塔式与槽式光热电站蒸汽发生系统可靠性研究

张荣发

(上海电气电站工程公司，上海 201199)

0 前 言

随着我国对新能源项目的支持与推进，太阳能热发电(Concentrating solar power plant, 简称CSP)项目越来越走近大家的视野，目前商业运行比较成熟，机组容量较大的为采用塔式和槽式技术的光热机组，目前世界上塔式单台机组最大的容量可以做到150 MW，而槽式机组则可以做到200 MW。发电机组能否可靠运行是一个项目是否成功的重要指标，也是直接关系到了机组的发电量和经济效益，因此非常有必要对机组的可靠性进行研究。在塔式和槽式光热机组中，蒸汽发生系统是机组的关键系统之一，也是出现故障较多的系统。因此本文追根溯源，从光热发电机组整体设计、蒸汽发生系统设计、系统运行以及换热器本体优化等角度进行研究，寻求可以提高蒸汽发生系统的运行可靠性，进而提高光热电站运行的可靠性的办法。

1 典型的塔式与槽式带储热光热机组工作原理

如图1所示，塔式机组主要由镜场、吸热塔、热熔盐罐、热熔盐罐、蒸汽发生系统、汽轮机、发电机以及空冷岛等关键部件组成，并由这些部件形成机组发电最主要的熔盐循环和汽水循环。熔盐循环为冷熔盐从冷熔盐罐通过冷泵送到吸热塔上的吸热器吸收由镜场集中反射的太阳能后变成热熔盐，然后送到热熔盐罐，之后热熔盐从热熔盐罐通过热泵送到蒸汽发生系统进行放热变成冷熔盐回到冷熔盐罐。汽水循环为给水通过给水泵送到蒸汽发生系统吸收热熔盐的热能变成蒸汽后送到汽轮机进行做功并带动发电机发电，蒸汽在做功后变成乏汽经过空冷岛冷却后冷凝回水。塔式机组通过熔盐和汽水这两个主要的循环完成从太阳能到电能的转化。

图1 塔式机组工作原理示意图

如图2 所示，槽式机组主要由镜场(包含了吸热器)、热熔盐罐、热熔盐罐、油盐换热器、蒸汽发生系统、汽轮机、发电机以及空冷岛等关键部件组成，与塔式机组相比汽水循环基本相同，但是主要循环由熔盐循环变成了导热油循环，吸热器被包含在了镜场中，熔盐系统变成熔盐在冷熔盐罐、油盐换热器以及热熔盐罐之前来回切换。导热油循环的一种模式(充热模式)为冷导热油通过导热油泵送到镜场的吸热器吸收太阳能变成热导热油，热导热油将分成两路，一路直接送到蒸汽发生系统加热给水变成蒸汽，推动汽轮机发电机发电，另一路则是送到油盐换热器加热熔盐进行储能，两路热导热油经过放热冷却后变成冷导热油又回到镜场进行加热。到了夜间，导热油循环的另一种模式(放热模式)为冷导热油通过导热油泵送到油盐换热器吸收热熔盐中白天存储的热能变成热导热油，之后热导热油被送到蒸汽发生系统进行热能交换变回冷导热油。热熔盐则变成冷熔盐回到冷熔盐罐中。槽式机组通过导热油循环、汽水循环以及熔盐系统完成了从太阳能到电能的转化。

图2 槽式机组工作原理示意图

2 典型的塔式与槽式机组蒸汽发生系统

从塔式和槽式机组的工作原理，我们可以看出无论是塔式还是槽式机组，蒸汽发生系统都是两个主要循环的纽带，在不同的导热介质之间起着热能交换的作用。其功能类似于传统火电机组中的锅炉，在不同机组中功能相同，但又各有不同。塔式机组的熔盐循环导热介质是采用重量比例分别为60%的硝酸钠(NaNO3)和40%的硝酸钾(KNO3)进行混合而成的熔盐(Molten salt, 简称MS)，使用温度可以达到560℃，同样冷凝结晶的温度也较高为238℃。而槽式机组的导热油循环采用的是导热油(Heat transfer fluid oil，简称HTF)，目前市场上使用较多的品牌为Therminol VP-1或者DowthermTMA，使用温度范围为15-393 ℃。也正是导热介质的不同带来塔式与槽式机组蒸汽发生系统的诸多不同。

2.1 蒸汽发生系统的组成与工艺流程

从热能传递的角度，蒸汽发生系统主要由一系列的换热器和管道组成。目前较为成熟的一次再热的机组主要由省煤器、蒸发器、汽包、过热器以及再热器组成。不同的机组，设备和工艺流程也稍有不同。

