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太陽能(neng)光(guang)熱(re)(re)發電(dian)是將太陽能(neng)轉(zhuan)化(hua)為可以(yi)儲存的(de)(de)熱(re)(re)能(neng)，再將熱(re)(re)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為電(dian)能(neng)的(de)(de)過程。由(you)于(yu)光(guang)熱(re)(re)發電(dian)具有轉(zhuan)換效(xiao)率高、電(dian)能(neng)輸出穩定、調(diao)峰能(neng)力(li)強等(deng)優點，具有廣闊的(de)(de)發展前(qian)景。蒸汽發生器(qi)系(xi)統(tong)是光(guang)熱(re)(re)電(dian)站發電(dian)模(mo)塊(kuai)的(de)(de)重要組成(cheng)部分，由(you)于(yu)光(guang)熱(re)(re)電(dian)站系(xi)統(tong)復雜，檢修周(zhou)期短，啟停頻繁，因此(ci)設(she)計合理的(de)(de)蒸汽發生器(qi)冷(leng)啟動系(xi)統(tong)尤(you)為重要。

本文研究了蒸汽發生器的冷啟動系統工藝流程、設備組成、選型計算等，具有良好的應用價值。

太(tai)陽(yang)能(neng)光熱(re)(re)(re)發電(dian)(dian)是將太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)化為(wei)可(ke)以儲存(cun)的(de)(de)熱(re)(re)(re)能(neng)，再將熱(re)(re)(re)能(neng)轉(zhuan)化為(wei)電(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)過程。相對于傳統(tong)的(de)(de)化石能(neng)源燃(ran)燒(shao)發電(dian)(dian)機組，光熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)站具有經濟性好(hao)(hao)、環保性好(hao)(hao)、資(zi)源可(ke)再生等(deng)優點。相比于光伏與風電(dian)(dian)等(deng)技術，光熱(re)(re)(re)發電(dian)(dian)的(de)(de)最大優勢在于相對穩(wen)(wen)定連續的(de)(de)電(dian)(dian)力輸(shu)出，其特(te)有的(de)(de)光-熱(re)(re)(re)-電(dian)(dian)轉(zhuan)換模式中，熱(re)(re)(re)能(neng)具有良好(hao)(hao)的(de)(de)儲存(cun)性能(neng)，使電(dian)(dian)力輸(shu)出平穩(wen)(wen)，有利(li)于并網。

目前光熱發電基本類型為拋物線槽式技術、塔式技術、菲涅爾式和蝶式四種，其中槽式與塔式是光熱發電的主流，并得到了廣泛的發展應用。

塔(ta)式光熱電站通常由聚光集熱系(xi)統(tong)(tong)(tong)、儲熱系(xi)統(tong)(tong)(tong)、蒸汽發(fa)生器系(xi)統(tong)(tong)(tong)、汽輪(lun)機系(xi)統(tong)(tong)(tong)等(deng)主(zhu)要系(xi)統(tong)(tong)(tong)組成。

圖(tu)1：塔式光熱(re)電站(zhan)系統示意圖(tu)

太陽能(neng)通過定日(ri)鏡聚焦到(dao)吸熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)上，冷(leng)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)從冷(leng)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)罐中(zhong)通過冷(leng)鹽(yan)泵(beng)送至吸熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)，并在(zai)(zai)吸熱(re)(re)(re)器(qi)(qi)中(zhong)吸收鏡場入(ru)射的(de)能(neng)量，被加熱(re)(re)(re)為熱(re)(re)(re)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)儲存到(dao)熱(re)(re)(re)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)罐中(zhong)。熱(re)(re)(re)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)罐中(zhong)的(de)熱(re)(re)(re)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)通過熱(re)(re)(re)鹽(yan)泵(beng)送入(ru)蒸(zheng)汽發生器(qi)(qi)，同時給(gei)水被給(gei)水泵(beng)送到(dao)蒸(zheng)汽發生器(qi)(qi)，熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)與(yu)給(gei)水在(zai)(zai)蒸(zheng)汽發生器(qi)(qi)中(zhong)充分換熱(re)(re)(re)，產(chan)生過熱(re)(re)(re)蒸(zheng)汽，送至汽輪機做功(gong)發電。

