太陽能槽式熱發(fā)電蓄熱系統(tǒng)中油鹽換熱器的設(shè)計

陳娟（湖南漢華京電清潔能源科技有限公司 湖南長沙 410114）

太陽能是地球上分布最廣泛、使用最清潔，同時也是取之不竭的可再生能源，因此，太陽能利用是建設(shè)“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，保證國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展的重要舉措。

目前，國際上應(yīng)用太陽能發(fā)電主要有兩種形式：一是利用光伏電池直接將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的光電形式（亦即光伏發(fā)電）；二是將太陽光能量轉(zhuǎn)換成熱能然后發(fā)電的光熱電形式(亦即熱發(fā)電)。太陽能熱發(fā)電是通過太陽能使介質(zhì)產(chǎn)生高溫，然后利用常規(guī)的汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，可分為槽式線聚焦系統(tǒng)、碟式點(diǎn)聚焦系統(tǒng)、菲涅爾線聚焦系統(tǒng)和塔式固定目標(biāo)聚焦系統(tǒng)等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)相對最成熟，整體投資最少，經(jīng)濟(jì)效益最好，因而在三種聚光式發(fā)電中首先實現(xiàn)了商業(yè)化并在世界各地得到廣泛應(yīng)用。。

為克服太陽能熱發(fā)電中由于天氣變化造成的間歇性。實現(xiàn)全天候連續(xù)供電，最大程度發(fā)揮太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力、降低發(fā)電成本，聚光類太陽能熱發(fā)電裝置中一般都會配備儲熱系統(tǒng)或輔助熱源系統(tǒng)。其中儲熱系統(tǒng)把白天太陽輻射強(qiáng)時多余的熱量儲存起來，等晚上需要時再釋放出來發(fā)電，從而提高太陽能及其設(shè)備的總體利用率。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般采用導(dǎo)熱油作為吸熱介質(zhì)，熔融硝酸鹽作為蓄熱介質(zhì)，這就要求系統(tǒng)中有一個導(dǎo)熱油與熔融硝酸鹽之間的換熱裝置，這就是油鹽換熱器。

一、油鹽換熱器的特點(diǎn)

1.介質(zhì)

管程介質(zhì)：導(dǎo)熱油是一種(低共熔)共晶混合物，包括約73.5% 的聯(lián)苯醚和26.5%的聯(lián)苯，沸點(diǎn)254.25OC。在393OC時，密度約為700 k g/m3，比熱約2.6 k J/k g·K,在12OC凝結(jié)，易燃且有毒，在工作溫度接觸到空氣時可燃燒，溫度超過100℃時，可以觀察到氧化分解，屬第一組介質(zhì)。

殼程介質(zhì)：儲熱介質(zhì)為熔鹽（60%Na NO3，40%K NO3）混合物，具有吸濕特性。無機(jī)硝酸鹽混合物作為熱儲能系統(tǒng)的存儲介質(zhì)，有良好的傳熱和流體流動性能，同時有低成本、安全性、對環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)。

從介質(zhì)來看，管程介質(zhì)—導(dǎo)熱油為易燃有毒介質(zhì)，管程設(shè)計壓力為2.8 M Pa，如果PV≥50 M Pa·m3，則該換熱器屬于I I I類壓力容器，設(shè)計、制造、驗收的要求都相對要高。殼程介質(zhì)—熔融硝酸鹽在常溫下為固體，熔鹽的凝凍點(diǎn)是223℃-238℃。在任何情況下，都要避免熔鹽凝結(jié)，凝結(jié)可能會嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。為了避免熔鹽凝結(jié)，熔融鹽的溫度不低于260℃。

2.具有蓄熱和放熱的雙重作用特性

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的油鹽換熱器就是用來進(jìn)行蓄熱，即是在太陽能足夠時通過蓄熱系統(tǒng)將熱量貯存起來，當(dāng)太陽能不夠時再將存貯的熱量釋放出來，以保證太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)輸出。蓄熱時393℃的熱導(dǎo)熱油進(jìn)入蓄熱換熱系統(tǒng)將280℃的冷鹽加熱至380℃后送入熔鹽罐存貯起來；放熱時將熱熔鹽罐中380℃的熱熔鹽送入該換熱系統(tǒng)中將270℃的冷導(dǎo)熱油加熱至370℃后再進(jìn)入油水換熱器產(chǎn)生水蒸汽送入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。這就是油鹽換熱器系統(tǒng)所具有的蓄熱和放熱的雙重作用的特性。