如图3所示，塔式机组中，热熔盐由熔盐泵从热熔盐罐泵出后同时进入过热器与再热器，之后汇合进入到蒸发器，最后再到预热器，从预热器放热完成后回到冷熔盐罐。冷导热介质给水的流动方向正好与熔盐相反，给水从预热器开始进入系统，之后进入汽包，在汽包和蒸发器之间循环蒸发，产生的蒸汽再进入过热器加热成过热蒸汽，即为主蒸汽，主蒸汽通到汽机高压缸进行做功后变成冷再蒸汽又回到蒸汽发生系统的再热器进行加热，再次加热的热再蒸汽将通到汽机低压缸做功。为了防止熔盐的冷凝，系统中还需增设启动加热器和省煤器循环泵来预热进入省煤器的给水，使其温度高于熔盐的冷凝温度。得益于熔盐可达到的高温560 ℃，主汽和再热的温度可以达到555 ℃的高参数，而且由于主蒸汽压力温度参数已处于亚临界参数，所以通常塔式机组都增设强制循环泵，使给水在蒸发器换热管内之间实现强制循环。

图3 塔式机组蒸汽发生系统的组成与工艺流程

如图4所示槽式机组相较于塔式机组不同之处在于，热导热介质导热油同时进入过热器与再热器，进入过热器的一路导热油进入蒸发器，再到预热器，从预热器放热完成后回到系统管路中；进入再热器的一路导热油则在再热器中加热冷再蒸汽后直接进入到系统中并在系统中预热器出口的导热油进行混合。相较于塔式机组，由于导热油的使用温度限制，导热油进入蒸汽发生系统的温度为391 ℃，机组主汽的温度可以达到385 ℃，在此压力温度条件下，汽包和蒸发器之间的汽水循环比较容易建立，故槽式机组多使用自然循环。

图4 槽式机组蒸汽发生系统的组成与工艺流程

2.2 蒸汽发生系统的换热器

从蒸汽发生系统的组成可以看出换热器是蒸汽发生系统的核心设备，塔式机组的换热器是熔盐和水进行热能换热，槽式机组是导热油和水进行热能换热。如表1，典型的蒸汽发生系统换热器多采用管板U形管的管壳式换热器，针对进出口温度差较大的设备采用发卡式换热器，例如塔式机组中过热器与再热器，槽式机组中的再热器。

表1 典型的蒸汽发生系统换热器型式

从蒸汽发生系统工艺流程上，塔式机组使用的是熔盐，由于有凝固的风险，熔盐都被设置在换热器的壳侧，而且由于采用强制循环，针对蒸发器，给水通常也需要设置在管侧。槽式机组则不同，由于是自然循环，导热油设置在蒸发器管侧，给水在壳侧蒸发，而其他换热器则正好相反。

从换热器的选材上，塔式机组由于熔盐的温度已达到560 ℃的高温，且高温熔盐具有腐蚀性，因此可选择的材料较少，目前通常过热器、再热器以及蒸发器都需要采用347H不锈钢材料。而省煤器中的熔盐由于经过蒸发器的冷却，温度已经降低，与槽式机组的换热器选材类似，多采用管壳式换热器较为常规的碳钢或者低合金钢材料，例如筒身、封头多采用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锻件，换热管则可采用SA556 Gr C2或者SA-210-A1 等。

2.3 光热机组蒸汽发生系统的运行不稳定性

无论是塔式还是槽式光热机组，运行时都会受到天气的影响，无法做到与传统火电机组一样的稳定。如白天未能存储足够的热量，则每天机组都可能需要关停与重新启动；由于镜场的占地面积较大，局部地方也会受到云朵与风沙的影响，从而影响吸热器吸收太阳能，也会对机组的负荷造成影响。针对蒸汽发生系统，塔式机组的热源是来自热熔盐罐，并非直接来自镜场，有了这层缓冲，机组在运行时相较于槽式机组会稳定一些，白天和夜间机组运行可达到的最大负荷也是一致的。而槽式机组在白天直接采用镜场能量发电时就会直接受到受天气的影响，而且由于在夜间需要通过热能需要通过熔盐传递给导热油，会存在一定温度损失，夜间机组能达到的最大负荷会低于白天的最大负荷。

3 提高塔式与槽式光热机组提高蒸汽发生系统可靠性

通过对塔式与槽式光热机组工作原理以及蒸汽发生系统的了解，可以在机组系统设计、系统运行以及换热器本体的优化设计角度出发，研究提高可靠性的一些可行性。

3.1 系统设计优化

针对塔式机组，熔盐循环比较简单，但是汽水循环比较复杂，既要增加强制循环泵保证汽水在蒸发器中的强制循环，又需要防止熔盐凝结，增加省煤器循环泵、启动加热器等的设备。设备越多，出现故障的概率就越高。如图5所示，为了简化系统，可以采取以下的改变：1)从系统设计角度，提高各级高压加热器的出力，使进入到蒸汽发生系统的给水也就是省煤器进口的给水温度从230 ℃增加到250 ℃；2)在压力条件允许下，更改强制循环为自然循环或其他形式，这样系统也可大大简化，提升可靠性。

