光熱電站蒸汽發(fā)生器（SGS）系統(tǒng)配置選擇

黃艷昆

摘要：蒸汽發(fā)生系統(tǒng)（SGS）用于將光場(chǎng)收集的熱量傳遞給高壓給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能，其主要設(shè)備包括：過熱器、再熱器、蒸發(fā)器（含汽包）和預(yù)熱器，統(tǒng)稱蒸汽發(fā)生器（Steam Genarator System，SGS）。蒸汽發(fā)生器是光熱電站的重要設(shè)備之一，其配置方案影響整個(gè)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、啟動(dòng)運(yùn)行的可靠性以及投資成本。本專題從單雙列SGS設(shè)計(jì)、設(shè)備本體設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性等方便進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：光熱電站;蒸汽發(fā)生器;系統(tǒng)配置

1單列SGS與雙列SGS系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比

對(duì)于單列（100%）SGS系統(tǒng)，熔鹽側(cè)高溫熔鹽565℃并聯(lián)進(jìn)入過熱器和再熱器，匯合后再進(jìn)入蒸發(fā)器和預(yù)熱器，完成換熱的熔鹽溫度降至約290℃返回冷鹽罐;汽水側(cè)從發(fā)電單元來的給水以250℃的溫度進(jìn)入蒸汽發(fā)生器（除再熱器），與565℃高溫熔鹽換熱，生成過熱蒸汽（主蒸汽）進(jìn)入汽輪機(jī)做功。高壓缸排出的冷再熱蒸汽，進(jìn)入再熱器與高溫熔鹽換熱，生成熱再熱蒸汽再次進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電。

對(duì)于雙列（2×50%）SGS系統(tǒng)，熔鹽側(cè)高溫熔鹽565℃并聯(lián)進(jìn)入A列的過熱器A和再熱器A、以及B列的過熱器B和再熱器B，經(jīng)過過熱器和再熱器的熔鹽匯合后，進(jìn)入各列蒸發(fā)器后經(jīng)預(yù)熱器完成換熱，完成換熱后的熔鹽需獨(dú)立返回冷鹽罐;汽水側(cè)從常規(guī)島來的給水以約250℃的溫度并聯(lián)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器A/B列（除再熱器），與565℃高溫熔鹽換熱，過熱器A/B出口過熱蒸汽匯合后進(jìn)入汽輪機(jī)做功。高壓缸排出的冷再熱蒸汽，并聯(lián)進(jìn)入再熱器A/B與高溫熔鹽換熱，產(chǎn)生過熱蒸汽（再熱蒸汽）匯合后再次進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電。

雙列SGS系統(tǒng)存在熔鹽、水流量分配控制問題，過熱器（再熱器）A、B出口蒸汽溫度同步控制等問題，對(duì)整個(gè)SGS系統(tǒng)控制要求高，較單列更為復(fù)雜。但優(yōu)勢(shì)在于，任意一臺(tái)設(shè)備故障，只需切除故障列SGS，機(jī)組可維持50%負(fù)荷運(yùn)行，無需停機(jī)，但前提是需要設(shè)置完備的汽水側(cè)及熔鹽側(cè)隔離閥。單列SGS工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單，但當(dāng)任意一臺(tái)設(shè)備（除再熱器）故障，將需要停機(jī)檢修。

2蒸汽發(fā)生器設(shè)備設(shè)計(jì)

蒸汽發(fā)生器是一組換熱器，用于將高溫熔鹽熱量傳遞給水/蒸汽，產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽。就換熱器本身而言，是一種常見的、成熟的工業(yè)過程設(shè)備，但高溫熔鹽的特殊物性及太陽能運(yùn)行工況的特殊性賦予了蒸汽發(fā)生器新的特性。蒸汽發(fā)生器的合理設(shè)計(jì)、選材、選型和制造對(duì)整個(gè)光熱電站有著非常重要的意義。目前，蒸汽發(fā)生器的主流設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均選用管殼式換熱器，因?yàn)楣軞な綋Q熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，材料適應(yīng)性廣，能在高溫、高壓下使用等優(yōu)勢(shì)，但具體型式依據(jù)換熱器的運(yùn)行壓力、溫度、介質(zhì)特性等有所不同。如過熱器和再熱器進(jìn)出口蒸汽溫差較大，約230℃，通常選用U管U殼式換熱器（即發(fā)卡式）;蒸發(fā)器中介質(zhì)存在相變，從水動(dòng)力角度將，通常選用汽包式或釜式，從蒸發(fā)器設(shè)備結(jié)構(gòu)來講可采用U管直殼，也有采用U管U殼設(shè)計(jì)，蛇形管，立式或臥式均有，就目前國內(nèi)市場(chǎng)上，U管直殼汽包式較為普遍;預(yù)熱器為熔鹽與水換熱，通常選用U管直殼式換熱器或U管U殼式。杭州鍋爐集團(tuán)有限公司為本工程提供的過熱器和再熱器均為發(fā)卡式，蒸發(fā)器為帶汽包的臥式管殼式換熱器，預(yù)熱器為U管直殼式換熱器。杭州鍋爐集團(tuán)有限公司表示對(duì)于50MW光熱工程，單列（100%）或雙列（2×50%）蒸汽發(fā)生器設(shè)備設(shè)計(jì)能力和制造技術(shù)難度是一樣的，均可以保證其運(yùn)行安全性。

