèi)根據(jù)太陽(yáng)資源進(jìn)行滿負(fù)荷或者部分負(fù)荷運(yùn)行，且汽輪機(jī)每天啟動(dòng)和停機(jī)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的換熱設(shè)備必須滿足不同負(fù)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(diǎn)）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(yùn)行條件對(duì)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高要求。文獻(xiàn)［1-4］進(jìn)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(duì)熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)熔鹽與水工質(zhì)之間的熱交換，產(chǎn)生符合汽輪機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行，設(shè)備還包括防凝伴熱、啟動(dòng)預(yù)熱、低負(fù)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(huì)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(dòng)，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(wú)需強(qiáng)制循環(huán)泵即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，降低系統(tǒng)投資運(yùn)行維護(hù)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)以上。選用不銹鋼礦物絕緣電伴熱，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段可將空熔鹽管道、閥門及設(shè)備在一定時(shí)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(yùn)行過程中，電伴熱帶可耐溫至系統(tǒng)運(yùn)行最高溫；系統(tǒng)停運(yùn)但在不排鹽時(shí)，可維持系統(tǒng)溫度在290 ℃。

1.3 啟動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)水側(cè)系統(tǒng)的預(yù)熱，設(shè)置啟動(dòng)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(dòng)循環(huán)管路。

電加熱器為啟動(dòng)循環(huán)提供熱量來(lái)源，啟動(dòng)循環(huán)泵為循環(huán)過程提供循環(huán)動(dòng)力。

啟動(dòng)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(fù)荷預(yù)熱器

由于熔鹽結(jié)晶點(diǎn)為238 ℃，而在低負(fù)荷工況，給水溫度遠(yuǎn)低于此溫度，為了防止低負(fù)荷階段，低于熔鹽結(jié)晶點(diǎn)的給水進(jìn)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(xiǎn)，需要從系統(tǒng)上保證進(jìn)入預(yù)熱器的給水溫度高于熔鹽結(jié)晶點(diǎn)?？赏ㄟ^增加低負(fù)荷預(yù)熱器，利用主蒸汽加熱給水，主蒸汽降溫凝結(jié)后進(jìn)入除氧器或者機(jī)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(yùn)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(cè)排鹽管道安全運(yùn)行，配置熔鹽泵將系統(tǒng)排鹽送回熔鹽儲(chǔ)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(jìn)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(diǎn)設(shè)置排鹽口，并連接設(shè)備排鹽管路至熔鹽側(cè)最低點(diǎn)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(jì)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(tái)或地面上；汽水、熔鹽管道采用吊掛裝置進(jìn)行固定；閥門、儀表設(shè)置專門的檢修平臺(tái)。

系統(tǒng)鋼構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)，露天布置，也可設(shè)計(jì)封閉型式。主要構(gòu)件的材料采用抗蝕的高強(qiáng)度低合金鋼，構(gòu)件的接頭采用扭剪型高強(qiáng)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(yùn)行。

2 系統(tǒng)流程

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

2.1 水側(cè)流程

正常運(yùn)行工況下。來(lái)自高壓加熱器的給水流經(jīng)預(yù)熱器，進(jìn)入汽包，經(jīng)下降管進(jìn)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(jìn)行汽水分離，飽和水與給水混合后經(jīng)汽包下降管進(jìn)入蒸發(fā)器，飽和汽則進(jìn)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(jī)高壓缸做功。過熱蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸做完功后，其排汽進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)再熱器，再次經(jīng)高溫熔鹽加熱后進(jìn)入汽輪機(jī)中、低壓缸繼續(xù)做功［8］。

初始啟動(dòng)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(dòng)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(shí)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(diǎn)以上之后，啟動(dòng)給水泵及熔鹽泵，調(diào)節(jié)給水流量、熔鹽流量、熔鹽溫度進(jìn)行匹配換熱，在產(chǎn)生汽機(jī)暖機(jī)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(jí)串聯(lián)旁路排出。

系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行工況下。當(dāng)給水溫度低于熔鹽凝固點(diǎn)時(shí)，利用部分過熱蒸汽進(jìn)入低負(fù)荷預(yù)熱器實(shí)現(xiàn)給水溫度的提升，避免熔鹽的凝固。

為了防止低負(fù)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(jìn)入汽包。

2.2 鹽側(cè)流程

來(lái)自高溫儲(chǔ)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(chǔ)罐。進(jìn)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(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

對(duì)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(jìn)入過熱器及再熱器的熔鹽溫度。低溫熔鹽來(lái)自低溫儲(chǔ)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(chǎng)所要求設(shè)計(jì)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(dòng)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(yùn)或事故工況排鹽時(shí)熔鹽從低溫段往高溫段排放，避免設(shè)備、管道超溫。

3）同時(shí)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(jiǎn)短并利于排鹽。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)預(yù)熱、低負(fù)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(yùn)行。系統(tǒng)采取低位分層布置，熔鹽依靠重力排凈。