蒸汽發生器系統

蒸汽(qi)發(fa)(fa)生器(qi)(qi)系(xi)統(tong)是光(guang)熱(re)電站(zhan)發(fa)(fa)電模塊的(de)重要組成部(bu)分，蒸汽(qi)發(fa)(fa)生系(xi)統(tong)的(de)功能是實現(xian)熔鹽與水(shui)工質之間(jian)的(de)熱(re)交換。為了提高汽(qi)水(shui)循環的(de)發(fa)(fa)電效率，一般采用(yong)帶再熱(re)系(xi)統(tong)的(de)汽(qi)輪機。來(lai)自熱(re)鹽罐(guan)的(de)高溫熔鹽分兩(liang)路分別進(jin)(jin)入(ru)過熱(re)器(qi)(qi)與再熱(re)器(qi)(qi)，經(jing)換熱(re)后(hou)在出口(kou)混(hun)合(he)，再依(yi)次進(jin)(jin)入(ru)蒸汽(qi)發(fa)(fa)生器(qi)(qi)和給水(shui)預熱(re)器(qi)(qi)，最后(hou)變為低(di)溫熔鹽后(hou)返回低(di)溫儲罐(guan)。

而(er)來自高(gao)壓(ya)(ya)加(jia)熱(re)器(qi)(qi)(qi)的(de)給(gei)水(shui)(shui)則依(yi)次流經給(gei)水(shui)(shui)預熱(re)器(qi)(qi)(qi)、蒸(zheng)發器(qi)(qi)(qi)和過熱(re)器(qi)(qi)(qi)，從(cong)而(er)實現熔鹽與(yu)水(shui)(shui)工(gong)質(zhi)的(de)熱(re)交換，產生符合汽輪機(ji)運行(xing)要求的(de)過熱(re)蒸(zheng)汽。過熱(re)蒸(zheng)汽在汽輪機(ji)高(gao)壓(ya)(ya)缸(gang)做功后(hou)(hou)，排汽進入(ru)再熱(re)器(qi)(qi)(qi)，經再熱(re)器(qi)(qi)(qi)熔鹽加(jia)熱(re)后(hou)(hou)進入(ru)汽輪機(ji)中低壓(ya)(ya)缸(gang)繼續做功，最后(hou)(hou)排入(ru)凝(ning)汽器(qi)(qi)(qi)。蒸(zheng)汽發生器(qi)(qi)(qi)系統示意圖見圖2。

圖2：蒸汽(qi)發(fa)生器系統(tong)示(shi)意圖

由(you)于光熱電站(zhan)系(xi)統(tong)復雜(za)，檢修周期短，啟(qi)停頻繁，因此(ci)設計合理的(de)蒸汽(qi)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)器冷啟(qi)動(dong)系(xi)統(tong)尤為重要(yao)。為了防止冷啟(qi)動(dong)時蒸汽(qi)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)器熔(rong)(rong)鹽側(ce)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)凝固，傳(chuan)(chuan)統(tong)的(de)啟(qi)動(dong)方(fang)式(shi)通(tong)常(chang)設置單(dan)獨的(de)啟(qi)動(dong)鍋(guo)(guo)(guo)爐(lu)(lu)，冷啟(qi)動(dong)之前通(tong)過(guo)啟(qi)動(dong)鍋(guo)(guo)(guo)爐(lu)(lu)系(xi)統(tong)向(xiang)蒸汽(qi)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)器供應(ying)蒸汽(qi)加熱給水至260℃以上，然后通(tong)入熔(rong)(rong)鹽進行(xing)正常(chang)啟(qi)動(dong)過(guo)程。此(ci)種(zhong)方(fang)式(shi)存在以下缺(que)點：系(xi)統(tong)復雜(za)，造價較高(gao)，需要(yao)設置單(dan)獨的(de)高(gao)壓啟(qi)動(dong)鍋(guo)(guo)(guo)爐(lu)(lu)；由(you)于太(tai)陽能電站(zhan)不消耗(hao)傳(chuan)(chuan)統(tong)化(hua)石燃料，如果設置啟(qi)動(dong)鍋(guo)(guo)(guo)爐(lu)(lu)，需要(yao)給鍋(guo)(guo)(guo)爐(lu)(lu)配(pei)套額外(wai)的(de)化(hua)石燃料系(xi)統(tong)，且僅在冷啟(qi)動(dong)時使用(yong)，利用(yong)率不高(gao)，投入與產(chan)出不匹配(pei)。

冷啟動系統

為了解決(jue)以上(shang)問題(ti)，可采用以下蒸汽(qi)發生器(qi)冷啟動系(xi)統，見(jian)圖3.

