塔式太阳能光热电站蒸汽发生器冷启动系统研究

太阳能光热发电是将太阳能转化为可以储存的热能，再将热能转化为电能的过程。由于光热发电具有转换效率高、电能输出稳定、调峰能力强等优点，具有广阔的发展前景。蒸汽发生器系统是光热电站发电模块的重要组成部分，由于光热电站系统复杂，检修周期短，启停频繁，因此设计合理的蒸汽发生器冷启动系统尤为重要。

本文研究了蒸汽发生器的冷启动系统工艺流程、设备组成、选型计算等，具有良好的应用价值。

太阳能光热发电是将太阳能转化为可以储存的热能，再将热能转化为电能的过程。相对于传统的化石能源燃烧发电机组，光热电站具有经济性好、环保性好、资源可再生等优点。相比于光伏与风电等技术，光热发电的最大优势在于相对稳定连续的电力输出，其特有的光-热-电转换模式中，热能具有良好的储存性能，使电力输出平稳，有利于并网。

目前光热发电基本类型为抛物线槽式技术、塔式技术、菲涅尔式和蝶式四种，其中槽式与塔式是光热发电的主流，并得到了广泛的发展应用。

塔式光热电站通常由聚光集热系统、储热系统、蒸汽发生器系统、汽轮机系统等主要系统组成。

图1：塔式光热电站系统示意图

太阳能通过定日镜聚焦到吸热器上，冷熔盐从冷熔盐罐中通过冷盐泵送至吸热器，并在吸热器中吸收镜场入射的能量，被加热为热熔盐储存到热熔盐罐中。热熔盐罐中的热熔盐通过热盐泵送入蒸汽发生器，同时给水被给水泵送到蒸汽发生器，熔盐与给水在蒸汽发生器中充分换热，产生过热蒸汽，送至汽轮机做功发电。

蒸汽发生器系统

蒸汽发生器系统是光热电站发电模块的重要组成部分，蒸汽发生系统的功能是实现熔盐与水工质之间的热交换。为了提高汽水循环的发电效率，一般采用带再热系统的汽轮机。来自热盐罐的高温熔盐分两路分别进入过热器与再热器，经换热后在出口混合，再依次进入蒸汽发生器和给水预热器，最后变为低温熔盐后返回低温储罐。

而来自高压加热器的给水则依次流经给水预热器、蒸发器和过热器，从而实现熔盐与水工质的热交换，产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽。过热蒸汽在汽轮机高压缸做功后，排汽进入再热器，经再热器熔盐加热后进入汽轮机中低压缸继续做功，最后排入凝汽器。蒸汽发生器系统示意图见图2。

图2：蒸汽发生器系统示意图

由于光热电站系统复杂，检修周期短，启停频繁，因此设计合理的蒸汽发生器冷启动系统尤为重要。为了防止冷启动时蒸汽发生器熔盐侧发生凝固，传统的启动方式通常设置单独的启动锅炉，冷启动之前通过启动锅炉系统向蒸汽发生器供应蒸汽加热给水至260℃以上，然后通入熔盐进行正常启动过程。此种方式存在以下缺点：系统复杂，造价较高，需要设置单独的高压启动锅炉；由于太阳能电站不消耗传统化石燃料，如果设置启动锅炉，需要给锅炉配套额外的化石燃料系统，且仅在冷启动时使用，利用率不高，投入与产出不匹配。

冷启动系统

为了解决以上问题，可采用以下蒸汽发生器冷启动系统，见图3.

图3：蒸汽发生器冷启动系统流程图

在原有蒸汽发生器系统中增加启动电加热器、外置循环泵设备。蒸汽发生器冷启动时，先把系统上满水。此时，低负荷预热器、启动电加热、省煤器、蒸发器充满水，汽包达到设定水位。开启外置循环泵，同时开启启动电加热器，关闭低负荷预热器出口隔离阀，关闭汽包出口调节阀，使系统中的水形成封闭循环回路。启动电加热器保持运行状态，外置循环泵持续运行使系统中给水温度保持均匀，并且缓慢升高。当温度超过100℃时，给水在汽包中发生汽化，使汽包压力逐渐升高，此时升温、升压过程同时进行。经过一段时间运行，最终整个系统给水达到设定温度260℃，此时对应的压力为4.7MPa，此时升温升压过程结束，关闭电加热器及外置循环泵。由于熔盐凝固点为230℃左右，熔盐进入蒸汽发生器不会发生凝固，此时通入熔盐进行正常启动过程。