3關(guān)于自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)選擇

對(duì)于熔鹽蒸汽發(fā)生器，從結(jié)構(gòu)形似可以分為：集箱式蒸發(fā)器和U 形管殼式蒸發(fā)器。

集箱式蒸發(fā)器即進(jìn)、出口集箱上分別連接換熱管。集箱式蒸發(fā)器為了解決膨脹的問題，換熱管通常為蛇形管。換熱管為蛇形管設(shè)計(jì)中，若熔鹽走管側(cè)，復(fù)雜的蛇形管設(shè)計(jì)不利于停機(jī)疏鹽，影響到系統(tǒng)的安全運(yùn)行，故該結(jié)構(gòu)不適用。

若集箱式蒸發(fā)器采用水及蒸汽走管側(cè)，需強(qiáng)制循環(huán)泵以增加汽水循環(huán)的動(dòng)力，且蛇形管的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，汽水阻力大，需要強(qiáng)制循環(huán)泵提供驅(qū)動(dòng)力。但目前高溫循環(huán)泵使用業(yè)績(jī)少，成本高，穩(wěn)定性和可靠性偏低，這樣一來采用強(qiáng)制循環(huán)泵，一方面增大設(shè)備投資、另一方面增加廠用電、還影響到蒸發(fā)器工作的可靠性。

U 形管殼式蒸發(fā)器，有立式和臥式布置2 種方式。采用立式布置，蒸發(fā)器的高度通常會(huì)達(dá)到甚至超過15 米，這樣會(huì)給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)平臺(tái)的布置帶來挑戰(zhàn)，同時(shí)立式布置的支撐復(fù)雜，穩(wěn)定性也低于臥式布置;立式布置的管殼式蒸發(fā)器，在頂部有通氣閥布置的前提下，會(huì)使疏鹽加快，但若沒有通氣閥，在疏鹽過程也可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓阻塞。;立式布置的管殼式蒸發(fā)器需采用浮頭式或固定管板+殼體膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)形式。浮頭式換熱器相對(duì)其他換熱器增加了浮頭側(cè)泄漏點(diǎn)，固定管板+殼體膨脹節(jié)的換熱器則膨脹節(jié)在高溫且頻繁變動(dòng)的結(jié)構(gòu)中運(yùn)用不合適。

對(duì)于臥式、U 型管束、管殼式布置的蒸發(fā)器，通過給水下降管、汽水聯(lián)通管與上部的汽包連接成一個(gè)整體。蒸發(fā)器內(nèi)完成給水的蒸發(fā)過程，并在汽包內(nèi)完成汽水分離，汽包內(nèi)保持一定的液位還可以增加系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

U 形管殼式蒸發(fā)器同樣也分為管內(nèi)和管外蒸發(fā)兩種形式。若采用管內(nèi)蒸發(fā)則有效的解決管板的溫差問題，使整個(gè)管板處于同一金屬溫度，運(yùn)行穩(wěn)定。但是管內(nèi)蒸發(fā)需考慮汽水側(cè)阻力，采用強(qiáng)制循環(huán)則面臨循環(huán)泵選型困難的問題。海西光熱項(xiàng)目即采用此種方案（仿照NOORIII項(xiàng)目），強(qiáng)制循環(huán)泵故障多，可靠性差，建議在后續(xù)項(xiàng)目中采用自然循環(huán)方式。若采用管外蒸發(fā)，則熔鹽走管內(nèi)，而管板的金屬溫度由管內(nèi)的介質(zhì)溫度決定，介質(zhì)進(jìn)、出溫差大則導(dǎo)致管板在U 形管的進(jìn)口端和出口端溫差大，不利于管子與管板的焊縫質(zhì)量。目前國內(nèi)廠家可以做到綜合以上兩種型式的優(yōu)點(diǎn)，管內(nèi)蒸發(fā)+自然循環(huán)方式，并且建議后續(xù)項(xiàng)目也采用此種方案。

4結(jié)論

通過以上對(duì)50MW光熱電站蒸汽發(fā)生器的分析，以及單列SGS和雙列SGS的技術(shù)比較，得出以下結(jié)論：

（1）單列SGS和雙列SGS的制造工藝都是可行的。

（2）最重要的，從運(yùn)維角度考慮，由于單列熔鹽管道、給水管道和蒸汽管道均為單路，相對(duì)雙列SGS，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行控制較方便。

（3）采用自然循環(huán)管內(nèi)蒸發(fā)方案。

綜上所述，從工程設(shè)計(jì)及電站運(yùn)維角度，結(jié)合近期國際上幾個(gè)塔式熔鹽電站的設(shè)計(jì)理念，建議采用100%容量的單列SGS，自然循環(huán)管內(nèi)蒸發(fā)方案方案。