圖3：蒸汽發生器冷啟動系統流程圖

在原有蒸(zheng)(zheng)汽(qi)發(fa)(fa)(fa)生器系(xi)統(tong)中(zhong)增加(jia)啟(qi)(qi)動(dong)(dong)電加(jia)熱器、外置(zhi)(zhi)循環泵(beng)設備。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)發(fa)(fa)(fa)生器冷啟(qi)(qi)動(dong)(dong)時(shi)(shi)，先把系(xi)統(tong)上(shang)滿(man)水(shui)(shui)。此(ci)(ci)時(shi)(shi)，低負(fu)荷預熱器、啟(qi)(qi)動(dong)(dong)電加(jia)熱、省煤器、蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)(fa)器充滿(man)水(shui)(shui)，汽(qi)包(bao)達到(dao)(dao)設定水(shui)(shui)位。開(kai)啟(qi)(qi)外置(zhi)(zhi)循環泵(beng)，同時(shi)(shi)開(kai)啟(qi)(qi)啟(qi)(qi)動(dong)(dong)電加(jia)熱器，關(guan)閉(bi)低負(fu)荷預熱器出口隔(ge)離(li)閥，關(guan)閉(bi)汽(qi)包(bao)出口調節閥，使(shi)(shi)系(xi)統(tong)中(zhong)的水(shui)(shui)形成封(feng)閉(bi)循環回路。啟(qi)(qi)動(dong)(dong)電加(jia)熱器保(bao)持(chi)(chi)運行(xing)(xing)狀態，外置(zhi)(zhi)循環泵(beng)持(chi)(chi)續運行(xing)(xing)使(shi)(shi)系(xi)統(tong)中(zhong)給(gei)(gei)水(shui)(shui)溫度保(bao)持(chi)(chi)均勻，并(bing)且(qie)緩慢升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)(gao)。當(dang)溫度超過(guo)100℃時(shi)(shi)，給(gei)(gei)水(shui)(shui)在汽(qi)包(bao)中(zhong)發(fa)(fa)(fa)生汽(qi)化(hua)，使(shi)(shi)汽(qi)包(bao)壓(ya)(ya)力逐漸升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)(gao)，此(ci)(ci)時(shi)(shi)升(sheng)(sheng)(sheng)溫、升(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)過(guo)程(cheng)同時(shi)(shi)進行(xing)(xing)。經過(guo)一段時(shi)(shi)間(jian)運行(xing)(xing)，最終整(zheng)個系(xi)統(tong)給(gei)(gei)水(shui)(shui)達到(dao)(dao)設定溫度260℃，此(ci)(ci)時(shi)(shi)對應的壓(ya)(ya)力為4.7MPa，此(ci)(ci)時(shi)(shi)升(sheng)(sheng)(sheng)溫升(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)過(guo)程(cheng)結束(shu)，關(guan)閉(bi)電加(jia)熱器及外置(zhi)(zhi)循環泵(beng)。由(you)于熔鹽(yan)凝(ning)固(gu)點為230℃左右(you)，熔鹽(yan)進入蒸(zheng)(zheng)汽(qi)發(fa)(fa)(fa)生器不(bu)會(hui)發(fa)(fa)(fa)生凝(ning)固(gu)，此(ci)(ci)時(shi)(shi)通入熔鹽(yan)進行(xing)(xing)正(zheng)常啟(qi)(qi)動(dong)(dong)過(guo)程(cheng)。

電加熱器選型及設計

1.電加熱器選型計算

電加熱(re)器(qi)是冷啟動系(xi)統中(zhong)最重(zhong)要的設備，電加熱(re)器(qi)選型(xing)是否正確直接關(guan)系(xi)到系(xi)統的安全可靠運行(xing)。電加熱(re)器(qi)的選型(xing)可使用以下公(gong)式進行(xing)計算。

V總(zong)=V1+V2+V3

其中

V總(zong)—蒸汽發生器系(xi)統中充(chong)水(shui)總(zong)體積m3

V1—汽(qi)包達(da)到正常液位時(shi)水容積m3

V2—省煤器水容積(ji)m3

V3—蒸汽發生器水容(rong)積m3

Q=Cp*V總(zong)/Vl*(T2-T1)

