槽式光热电站汽水管道效率探讨

刘传成

摘要：本文结合槽式光热发电项目的汽水管道效率优化方案，综合考虑管径、管系压降、布置、应力分析及热力平衡（HBD）因素的影响，并结合技术经济比较，提出槽式光热发电项目合适的汽水管道效率，提高槽式光热电站项目汽水管道效率约4.5个百分点，此设计优化有借鉴意义。

关键词：槽式光热发电；管道效率

目前，太阳能光热发电技术逐渐走向成熟，国内太阳能光热发电市场也迅速膨胀，国内各大电力公司均踊跃参与其中，产业链也已经初步形成。

国家能源局已公布了国内首批入选的20个光热发电示范项目名单，总装机134.9万千瓦，将在2018年前建成投产。到2020年底，国内要实现光热发电总装机容量达到10GW，对应近3000亿元的投资落地。

光热发电形式主要有：槽式、塔式、碟式、菲涅耳式等。相比其他几种光热发电技术相比，槽式光热发电技术更加成熟、可靠，也是目前实现商业化运行项目中占比例最高的光热发电技术。

1 汽水管道效率差距及分析

（1）差距原因。槽式光热电站汽水岛的工艺原理存在如下与常规火电机组不同的工艺特性：a.因光照和储热的限制条件，机组启停频繁；b.主蒸汽、热再热蒸汽过热度低，冷再热和部分抽汽参数为湿饱和蒸汽；c.主要系统设备室外布置，蒸汽发生系统SGS区域与汽轮机区域距离较远，管道敷设距离长；d.管道壁厚较大，管道柔性设计难度高，补偿弯多，弯头数量多，阻力损失大。由上可知，槽式光热电站的工艺特性应该就是其管道效率与常规火电机组有差距的根源。

（2）分析。电站整体的光热电转换效率是非常重要的指标，包括镜场效率、导热油熔盐岛效率、汽水岛效率主要三部分，光热电站总效率的表达式为：

η电站=η镜场*η油盐岛*η汽水岛

目前成熟的镜场和导热油熔盐储换热系统的工艺技术多垄断在少数几个欧美发达国家手中，国内短时间内实现技术突破带来这两个环节效率的大幅提升存在较大困难，而对于汽水岛效率，国内则有大量成熟的工程经验，可以在这方面着力进行攻关突破。

汽水岛的主要组成包括蒸汽发生系统SGS（STEAM GENERATION SYSTEM）、汽轮发电机组ST&BOP（STEAM TURBINE AND BALENCE OF PLANT）以及管道系统，是光热电站热能转换成电能的核心系统。汽水岛效率的表达式为：

η汽水岛=η蒸汽发生*η汽轮机组*η管道

目前槽式光热电站对于蒸汽发生系统SGS的效率约为90%～92%，与相同容量火力发电站的锅炉效率基本相同甚至略高。槽式光热电站汽轮发电机组的效率与同等容量的火电汽轮发电机组也基本相同，多在35%～40%之间，目前先进水平可达42%。而对于槽式光热电站，汽水管道的效率多在94%～96%之间，与火力电站管道效率的98%～99%存在较大差距，有较大的提升空间。

2 提高汽水管道效率途径

汽水管道本质上是输送汽轮机做功介质的载体，其效率主要取决于介质做功能力的损失。基于热力学第二定律的熵方法和火用方法，阐明影响管道效率η管道的因素。

管道中汽水介质做功能力的损失主要是涉及两部分，分别为温度降和压力降，在HBD（HEAT BALANCE DIAGRME）中是以温降和压降的形式体现的。

（1）途径。

主要蒸汽管道设计首要需要确定管径、管道阻力降、管道布置、应力计算。经技术经济性比较，包括热平衡（HBD）计算，确定合适的管道效率。

a.因槽式光热电站参数较低，主汽等管道材质为碳钢，管道效率变化引起的汽轮机入口参数变化导致汽轮机价格变化，及其微小，这两项的价格变化可以忽略。所以只要按上述流程进行发电量的变化而不引起汽轮发电机规格升级的计算，即得到合适的管道效率。

结论：压降损失大。

结论：光热发电机组管道温降与火电机组差别不大。

d.应力分析。槽式光热电站因光照和储热限制启停频繁，管道涉及低周疲劳，应力要求苛刻，汽机等设备接口的推力及扭矩要求严格，所以提高管道效率必须在满足管道应力要求的前提下进行，即布置、壁厚（流速）需考虑此方面的影响。

（2）优化布置 缩短SGS与汽机间距离 缩短连接管道长度。

距离的缩短的对降低管道的压力损失和散热损失起到了显著的作用。

（3）增大管道直径，降低管道流速，减少管道沿程阻力损失。

管道摩擦压力损失（等效为管道沿程阻力损失）的表达式为：

Δpf=λρw22g

·LDt

式中：Δpf=——直管的摩擦力损失，MPa

g——重加加速度，m/s2。

ω——平均流速，m/s。

ρ——流体密度，kg/m3。

由上式可以看出，管道的摩擦压力损失与管道内径成反比，与管内介质流速的平方成正比。而且在介质流量一定的情况下，由下式可知：介质流速和管径的平方成反比。

Di=18.81

Qω

式中：Di——管道內径，mm。

G=介质质量流量，t/h。

v——介质比容，m2/kg。

ω——介质流速，m/s。

Q——介质容积流量，m2/h。

综合以上两式可知，在介质流量一定的情况下，管道沿程阻力损失与管道直径的5次方成反比，也就是说增大管道直径可以极其显著的降低管道的沿程阻力损失。

从上表可见，我们对光热电站管道管径选取要远大于常规火电机组在推荐流速的条件下计算出来的管径。这也使光热电站管道内介质流速要比常规火电推荐值小很多。结合管道沿程阻力计算的公式，这样会显著降低管道的沿程阻力损失。

（4）改变管件形式，使用局部阻力系数小的管件。

根据上表，部分管件的选用原则：

（1）主蒸汽弯头在空间布置允许的情况下可替换成弯管，这样既可以降低管道局部阻力，又可以提高管道柔性，有助于降低管道应力。（2）在两个90°弯头之间距离较短时，可替换成两个45°弯头，可以降低管道局部阻力。下图为主蒸汽管道，两个比较近的90°弯头换成了两个45°弯头。（3）对管道的汇流三通多通过支路设置成侧向汇流，尽量避免对向汇流；对于分流三通，如果布置空间允许的话应设置成Y型三通。（4）对于大流量的主要支路管道，尽量避免使用异径三通，可以使用等径三通加大小头的形式，这样管道局部阻力损失小一些。

3 效益

（1）槽式光热电站与常规火电机组蒸汽管道压力降及管道效率统计

槽式光热电站管道效率达到97.3%，与目前世界最先进水平97.5%很接近。

（2）可提高槽式光热电站项目汽水管道效率约4.5个百分点，进而可提高全厂的光热电转换效率，每年可给业主直接增加客观的发电收益。

4 结论

综上所述，管径、阻力、布置、应力分析、HBD及商务结合在一起考虑，建议合适的槽式光热电站管道效率在97%～97.5%。

参考文献：

[1]DL/T 50542016，火力发电厂汽水管道设计规范.