張榮發(fā)

(上海電氣電站工程公司，上海 201199)

0 前 言

隨著我國(guó)對(duì)新能源項(xiàng)目的支持與推進(jìn)，太陽(yáng)能熱發(fā)電(Concentrating solar power plant, 簡(jiǎn)稱(chēng)CSP)項(xiàng)目越來(lái)越走近大家的視野，目前商業(yè)運(yùn)行比較成熟，機(jī)組容量較大的為采用塔式和槽式技術(shù)的光熱機(jī)組，目前世界上塔式單臺(tái)機(jī)組最大的容量可以做到150 MW，而槽式機(jī)組則可以做到200 MW。發(fā)電機(jī)組能否可靠運(yùn)行是一個(gè)項(xiàng)目是否成功的重要指標(biāo)，也是直接關(guān)系到了機(jī)組的發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益，因此非常有必要對(duì)機(jī)組的可靠性進(jìn)行研究。在塔式和槽式光熱機(jī)組中，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是機(jī)組的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，也是出現(xiàn)故障較多的系統(tǒng)。因此本文追根溯源，從光熱發(fā)電機(jī)組整體設(shè)計(jì)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行以及換熱器本體優(yōu)化等角度進(jìn)行研究，尋求可以提高蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，進(jìn)而提高光熱電站運(yùn)行的可靠性的辦法。

1 典型的塔式與槽式帶儲(chǔ)熱光熱機(jī)組工作原理

如圖1所示，塔式機(jī)組主要由鏡場(chǎng)、吸熱塔、熱熔鹽罐、熱熔鹽罐、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及空冷島等關(guān)鍵部件組成，并由這些部件形成機(jī)組發(fā)電最主要的熔鹽循環(huán)和汽水循環(huán)。熔鹽循環(huán)為冷熔鹽從冷熔鹽罐通過(guò)冷泵送到吸熱塔上的吸熱器吸收由鏡場(chǎng)集中反射的太陽(yáng)能后變成熱熔鹽，然后送到熱熔鹽罐，之后熱熔鹽從熱熔鹽罐通過(guò)熱泵送到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行放熱變成冷熔鹽回到冷熔鹽罐。汽水循環(huán)為給水通過(guò)給水泵送到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)吸收熱熔鹽的熱能變成蒸汽后送到汽輪機(jī)進(jìn)行做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，蒸汽在做功后變成乏汽經(jīng)過(guò)空冷島冷卻后冷凝回水。塔式機(jī)組通過(guò)熔鹽和汽水這兩個(gè)主要的循環(huán)完成從太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)化。

圖1 塔式機(jī)組工作原理示意圖

如圖2 所示，槽式機(jī)組主要由鏡場(chǎng)(包含了吸熱器)、熱熔鹽罐、熱熔鹽罐、油鹽換熱器、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及空冷島等關(guān)鍵部件組成，與塔式機(jī)組相比汽水循環(huán)基本相同，但是主要循環(huán)由熔鹽循環(huán)變成了導(dǎo)熱油循環(huán)，吸熱器被包含在了鏡場(chǎng)中，熔鹽系統(tǒng)變成熔鹽在冷熔鹽罐、油鹽換熱器以及熱熔鹽罐之前來(lái)回切換。導(dǎo)熱油循環(huán)的一種模式(充熱模式)為冷導(dǎo)熱油通過(guò)導(dǎo)熱油泵送到鏡場(chǎng)的吸熱器吸收太陽(yáng)能變成熱導(dǎo)熱油，熱導(dǎo)熱油將分成兩路，一路直接送到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)加熱給水變成蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，另一路則是送到油鹽換熱器加熱熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)能，兩路熱導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)放熱冷卻后變成冷導(dǎo)熱油又回到鏡場(chǎng)進(jìn)行加熱。到了夜間，導(dǎo)熱油循環(huán)的另一種模式(放熱模式)為冷導(dǎo)熱油通過(guò)導(dǎo)熱油泵送到油鹽換熱器吸收熱熔鹽中白天存儲(chǔ)的熱能變成熱導(dǎo)熱油，之后熱導(dǎo)熱油被送到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行熱能交換變回冷導(dǎo)熱油。熱熔鹽則變成冷熔鹽回到冷熔鹽罐中。槽式機(jī)組通過(guò)導(dǎo)熱油循環(huán)、汽水循環(huán)以及熔鹽系統(tǒng)完成了從太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)化。

