熔盐塔式太阳能热发电站中蒸汽发生系统水循环方式的对比分析

牛亚兵，任亚军，王彦普，张思远

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

太阳能热发电系统是将太阳能转化为热能，通过热功转换过程来实现发电的系统。中国的太阳能热发电历经“十二五”和“十三五”10年的发展，从近乎零基础发展到已初步形成具有自主知识产权的产业链，但发展依然任重道远[1]。2022年1月30日，国家发展和改革委员会、国家能源局联合印发了《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》(发改能源[2022]206号)(下文简称为“《意见》”)，指出要完善灵活性电源建设和运行机制，发挥太阳能热发电的调节作用，完善支持太阳能热发电和储能等调节性电源运行的价格补偿机制。该《意见》的发布将助力“十四五”期间太阳能热发电产业的大力发展。目前，在国内水、风、光、热互补开发的大趋势下，储能型太阳能热发电市场正迎来新一波的发展热潮。截至2022年7月，在青海省、甘肃省、新疆维吾尔自治区及吉林省等地区，已有超过2 GW的储热型太阳能热发电项目进入开发阶段，这是中国太阳能热发电发展史上的一个重要节点。

蒸汽发生系统是利用熔盐作为储热介质的太阳能热发电站的核心系统之一。储存在熔盐系统中的热量，在蒸汽发生系统中通过换热将热量传递给水/蒸汽，吸收热量后的高温蒸汽再进入汽轮机做功，带动发电机发电[2]。蒸汽发生系统中的水循环方式主要包括自然循环方式及强制循环方式，系统出口参数均达到高温、超高压参数。

目前国外已建及在建的熔盐塔式太阳能热发电项目中，蒸汽发生系统的水循环方式多采用强制循环方式，且系统运行情况良好。国内已建成投运的5个熔盐塔式及1个熔盐线性菲涅尔式太阳能热发电示范项目中，有3个项目的蒸汽发生系统水循环方式采用自然循环方式，且系统运行情况良好；另外3个项目采用强制循环方式，其中某些项目由于强制循环泵的结构选型不合适等原因，导致系统运行存在少量问题。目前国内在建及正在设计的熔盐塔式太阳能热发电项目中，蒸汽发生系统的水循环方式均采用自然循环方式。

本文在对熔盐塔式太阳能热发电站蒸汽发生系统进行介绍的基础上，对蒸汽发生系统的两种水循环方式进行技术性和经济性对比分析，并结合目前国内熔盐塔式太阳能热发电技术的发展趋势及已建成投运项目的运行情况提出推荐方案，以期为未来以熔盐作为储热介质的塔式太阳能热发电站蒸汽发生系统的设计选型提供参考。

1 熔盐塔式太阳能热发电站的蒸汽发生系统

以熔盐作为储热介质的太阳能热发电站蒸汽发生系统，是实现熔盐与水/蒸汽之间热交换，产生高温、高压蒸汽的重要设备，其主要设备包括给水预热器、蒸发器(含汽包)、过热器、再热器，以及各设备之间的汽水管路、熔盐管路等。

在蒸汽发生系统中，高温熔盐储罐内的高温熔盐由高温熔盐泵分别送入过热器与再热器进行换热，换热后的高温熔盐再进入到蒸发器中加热接近饱和温度的给水，最后进入给水预热器加热给水，从给水预热器放热完成后再进入低温熔盐储罐内，进行下一次集热循环。

给水系统内给水的流动方向正好与熔盐的流向相反，给水从给水预热器开始进入蒸汽发生系统，其在给水预热器中加热至接近饱和温度后进入汽包；然后在汽包和蒸发器之间循环蒸发产生饱和蒸汽，再进入过热器加热成过热蒸汽；然后通过主蒸汽管路进入汽轮机高压缸做功；做功后变为低温再热蒸汽再返回到蒸汽发生系统的再热器中进行加热，加热后变为高温再热蒸汽进入到汽轮机低压缸继续做功；做功后的乏汽在凝汽设备中降温后进入给水系统，进行下一次汽水循环。

蒸汽发生系统按照蒸发器与汽包间的水循环方式分为自然循环方式和强制循环方式两种。

1.1 自然循环方式

自然循环是依靠工质(汽、水)的密度差克服设备与管道的阻力而推动水循环的运行方式。汽水循环回路由汽包、下降管、蒸发器、上升管等构成，给水由汽包下行进入蒸发器，然后在蒸发器内通过盐、水换热被加热成汽水混合物，再通过蒸发器至汽包的连接管道接入汽包进行汽水分离，得到的饱和蒸汽被送往过热器进行加热，饱和水仍返回蒸发器继续循环蒸发。在适当循环倍率条件下，自然循环方式具有良好的自补偿能力，汽水循环回路的吸热量增大时，循环水流量也随之增加。

