太陽能光熱發(fā)電中新型換熱器的設(shè)計研究

劉文佳

摘要：針對太陽能光熱發(fā)電中新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器，從設(shè)計角度出發(fā)分析了換熱器的設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)?；赥EMA標準釜式蒸發(fā)器的特點，對新型換熱器零件的材料和結(jié)構(gòu)進行了改進，對今后太陽能光熱發(fā)電中此類新型換熱器的設(shè)計和制造具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：太陽能;新型換熱器;設(shè)計

0 引言

對于太陽能光熱電站，通常都是采用傳統(tǒng)U型管換熱器，但目前有一種新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器已被成功開發(fā)應(yīng)用，它相對于傳統(tǒng)U型管換熱器具有以下明顯優(yōu)勢：（1）管束可充分自由收縮;（2）圓形集箱設(shè)計降低了熱應(yīng)力;（3）快速啟動：10 ℃/min;（4）鍋爐管外徑不小于30 mm，厚度不小于4 mm;（5）無須抽卸管束的空間，覆蓋區(qū)更小;（6）根據(jù)ABMA標準采用分離的蒸汽鍋筒，因鍋筒內(nèi)的雙級蒸汽分離裝置，蒸汽品質(zhì)高（對蒸汽輪機的運行非常重要）;（7）上下聯(lián)管產(chǎn)生至少15：1的自然循環(huán)。新型蛇形管換熱器主要包括兩個蒸發(fā)器換熱器和一個單獨的蒸汽鍋筒[1]，蒸汽鍋筒由外部的上下聯(lián)管連接到蒸發(fā)器，同時管束通常有3處通道口，因此較殼體具有更大的靈活性。此種蛇形管換熱器設(shè)計、制造及檢驗驗收都可滿足《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG G0001—2012）（以下簡稱《鍋規(guī)》）、ASME、PED及相關(guān)法規(guī)要求。

1 設(shè)備簡介

1.1? ? 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)器作為蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要部件，其性能非常重要。結(jié)構(gòu)主要還是基于TEMA類型的管殼式換熱器，將管束和蒸汽空間放置在同一殼體中，殼體直徑大于管束直徑，蒸汽空間在殼體上方，即管束的上側(cè)。管束有兩個通道口，一個入口和一個出口[2]。

1.2? ? 蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程

給水在蒸發(fā)器中加熱產(chǎn)生高壓蒸汽，驅(qū)動高壓汽輪機發(fā)電。為了提高汽輪機效率，通常對汽輪機出口蒸汽進行再熱，驅(qū)動低壓汽輪機發(fā)電。高壓蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)每列包括一臺過熱器、一臺蒸發(fā)器和一臺預熱器、兩臺再熱器，分別與預熱器和過熱器并聯(lián)[3]。在這個回路中，所有的傳熱流體都流過蒸發(fā)器。這種配置的優(yōu)點是可以在相同蒸汽輸出的情況下減少設(shè)備的換熱面積。蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2 換熱器設(shè)計方案

（1）新型蛇形管換熱器材質(zhì)選用具有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的鋼材，設(shè)計采用無管板蛇形管方案，封頭采用1：2橢圓封頭，采用大直徑換熱管，可減少堵塞，大大降低系統(tǒng)阻力。

（2）換熱器在室外安裝使用，外保溫采用200 mm厚硅酸鋁棉防止熱損失，保證蒸汽系統(tǒng)熱效率不低于96.7%。如果省煤器進口溫度過低，在寒冷天氣條件下，系統(tǒng)中小型管道中的水或?qū)嵊突蛉埯}可能凍結(jié)。因此，應(yīng)在汽包內(nèi)增設(shè)一組換熱管束，在省煤器進水處增設(shè)旁路，使部分給水進入汽包加熱，以提高溫度，防止管內(nèi)凝固。

（3）基于頻繁啟停會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導致設(shè)備疲勞開裂的風險[4]，在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用集管形式代替厚管板，將高溫導熱油或熔鹽分配到管束中。集管為圓柱形，可由相對較薄的材料制成，與傳統(tǒng)管板相比，降低了熱應(yīng)力。在制造過程中，采用全焊后熱處理的方法來降低殘余應(yīng)力。在設(shè)計和制造過程中，換熱器能適應(yīng)頻繁啟動（每天啟停一次）。同時，集箱與管束之間的焊接接頭設(shè)計在可檢測的位置，以便在鍋爐停機檢修時進行表面無損檢測，防止焊接接頭疲勞損傷。