圖2 槽式機(jī)組工作原理示意圖

2 典型的塔式與槽式機(jī)組蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

從塔式和槽式機(jī)組的工作原理，我們可以看出無(wú)論是塔式還是槽式機(jī)組，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)都是兩個(gè)主要循環(huán)的紐帶，在不同的導(dǎo)熱介質(zhì)之間起著熱能交換的作用。其功能類(lèi)似于傳統(tǒng)火電機(jī)組中的鍋爐，在不同機(jī)組中功能相同，但又各有不同。塔式機(jī)組的熔鹽循環(huán)導(dǎo)熱介質(zhì)是采用重量比例分別為60%的硝酸鈉(NaNO3)和40%的硝酸鉀(KNO3)進(jìn)行混合而成的熔鹽(Molten salt, 簡(jiǎn)稱(chēng)MS)，使用溫度可以達(dá)到560℃，同樣冷凝結(jié)晶的溫度也較高為238℃。而槽式機(jī)組的導(dǎo)熱油循環(huán)采用的是導(dǎo)熱油(Heat transfer fluid oil，簡(jiǎn)稱(chēng)HTF)，目前市場(chǎng)上使用較多的品牌為T(mén)herminol VP-1或者DowthermTMA，使用溫度范圍為15-393 ℃。也正是導(dǎo)熱介質(zhì)的不同帶來(lái)塔式與槽式機(jī)組蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的諸多不同。

2.1 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成與工藝流程

從熱能傳遞的角度，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要由一系列的換熱器和管道組成。目前較為成熟的一次再熱的機(jī)組主要由省煤器、蒸發(fā)器、汽包、過(guò)熱器以及再熱器組成。不同的機(jī)組，設(shè)備和工藝流程也稍有不同。

如圖3所示，塔式機(jī)組中，熱熔鹽由熔鹽泵從熱熔鹽罐泵出后同時(shí)進(jìn)入過(guò)熱器與再熱器，之后匯合進(jìn)入到蒸發(fā)器，最后再到預(yù)熱器，從預(yù)熱器放熱完成后回到冷熔鹽罐。冷導(dǎo)熱介質(zhì)給水的流動(dòng)方向正好與熔鹽相反，給水從預(yù)熱器開(kāi)始進(jìn)入系統(tǒng)，之后進(jìn)入汽包，在汽包和蒸發(fā)器之間循環(huán)蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽再進(jìn)入過(guò)熱器加熱成過(guò)熱蒸汽，即為主蒸汽，主蒸汽通到汽機(jī)高壓缸進(jìn)行做功后變成冷再蒸汽又回到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的再熱器進(jìn)行加熱，再次加熱的熱再蒸汽將通到汽機(jī)低壓缸做功。為了防止熔鹽的冷凝，系統(tǒng)中還需增設(shè)啟動(dòng)加熱器和省煤器循環(huán)泵來(lái)預(yù)熱進(jìn)入省煤器的給水，使其溫度高于熔鹽的冷凝溫度。得益于熔鹽可達(dá)到的高溫560 ℃，主汽和再熱的溫度可以達(dá)到555 ℃的高參數(shù)，而且由于主蒸汽壓力溫度參數(shù)已處于亞臨界參數(shù)，所以通常塔式機(jī)組都增設(shè)強(qiáng)制循環(huán)泵，使給水在蒸發(fā)器換熱管內(nèi)之間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)。

