塔式與槽式光熱電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)可靠性研究

張榮發(fā)

(上海電氣電站工程公司，上海 201199)

0 前 言

隨著我國對新能源項(xiàng)目的支持與推進(jìn)，太陽能熱發(fā)電(Concentrating solar power plant, 簡稱CSP)項(xiàng)目越來越走近大家的視野，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、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冷泵送到吸熱塔上的吸熱器吸收由鏡場集中反射的太陽能后變成熱熔鹽，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)行做功并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，蒸汽在做功后變成乏汽經(jīng)過空冷島冷卻后冷凝回水。塔式機(jī)組通過熔鹽和汽水這兩個(gè)主要的循環(huán)完成從太陽能到電能的轉(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(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)熱油通過導(dǎo)熱油泵送到鏡場的吸熱器吸收太陽能變成熱導(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)行儲能，兩路熱導(dǎo)熱油經(jīng)過放熱冷卻后變成冷導(dǎo)熱油又回到鏡場進(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)熱油通過導(dǎo)熱油泵送到油鹽換熱器吸收熱熔鹽中白天存儲的熱能變成熱導(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, 簡稱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，簡稱HTF)，目前市場上使用較多的品牌為Therminol 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)給水的流動方向正好與熔鹽相反，給水從預(yù)熱器開始進(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)入過熱器加熱成過熱蒸汽，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)啟動加熱器和省煤器循環(huán)泵來預(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)入過熱器與再熱器，進(jìn)入過熱器的一路導(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

無論是塔式還是槽式光熱機(jī)組，運(yùn)行時(shí)都會受到天氣的影響，無法做到與傳統(tǒng)火電機(jī)組一樣的穩(wěn)定。如白天未能存儲足夠的熱量，則每天機(jī)組都可能需要關(guān)停與重新啟動；由于鏡場的占地面積較大，局部地方也會受到云朵與風(fēng)沙的影響，從而影響吸熱器吸收太陽能，也會對機(jī)組的負(fù)荷造成影響。針對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，塔式機(jī)組的熱源是來自熱熔鹽罐，并非直接來自鏡場，有了這層緩沖，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)相較于槽式機(jī)組會穩(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能量發(fā)電時(shí)就會直接受到受天氣的影響，而且由于在夜間需要通過熱能需要通過熔鹽傳遞給導(dǎo)熱油，會存在一定溫度損失，夜間機(jī)組能達(dá)到的最大負(fù)荷會低于白天的最大負(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

通過對塔式與槽式光熱機(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

針對塔式機(jī)組，熔鹽循環(huán)比較簡單，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

針對槽式機(jī)組，能量從太陽能傳到導(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，此過程過于復(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，先用熱熔鹽罐存儲熱熔鹽作為緩沖，之后再從熱熔鹽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250 ℃、溫升速率不超過10 ℃/min以及介質(zhì)流量不超過額定值等。這不僅需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對每個(gè)換熱器的進(jìn)口設(shè)置足夠的壓力與溫度測點(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)需對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。對整個(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12 ℃/hr，否則會對換熱器設(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)

通過對換熱器本體進(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接的連接形式，而且對接后可以進(jìn)行100%無損檢測，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接型式的換熱器。

4 總 結(jié)

通過了解塔式與槽式光熱機(jī)組的工作原理，對比不同機(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增加設(shè)備的可靠性。