图5 优化后塔式蒸汽发生系统的组成与工艺流程

针对槽式机组，能量从太阳能传到导热油，然后传递到熔盐，之后又传递到导热油，最后才传递给给水，此过程过于复杂，每一次的传递意味着能量的损失、设备的增加和系统的不稳定。如图6所示，一种比较大胆的想法为更换镜场中的导热介质导热油为熔盐，同时与塔式机组一样，先用热熔盐罐存储热熔盐作为缓冲，之后再从热熔盐罐中泵出热熔盐到蒸汽发生系统进行蒸发放热，提高可靠性的同时有望提高镜场出口的热导热介质温度，提高机组的效率。

图6 优化后槽式机组工作原理

3.2 蒸汽发生系统运行注意事项

针对典型的塔式与槽式光热机组，由于可能每天都需要启停，为了防止换热器的泄漏，就需要蒸汽发生系统所有的换热器都运行在设备本身可接受的范围，热冲击不超过250 ℃、温升速率不超过10 ℃/min以及介质流量不超过额定值等。这不仅需要在系统设计时对每个换热器的进口设置足够的压力与温度测点，设定好合理的跳机值，也需要操作人员在运行做出正确的判断进行操作，以保护设备安全可靠运行。

塔式机组由于熔盐本身凝结温度高的特性，因此运行时需对蒸汽发生系统进行预热。对整个熔盐系统采用电伴热进行预热，温度不低于260 ℃，同时电伴热预热的速度不能太高，通常不超过12 ℃/hr，否则会对换热器设备造成损坏。给水系统采用辅助锅炉或电加热器来进行预热保证进入预热器的给水温度不低于250 ℃。另外由于现有的塔式机组的蒸发器换热器管采用的是TP347H的不锈钢管，需特别注意给水水质的要求。这是由于不锈钢的换热管对cl离子较为敏感，而蒸发器和汽包之间给水由于蒸汽的蒸发，氯离子会逐渐的浓缩，如果氯离子达到一定的浓度(>1 μg/L，目前还没有确切的数值研究)就很容易发生换热管的应力腐蚀，造成换热管破坏。因此首先需注意补水的水质，氯离子不应超过3 μg/L，同时需及时的排污，以减少氯离子的富集，避免造成不可挽回的情况。

槽式机组的换热器由于一侧是导热油，一侧是给水，在运行时需注意给水侧需提前于导热油侧运行。水侧注水至汽包最低水位后就可以开始注入导热油，之后给水随着导热油逐步提高温度而提高温度直至达到到额定的运行负荷工况。

3.3 蒸汽发生器系统换热器本体的优化设计

通过对换热器本体进行优化设计是提升蒸汽发生器系统可靠性最直接的方式。传统的管板式换热器由于换热管与管板角接的连接形式造成在进出口导热介质温差较大、长期变负荷的情况下就容易出现连接方式的失效，从而导致泄漏。而光热机组每日启停、不稳定运行的特性就对换热器提出更高的要求，因此蛇形管集箱式的换热器可能更适合于运用到光热项目。蛇形管集箱式换热器集箱与蛇形管之间采用对接的连接形式，而且对接后可以进行100%无损检测，可进一步提高焊接的可靠性。较好的管板式换热器温升温降速率可以做到10 ℃/min，而蛇形管换热器可以做到15 ℃/min甚至25 ℃/min。

另外由于蒸汽发生系统采购成本占总成本的比例并不高，在条件允许的情况下，适当的提高换热管的壁厚裕量可以在一定的程度上抵抗泄漏的风险，特别是蛇形管换热器这种采用对接型式的换热器。

4 总 结

通过了解塔式与槽式光热机组的工作原理，对比不同机组蒸汽发生系统的组成、工艺流程、系统运行以及核心设备换热器的异同，为了保证蒸汽发生系统的稳定运行提高可靠性可以从以下几方面入手：

1)系统设计优化，通过运行参数调整，更改导热介质等方式以减少设备简化系统、提高系统的稳定性。

2) 运行优化，机组运行时严格遵守不同传热介质、不同类型换热器在运行时需注意的热冲击限值、温升速率限值以及最大流量限值，严格控制系统运行的水质要求。

3)换热器本体设计优化，在成本可控的条件下选择蛇形管式的换热器，同时适度考虑增加换热管的壁厚裕量来增加设备的可靠性。