圖3 塔式機(jī)組蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成與工藝流程

如圖4所示槽式機(jī)組相較于塔式機(jī)組不同之處在于，熱導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱油同時(shí)進(jìn)入過(guò)熱器與再熱器，進(jìn)入過(guò)熱器的一路導(dǎo)熱油進(jìn)入蒸發(fā)器，再到預(yù)熱器，從預(yù)熱器放熱完成后回到系統(tǒng)管路中；進(jìn)入再熱器的一路導(dǎo)熱油則在再熱器中加熱冷再蒸汽后直接進(jìn)入到系統(tǒng)中并在系統(tǒng)中預(yù)熱器出口的導(dǎo)熱油進(jìn)行混合。相較于塔式機(jī)組，由于導(dǎo)熱油的使用溫度限制，導(dǎo)熱油進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的溫度為391 ℃，機(jī)組主汽的溫度可以達(dá)到385 ℃，在此壓力溫度條件下，汽包和蒸發(fā)器之間的汽水循環(huán)比較容易建立，故槽式機(jī)組多使用自然循環(huán)。

圖4 槽式機(jī)組蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成與工藝流程

2.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的換熱器

從蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成可以看出換熱器是蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的核心設(shè)備，塔式機(jī)組的換熱器是熔鹽和水進(jìn)行熱能換熱，槽式機(jī)組是導(dǎo)熱油和水進(jìn)行熱能換熱。如表1，典型的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)換熱器多采用管板U形管的管殼式換熱器，針對(duì)進(jìn)出口溫度差較大的設(shè)備采用發(fā)卡式換熱器，例如塔式機(jī)組中過(guò)熱器與再熱器，槽式機(jī)組中的再熱器。

表1 典型的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)換熱器型式

從蒸汽發(fā)生系統(tǒng)工藝流程上，塔式機(jī)組使用的是熔鹽，由于有凝固的風(fēng)險(xiǎn)，熔鹽都被設(shè)置在換熱器的殼側(cè)，而且由于采用強(qiáng)制循環(huán)，針對(duì)蒸發(fā)器，給水通常也需要設(shè)置在管側(cè)。槽式機(jī)組則不同，由于是自然循環(huán)，導(dǎo)熱油設(shè)置在蒸發(fā)器管側(cè)，給水在殼側(cè)蒸發(fā)，而其他換熱器則正好相反。

從換熱器的選材上，塔式機(jī)組由于熔鹽的溫度已達(dá)到560 ℃的高溫，且高溫熔鹽具有腐蝕性，因此可選擇的材料較少，目前通常過(guò)熱器、再熱器以及蒸發(fā)器都需要采用347H不銹鋼材料。而省煤器中的熔鹽由于經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器的冷卻，溫度已經(jīng)降低，與槽式機(jī)組的換熱器選材類(lèi)似，多采用管殼式換熱器較為常規(guī)的碳鋼或者低合金鋼材料，例如筒身、封頭多采用SA516 gr. 70 、SA/GB 713-Q345R或者 SA-533 Gr.B Cl.2, 管板采用SA350 F2 CL2或者SA-508 Gr.3鍛件，換熱管則可采用SA556 Gr C2或者SA-210-A1 等。

2.3 光熱機(jī)組蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的運(yùn)行不穩(wěn)定性

無(wú)論是塔式還是槽式光熱機(jī)組，運(yùn)行時(shí)都會(huì)受到天氣的影響，無(wú)法做到與傳統(tǒng)火電機(jī)組一樣的穩(wěn)定。如白天未能存儲(chǔ)足夠的熱量，則每天機(jī)組都可能需要關(guān)停與重新啟動(dòng)；由于鏡場(chǎng)的占地面積較大，局部地方也會(huì)受到云朵與風(fēng)沙的影響，從而影響吸熱器吸收太陽(yáng)能，也會(huì)對(duì)機(jī)組的負(fù)荷造成影響。針對(duì)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，塔式機(jī)組的熱源是來(lái)自熱熔鹽罐，并非直接來(lái)自鏡場(chǎng)，有了這層緩沖，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)相較于槽式機(jī)組會(huì)穩(wěn)定一些，白天和夜間機(jī)組運(yùn)行可達(dá)到的最大負(fù)荷也是一致的。而槽式機(jī)組在白天直接采用鏡場(chǎng)能量發(fā)電時(shí)就會(huì)直接受到受天氣的影響，而且由于在夜間需要通過(guò)熱能需要通過(guò)熔鹽傳遞給導(dǎo)熱油，會(huì)存在一定溫度損失，夜間機(jī)組能達(dá)到的最大負(fù)荷會(huì)低于白天的最大負(fù)荷。