（4）本設(shè)計考慮了規(guī)定的荷載效應(yīng)及其他相關(guān)荷載，并按ASME Ⅷ-2規(guī)范對設(shè)備進行疲勞和有限元分析，對支架、吊耳和各管口進行了荷載驗算。無論設(shè)備啟動、停止或在各種負荷條件下，設(shè)備壁溫均低于鋼材的允許值，設(shè)備內(nèi)所有應(yīng)力集中處的應(yīng)力水平也低于允許應(yīng)力，保證使用壽命不低于30年。在預期壽命內(nèi)，設(shè)備能承受下列運行方式產(chǎn)生的應(yīng)力：冷啟動（停機超過72 h）1 000次，溫啟動（停機24～72 h）3 000次，熱啟動（停機時間小于24 h）6 000次。

（5）太陽能蒸汽發(fā)生器的預期連續(xù)排污量為0.5%，但是在啟動或非正常運行狀態(tài)下，排污量可達5%。本次設(shè)計的新型蒸發(fā)器有一個獨立的汽包，類似于傳統(tǒng)的鍋爐，帶有兩級汽水分離系統(tǒng)。第一級分離為旋風分離器，第二級分離為波紋板分離器，保證蒸汽流中攜帶的水滴不使飽和蒸汽低于要求質(zhì)量的99.95%。過熱/再熱蒸汽的質(zhì)量符合VGB調(diào)節(jié)值標準，如表1數(shù)據(jù)所示。

（6）新型換熱器合理布置上升管和下降管，平均循環(huán)比大于等于15：1，汽包安裝在蒸發(fā)器頂部，由上升管和下降管系統(tǒng)支撐，將重量和外部負荷轉(zhuǎn)移到換熱器殼側(cè)。殼體設(shè)有定期排污口、連續(xù)排污口、放空口、兩個安全閥接口、遠近液位計接口、壓力檢測接口。在蒸汽發(fā)生器上確定正常水位、允許最高和最低水位，并在設(shè)備上標出中心線;輔助系統(tǒng)配有安全閥。安全閥的排放量符合電站鍋爐的相關(guān)要求，以保證設(shè)備的安全運行。

（7）換熱器所有進出口管口設(shè)備均應(yīng)采用馬鞍式焊接，不允許使用補強圈。蒸汽發(fā)生器給水進口管嘴設(shè)計有隔熱套管，以降低熱應(yīng)力。蒸發(fā)器給水管道沿汽包方向均勻分布，保證給水均勻。

3 設(shè)計要點

3.1? ? 換熱器結(jié)構(gòu)

目前，TEMA類型的高溫高壓管殼式換熱器，為滿足強度要求，所有組件都需要采用較大厚度的材料。該新型換熱器是獨特的集箱以及蛇形管設(shè)計，無管板，受熱面由蛇形管束組成，蛇形管蒸發(fā)器的管束有許多折彎，所以具有高度靈活性。管束的傳熱管內(nèi)為高壓側(cè);傳熱流體為低壓側(cè)，它在橫流外側(cè)做逆向流動。傳熱管束置于一個圓柱形的壓力容器內(nèi)，容器內(nèi)裝有傳熱流體。管束焊接在進出口集箱處，集箱穿過在殼體處設(shè)置的熱套筒以降低熱應(yīng)力。在換熱器內(nèi)部設(shè)置可靠的支撐及固定組件，防止流體流動造成機械振動。

3.2? ? 抗疲勞

就熱應(yīng)力而言，管板使用過厚材料并不理想，因為存在疲勞開裂的風險[5]。新型蛇形管換熱器不采用厚管板，而是通過圓形集箱將高溫導熱油或熔鹽流分配到傳熱管束中。因集箱的圓筒形設(shè)計，可采用厚度相對較小的材料，也因此降低了熱疲勞應(yīng)力。通過將蒸發(fā)器單元拆分成兩個換熱器和一個蒸汽鍋筒，單個壓力容器的直徑比釜式的小，而且用于承受壓力的所需管壁厚度也相對變小了。較小管壁厚度的材料的使用，降低了啟停和負荷變化時系統(tǒng)對高溫度梯度的敏感性。