自然循环方式具有蒸汽发生系统阻力小、给水压力低的特点，可降低给水泵的运行电耗。采用自然循环方式时，汽包与蒸发器之间的布置高差需克服汽水循环回路的循环阻力。

自然循环方式的工艺流程如图1所示。

图1 自然循环方式的工艺流程Fig. 1 Process flow of natural circulation mode

1.2 强制循环方式

强制循环是借助炉水强制循环泵的压力使工质流动的方式，由汽包、下降管、强制循环泵、蒸发器、上升管等构成强制循环回路。因为设置了强制循环泵，其循环推力比自然循环方式大，可不考虑汽包与蒸发器之间的布置高差影响。强制循环方式在蒸汽发生系统启停阶段，利用水的强制流动使各承压部件之间得到均匀的加热或冷却，从而提高了升降负荷速度，缩短了蒸汽发生系统的启停时间。

强制循环方式设置有强制循环泵，虽然其扬程不高，但因其工作在高温(330 ℃以上)、超高压(14 MPa以上)参数下，泵轴的密封比较困难。若采用常规离心泵，机械密封将是日常检修维护的重点与难点；也可采用大型火电机组常用的立式无轴封离心泵，由湿式电机驱动，但是设备价格相对较高。

强制循环方式的工艺流程如图2所示。

图2 强制循环方式的工艺流程Fig. 2 Process flow of forced circulation mode

2 两种水循环方式的技术性对比分析

2.1 自然循环方式的优缺点分析

2.1.1 自然循环方式的优点

1)在维持适当的循环倍率(指进入上升管的循环水量与其产汽量之比)的正常运行条件下，自然循环方式具有良好的自补偿能力，即当汽水循环回路的吸热量增大时，循环水流量也自动随之增加；

2)采用自然循环方式时，蒸汽发生系统的循环阻力不需要通过强制循环泵克服，因此可以大幅降低厂用电，且不需要在高温、超高压条件下工作的强制循环泵，其检修维护的工作量小，工作可靠性较好。

2.1.2 自然循环方式的缺点

1)自然循环方式的运动压头较小，蒸发器与汽包的布置需要有一定的高度差，因此相对增加了蒸发换热平台的高度；

2)自然循环方式是超高压及亚临界压力状态下的主要循环方式，循环倍率高，但蒸汽发生系统容量的发展受到尺寸、锅筒制造及运输条件的限制。

2.2 强制循环方式的优缺点分析

2.2.1 强制循环方式的优点

1)采用强制循环方式时，包括启动、停运在内的任何工况下均由强制循环泵提供足够的扬程和流量，以保证换热面的冷却，因此可加速使各承压部件间金属的温度均匀升高或降低，有利于缩短蒸汽发生系统的启停时间。

2)强制循环方式的循环水动力比自然循环方式的大，蒸汽发生系统的可靠性提高。自然循环方式产生的水动力一般只有0.05～0.10 MPa，而强制循环方式产生的水动力可达到0.25～5.00 MPa，因此可选用小直径管作为换热管；且小直径管在同样压力下所需的管壁较薄，金属消耗量较少。

3)强制循环方式可采用比较灵活的布置方案，蒸发换热平台的高度相对较低。

4)采用强制循环方式时，蒸汽发生系统运行的压力范围更大，有利于太阳能热发电机组滑参数运行。

2.2.2 强制循环方式的缺点

1)强制循环方式需采用强制循环泵，因此会增加强制循环泵的设备投资及运行维护成本；

2)强制循环方式的循环倍率较低，但强制循环泵的运行电耗较高，导致蒸汽发生系统的经济性稍差；

3)采用强制循环方式时，蒸汽发生系统的调节控制要求相对较高；

4)由于强制循环泵长期在高温、超高压工况下运行，需使用特殊设计才能保证其运行的安全性；另外，此类设备的生产厂家较少，可选择性较低。

2.3 技术对比结论

采用自然循环方式时，蒸汽发生系统的布置高度增加，系统的设备投资及土建投资需适当增加；同时为满足蒸汽发生系统冷态启动的要求，需增设预热泵及相关阀门管路系统；但通过合理的配置和系统优化，采用自然循环方式也可使蒸汽发生系统在正常工况和变负荷工况时均能保证较稳定的汽水循环，满足安全稳定的要求。