3 提高塔式與槽式光熱機(jī)組提高蒸汽發(fā)生系統(tǒng)可靠性

通過(guò)對(duì)塔式與槽式光熱機(jī)組工作原理以及蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的了解，可以在機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行以及換熱器本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)角度出發(fā)，研究提高可靠性的一些可行性。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)塔式機(jī)組，熔鹽循環(huán)比較簡(jiǎn)單，但是汽水循環(huán)比較復(fù)雜，既要增加強(qiáng)制循環(huán)泵保證汽水在蒸發(fā)器中的強(qiáng)制循環(huán)，又需要防止熔鹽凝結(jié)，增加省煤器循環(huán)泵、啟動(dòng)加熱器等的設(shè)備。設(shè)備越多，出現(xiàn)故障的概率就越高。如圖5所示，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，可以采取以下的改變：1)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，提高各級(jí)高壓加熱器的出力，使進(jìn)入到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的給水也就是省煤器進(jìn)口的給水溫度從230 ℃增加到250 ℃；2)在壓力條件允許下，更改強(qiáng)制循環(huán)為自然循環(huán)或其他形式，這樣系統(tǒng)也可大大簡(jiǎn)化，提升可靠性。

圖5 優(yōu)化后塔式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成與工藝流程

針對(duì)槽式機(jī)組，能量從太陽(yáng)能傳到導(dǎo)熱油，然后傳遞到熔鹽，之后又傳遞到導(dǎo)熱油，最后才傳遞給給水，此過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，每一次的傳遞意味著能量的損失、設(shè)備的增加和系統(tǒng)的不穩(wěn)定。如圖6所示，一種比較大膽的想法為更換鏡場(chǎng)中的導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱油為熔鹽，同時(shí)與塔式機(jī)組一樣，先用熱熔鹽罐存儲(chǔ)熱熔鹽作為緩沖，之后再?gòu)臒崛埯}罐中泵出熱熔鹽到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)放熱，提高可靠性的同時(shí)有望提高鏡場(chǎng)出口的熱導(dǎo)熱介質(zhì)溫度，提高機(jī)組的效率。

圖6 優(yōu)化后槽式機(jī)組工作原理

3.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)行注意事項(xiàng)

針對(duì)典型的塔式與槽式光熱機(jī)組，由于可能每天都需要啟停，為了防止換熱器的泄漏，就需要蒸汽發(fā)生系統(tǒng)所有的換熱器都運(yùn)行在設(shè)備本身可接受的范圍，熱沖擊不超過(guò)250 ℃、溫升速率不超過(guò)10 ℃/min以及介質(zhì)流量不超過(guò)額定值等。這不僅需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每個(gè)換熱器的進(jìn)口設(shè)置足夠的壓力與溫度測(cè)點(diǎn)，設(shè)定好合理的跳機(jī)值，也需要操作人員在運(yùn)行做出正確的判斷進(jìn)行操作，以保護(hù)設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