电加热器选型及设计

1.电加热器选型计算

电加热器是冷启动系统中最重要的设备，电加热器选型是否正确直接关系到系统的安全可靠运行。电加热器的选型可使用以下公式进行计算。

V总=V1+V2+V3

其中

V总—蒸汽发生器系统中充水总体积m3

V1—汽包达到正常液位时水容积m3

V2—省煤器水容积m3

V3—蒸汽发生器水容积m3

Q=Cp*V总/Vl*(T2-T1)

其中

Q—加热过程所需总热量KJ

Cp—水比热容KJ/kg/k

Vl—水比容m3/kg

T2—加热终止水温℃

T1—加热起始水温℃

P=Q/t/3600

P—电加热器功率kW

t—加热持续时间h

2.电加热器设计

启动电加热器除了在机组冷启动期间运行之外，还需要考虑机组甩负荷工况，机组甩负荷时，汽轮机抽汽管道停止运行，给水温度降低，需要运行启动加热器加热给水，开始甩负荷瞬间给水流量仍为额定值，因此启动加热器设计流量需要考虑机组额定给水流量。给水温度应从常温加热到260℃以上，启动加热器工作温度一般取15℃-300℃。电加热器应能承受给水泵出口压头，设计压力一般取用给水泵出口管道设计压力。根据电加热器设计温度选择合适的材质，壳体及法兰接口采用碳钢材质，加热元件采用不锈钢材质。

电加热器由多个加热元件构成，功率密度一般为4W/cm2，加热器为恒功率设计，不设置功率调节装置。为了保证加热效果，加热器内部设有折流板和防冲板，给水在加热器中以错流形式流动。典型的加热器外形图见图4.

图4：启动电加热器外形图

由于电加热器给水设计压力较高，给水流量变化较大，且在加热器内部流体发生相变，工作条件复杂，因此在设计是还应进行有限元分析，模拟给水在加热器内部的加热过程，及流场变化规律。某项目电加热器温度、流场分布有限元分析图见图5。

图5：启动电加热器温度、流场分布图

通过有限元分析，得到不同压力下加热元件温度分布规律，见图6。

图6：加热元件温度随压力变化图

由以上有限元分析可知，加热元件表面最高温度随压力升高呈下降趋势，在0.1MPa至2MPa压力范围内，加热元件表面最高温度降低不明显，均在740K左右。超过2MPa压力，加热元件表面最高温度迅速降低，到达9MPa压力时，最高温度降低至620K左右。

温度的最高点集中在入口处折流板下部，因此可在靠近入口处折流板采取豁口、开孔等措施，增加该区域介质流动性，防止运行时出现超温，并且设计时应重点关注此处应力变化，防止出现因应力过大引起焊口拉裂出现泄漏问题。

考虑到在实际运行中电加热器是全功率工作，不设置温度调节装置，无法实现对出口温度的控制，还应在加热器出口设置温度测量元件，当温度超过设定值时及时停止加热器运行，保证设备及系统运行安全。

结论

（1）、由于光热电站系统复杂，检修周期短，启停频繁，因此设计合理的蒸汽发生器冷启动系统尤为重要。本文研究了一种新型的蒸汽发生器冷启动系统，只需在原有蒸汽发生器系统基础上增加启动电加热器、外置循环泵设备，无需其他配套系统，系统简单，经济性好。

（2）、本文研究了启动电加热器的选型计算方法，满足工程设计的需要。本系统相对于传统的设置启动锅炉的冷启动系统具有明显的优势。传统冷启动方法增加了化石燃料消耗量，且产生燃烧污染物。本系统使用电加热器加热给水，仅消耗少量电能，不消耗化石燃料，无污染物排放。节省传统化石燃料用量，环保性能好，具有良好的应用前景。

（3）、本文还简要介绍了启动电加热器的设计方法及设计中的注意事项，可以作为类似设备设计的参考。