采用强制循环方式时，蒸汽发生系统在冷态启动时更具有时间优势，且滑参数运行范围较大；但是根据预估的冷态启动次数(12次/年)，这一时间优势会被强制循环泵的投资所抵消，且当蒸汽发生系统处于热备用状态或需要辅助蒸汽时，强制循环泵需要长期运行，会增加电耗；另外，由于强制循环泵长期在高温、超高压工况下运行，运行维护的工作量相对较大。

根据以上对比分析，再结合熔盐塔式太阳能热发电的技术特性，自然循环方式及强制循环方式均能满足其蒸发换热要求；但从技术发展及运行维护工作量方面考虑，推荐采用自然循环方式。

3 两种水循环方式的经济性对比分析

以青海省某100 MW熔盐塔式太阳能热发电站的蒸汽发生系统为例，对两种水循环方式的经济性进行对比分析。该蒸汽发生系统采用双列设计，系统进口熔盐温度为560 ℃、出口熔盐温度为290 ℃，过热器出口主蒸汽压力为13.5 MPa、温度为543 ℃，蒸发器总换热功率约为84.7 MW。

对分别采用自然循环方式与强制循环方式的蒸汽发生系统进行详细方案设计，并对不同方案的投资估算和运行费用进行对比，相关数据对比如表1所示。

表1 采用不同水循环方式时蒸汽发生系统的投资估算及运行费用对比Table 1 Comparison of investment estimation and operating cost of steam generation system using different water circulation modes

根据表1的对比分析可知：该熔盐塔式太阳能热发电站蒸汽发生系统的水循环方式采用强制循环方式时的系统投资比采用自然循环方式时的增加约1050万元，且全生命周期(25年)内强制循环泵的运行电费增加约1090万元。因此，针对该熔盐塔式太阳能热发电站，在其蒸汽发生系统的设计参数下，自然循环方式在系统投资和运行费用上均更具有优势，从经济性考虑，推荐采用自然循环方式。

4 国内项目应用情况

目前国内已建成投产的第1批以熔盐为储热介质的太阳能热发电示范项目及多能互补项目中，考虑项目的示范效应及各方向技术路线差异，自然循环方式及强制循环方式均有应用。比如：中控德令哈50 MW熔盐塔式太阳能热发电项目、中电工程哈密50 MW熔盐塔式太阳能热发电项目、兰州大成敦煌50 MW熔盐线性菲涅尔式太阳能热发电项目等均采用自然循环方式；中电建青海共和50 MW熔盐塔式太阳能热发电项目、首航节能敦煌100 MW熔盐塔式太阳能热发电项目、鲁能海西州50 MW熔盐塔式太阳能热发电项目等均采用强制循环方式。

根据对上述已建成投产的熔盐塔式太阳能热发电项目的调研结果：目前以上各项目的蒸汽发生系统均运行良好，自然循环方式及强制循环方式技术路线基本均能满足太阳能热发电项目蒸发换热的需求。但有的采用强制循环方式的项目中，由于强制循环泵的结构选型不合适，导致运行中存在机械密封泄露的情况，在大幅增加检修维护工作量的同时，影响了电站整体的发电性能。

5 结论

本文对熔盐塔式太阳能热发电站的蒸汽发生系统进行了介绍，对蒸汽发生系统的两种水循环方式——自然循环方式和强制循环方式进行了技术性和经济性对比分析。分析结果表明：在目前熔盐塔式太阳能热发电站采用高温、超高压参数下，自然循环方式及强制循环方式技术路线均能满足熔盐塔式太阳能热发电站蒸发换热的需求，且在国内第1批已建成的熔盐塔式太阳能热发电示范项目中均有成功应用案例。但若选择强制循环方式，在设备选型时，应将强制循环泵的结构及运行环境作为重点进行综合分析。

结合国内目前已建成项目的运行经验及太阳能热发电技术的发展趋势，以熔盐为储热介质的塔式太阳能热发电站的蒸汽发生系统的出口主蒸汽压力在亚临界以下(＜16 MPa)时，从技术性、经济性及运行维护方面综合考虑，推荐蒸汽发生系统的水循环方式采用自然循环方式。本文研究结果可为熔盐塔式太阳能热发电站蒸汽发生系统的设计选型提供参考。