塔式機(jī)組由于熔鹽本身凝結(jié)溫度高的特性，因此運(yùn)行時(shí)需對(duì)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。對(duì)整個(gè)熔鹽系統(tǒng)采用電伴熱進(jìn)行預(yù)熱，溫度不低于260 ℃，同時(shí)電伴熱預(yù)熱的速度不能太高，通常不超過(guò)12 ℃/hr，否則會(huì)對(duì)換熱器設(shè)備造成損壞。給水系統(tǒng)采用輔助鍋爐或電加熱器來(lái)進(jìn)行預(yù)熱保證進(jìn)入預(yù)熱器的給水溫度不低于250 ℃。另外由于現(xiàn)有的塔式機(jī)組的蒸發(fā)器換熱器管采用的是TP347H的不銹鋼管，需特別注意給水水質(zhì)的要求。這是由于不銹鋼的換熱管對(duì)cl離子較為敏感，而蒸發(fā)器和汽包之間給水由于蒸汽的蒸發(fā)，氯離子會(huì)逐漸的濃縮，如果氯離子達(dá)到一定的濃度(>1 μg/L，目前還沒(méi)有確切的數(shù)值研究)就很容易發(fā)生換熱管的應(yīng)力腐蝕，造成換熱管破壞。因此首先需注意補(bǔ)水的水質(zhì)，氯離子不應(yīng)超過(guò)3 μg/L，同時(shí)需及時(shí)的排污，以減少氯離子的富集，避免造成不可挽回的情況。

槽式機(jī)組的換熱器由于一側(cè)是導(dǎo)熱油，一側(cè)是給水，在運(yùn)行時(shí)需注意給水側(cè)需提前于導(dǎo)熱油側(cè)運(yùn)行。水側(cè)注水至汽包最低水位后就可以開(kāi)始注入導(dǎo)熱油，之后給水隨著導(dǎo)熱油逐步提高溫度而提高溫度直至達(dá)到到額定的運(yùn)行負(fù)荷工況。

3.3 蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)換熱器本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)換熱器本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)可靠性最直接的方式。傳統(tǒng)的管板式換熱器由于換熱管與管板角接的連接形式造成在進(jìn)出口導(dǎo)熱介質(zhì)溫差較大、長(zhǎng)期變負(fù)荷的情況下就容易出現(xiàn)連接方式的失效，從而導(dǎo)致泄漏。而光熱機(jī)組每日啟停、不穩(wěn)定運(yùn)行的特性就對(duì)換熱器提出更高的要求，因此蛇形管集箱式的換熱器可能更適合于運(yùn)用到光熱項(xiàng)目。蛇形管集箱式換熱器集箱與蛇形管之間采用對(duì)接的連接形式，而且對(duì)接后可以進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)，可進(jìn)一步提高焊接的可靠性。較好的管板式換熱器溫升溫降速率可以做到10 ℃/min，而蛇形管換熱器可以做到15 ℃/min甚至25 ℃/min。

另外由于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)采購(gòu)成本占總成本的比例并不高，在條件允許的情況下，適當(dāng)?shù)奶岣邠Q熱管的壁厚裕量可以在一定的程度上抵抗泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，特別是蛇形管換熱器這種采用對(duì)接型式的換熱器。

4 總 結(jié)

通過(guò)了解塔式與槽式光熱機(jī)組的工作原理，對(duì)比不同機(jī)組蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成、工藝流程、系統(tǒng)運(yùn)行以及核心設(shè)備換熱器的異同，為了保證蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提高可靠性可以從以下幾方面入手：

1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整，更改導(dǎo)熱介質(zhì)等方式以減少設(shè)備簡(jiǎn)化系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2) 運(yùn)行優(yōu)化，機(jī)組運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格遵守不同傳熱介質(zhì)、不同類(lèi)型換熱器在運(yùn)行時(shí)需注意的熱沖擊限值、溫升速率限值以及最大流量限值，嚴(yán)格控制系統(tǒng)運(yùn)行的水質(zhì)要求。

3)換熱器本體設(shè)計(jì)優(yōu)化，在成本可控的條件下選擇蛇形管式的換熱器，同時(shí)適度考慮增加換熱管的壁厚裕量來(lái)增加設(shè)備的可靠性。