在這個系統(tǒng)中，雖然同樣是導(dǎo)熱油在管程內(nèi)流過，熔鹽在殼程內(nèi)流過。但在蓄熱和放熱的兩個不同的過程中，冷介質(zhì)和熱介質(zhì)均是來自不同的設(shè)備，換熱后也去到不同的設(shè)備：蓄熱時熱介質(zhì)(導(dǎo)熱油)來自集熱器，換熱后被送到低位冷油槽，冷介質(zhì)(冷鹽)來自冷鹽罐，被加熱后被送到熱鹽罐；放熱時冷介質(zhì)(導(dǎo)熱油)來自低位冷油槽，換熱后被送到油水換熱器與水進(jìn)行換熱產(chǎn)生水蒸汽，冷介質(zhì)(熱熔鹽)來自熱鹽罐，與導(dǎo)熱油換熱后被送到冷鹽罐。因此，為了達(dá)到上述的蓄熱和放熱的雙重系統(tǒng)，需要很復(fù)雜的管路系統(tǒng)才能達(dá)到這樣的運(yùn)行效果和目的。

二、油鹽換熱器的設(shè)計

1.結(jié)構(gòu)型式的確定

蓄熱時導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度：393℃，出口溫度：290℃。熔融鹽進(jìn)口溫度：280℃，出口溫度：380℃。為了保證自始至終均有傳熱溫壓，換熱器采用了BFU的型式，采用6臺換熱器串聯(lián)的形式，傳熱溫壓如圖1所示：

圖1

2.材料的選用

導(dǎo)熱油易燃且有毒，無腐蝕性，但硝酸鹽具有一定的腐蝕性?；诖耍才c熔融鹽接觸的部分(含換熱管及殼程筒體)采用S30403的材料，其余不與熔鹽接觸的(含管程及管箱)均采用Q 245R的壓力容器專用材料。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)型式：由于采用6臺換熱器串聯(lián)，為了保證傳熱溫壓，換熱器采用了如圖2所示的BFU的型式：

圖2

（2）縱隔板的密封形式：

對于雙殼程換熱器，縱向隔板與殼體內(nèi)壁之間必須進(jìn)行密封，否則會發(fā)生程間短路現(xiàn)象。油鹽換熱器應(yīng)考慮抽出管束進(jìn)行清洗，故其縱隔板采用了彈簧密封板的形式，如圖3所示：

圖3

（3）折流板的結(jié)構(gòu)形式：

為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體盡量垂直沖刷管束，從而改善傳熱，增大管程流體的傳熱系數(shù)，油鹽換熱器的殼程設(shè)計了圓盤—圓環(huán)形的折流板。由于采用的是雙殼程換熱器，實際上折流板為半圓盤—半圓環(huán)形，如圖4所示：

圖4

（4）殼程進(jìn)出口的設(shè)計：

根據(jù)G B151-1999第5.11.2.1條，當(dāng)殼程進(jìn)口管流體的ρ ν2值為下列數(shù)值時，應(yīng)在殼程進(jìn)口管處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍玻?/p>

a)非腐蝕性、非磨蝕性的單相流體，ρ ν2＞2230 k g/(m·s2)者；

b)其他液體，包括沸點(diǎn)下的液體，ρ ν2＞740 k g/(m·s2)者。

要滿足上述條件，介質(zhì)確定以后ρ ν2僅決定于流體的流速。因此只要降低流體的流速即可達(dá)到上述不設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳臈l件，即可簡化換熱器的結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品制造成本。降低進(jìn)口管流體的流速，只有增大進(jìn)口管的管徑，在與管道連接時采用變徑接管即可，既可滿足進(jìn)口管流速低的要求，也可達(dá)到流體輸送管道不至于太大而造成管道材料的浪費(fèi)，如圖5所示：

圖5

三、油鹽換熱器的相關(guān)計算

1.油鹽換熱器的換熱計算

油鹽換熱器的換熱計算采用的是HTRI計算軟件，由于該軟件中沒有熔融硝酸鹽這種介質(zhì)，故采用了自定義介質(zhì)進(jìn)行計算。計算過程的換熱器串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示：

圖6

2.油鹽換熱器的強(qiáng)度計算

油鹽換熱器的強(qiáng)度計算按G B151-1999《管殼式換熱器》及G B150.1～150.4-2011《壓力容器》進(jìn)行計算。

在本系統(tǒng)中油鹽換熱器的特殊性是要根據(jù)太陽光日夜交替的周期性運(yùn)行的。即是白天太陽光照射時油鹽換熱器在蓄熱工況工作，到晚上無太陽光照射時，油鹽換熱器切換工作狀態(tài)，進(jìn)入放熱工況，直至蓄熱器內(nèi)的介質(zhì)存貯熱能全部釋放后油鹽換熱器內(nèi)介質(zhì)排空而停止工作。油鹽換熱器處于一個壓力、溫度日夜交替的工作過程，對油鹽換熱器進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核是必要的。

結(jié)束語

以上對太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng)蓄熱系統(tǒng)中的油鹽換熱器的設(shè)計進(jìn)行了初步說明，總結(jié)為油鹽換熱器的設(shè)計需從結(jié)構(gòu)選型、換熱計算及強(qiáng)度計算進(jìn)行必要的考慮，與普通換熱器的不同之處在于：介質(zhì)的特殊性、換熱工質(zhì)溫度差的特殊性、工作過程的特殊性等。