其中

Q—加熱過程(cheng)所需總熱量KJ

Cp—水比熱(re)容KJ/kg/k

Vl—水比容m3/kg

T2—加(jia)熱終止(zhi)水溫℃

T1—加熱起始水溫(wen)℃

P=Q/t/3600

P—電加熱器功率kW

t—加熱持續時間h

2.電加熱器設計

啟(qi)動電加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器除了在機(ji)組冷啟(qi)動期間運行(xing)之外，還(huan)需要(yao)考(kao)慮機(ji)組甩(shuai)(shuai)負(fu)(fu)荷(he)工(gong)(gong)況，機(ji)組甩(shuai)(shuai)負(fu)(fu)荷(he)時，汽輪機(ji)抽汽管道停止運行(xing)，給(gei)(gei)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)度降低，需要(yao)運行(xing)啟(qi)動加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)給(gei)(gei)水(shui)(shui)，開(kai)始甩(shuai)(shuai)負(fu)(fu)荷(he)瞬(shun)間給(gei)(gei)水(shui)(shui)流(liu)量(liang)仍(reng)為額(e)定值，因此(ci)啟(qi)動加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器設計(ji)流(liu)量(liang)需要(yao)考(kao)慮機(ji)組額(e)定給(gei)(gei)水(shui)(shui)流(liu)量(liang)。給(gei)(gei)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)度應(ying)從常溫(wen)(wen)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)到260℃以上，啟(qi)動加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器工(gong)(gong)作溫(wen)(wen)度一般(ban)取15℃-300℃。電加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器應(ying)能承受給(gei)(gei)水(shui)(shui)泵出口(kou)壓(ya)頭，設計(ji)壓(ya)力一般(ban)取用給(gei)(gei)水(shui)(shui)泵出口(kou)管道設計(ji)壓(ya)力。根據電加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器設計(ji)溫(wen)(wen)度選擇合適的材(cai)質，殼體及法蘭接口(kou)采用碳鋼材(cai)質，加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)元件采用不(bu)銹鋼材(cai)質。

電加熱器(qi)由多(duo)個加熱元件構(gou)成，功(gong)率密度一般為4W/cm2，加熱器(qi)為恒(heng)功(gong)率設(she)計，不設(she)置(zhi)功(gong)率調(diao)節(jie)裝置(zhi)。為了保(bao)證加熱效果(guo)，加熱器(qi)內部(bu)設(she)有折流板(ban)和防沖板(ban)，給(gei)水在加熱器(qi)中以(yi)錯(cuo)流形式(shi)流動(dong)。典型(xing)的加熱器(qi)外(wai)形圖見(jian)圖4.

圖4：啟動電(dian)加熱器外形圖

由于電(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)給(gei)水設計(ji)壓力(li)較(jiao)高，給(gei)水流(liu)(liu)量(liang)變(bian)化(hua)較(jiao)大(da)，且(qie)在加(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)內部(bu)流(liu)(liu)體發生相(xiang)變(bian)，工作條件(jian)復雜，因此在設計(ji)是(shi)還應進行有(you)限元(yuan)(yuan)分析(xi)，模擬給(gei)水在加(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)內部(bu)的(de)加(jia)(jia)熱(re)(re)過程，及流(liu)(liu)場變(bian)化(hua)規律。某項目電(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)溫度、流(liu)(liu)場分布有(you)限元(yuan)(yuan)分析(xi)圖(tu)見圖(tu)5。

圖5：啟動(dong)電(dian)加熱器溫度、流場分布圖

通(tong)過有(you)限元分析，得到(dao)不同壓力下加熱元件溫度分布規律，見圖6。

圖6：加熱元件溫度隨壓力變化圖

由以上有限元(yuan)(yuan)分析可知(zhi)，加熱(re)元(yuan)(yuan)件表面(mian)(mian)最(zui)高(gao)(gao)溫度隨(sui)壓力(li)升高(gao)(gao)呈下降趨勢，在0.1MPa至(zhi)2MPa壓力(li)范圍內，加熱(re)元(yuan)(yuan)件表面(mian)(mian)最(zui)高(gao)(gao)溫度降低不明顯，均在740K左(zuo)右(you)(you)。超(chao)過2MPa壓力(li)，加熱(re)元(yuan)(yuan)件表面(mian)(mian)最(zui)高(gao)(gao)溫度迅速(su)降低，到達9MPa壓力(li)時，最(zui)高(gao)(gao)溫度降低至(zhi)620K左(zuo)右(you)(you)。

溫度的最高點集中在(zai)入(ru)口(kou)處(chu)折流板(ban)下部(bu)，因此可在(zai)靠近入(ru)口(kou)處(chu)折流板(ban)采(cai)取豁口(kou)、開孔等措施(shi)，增加該區域介(jie)質流動(dong)性，防(fang)止運(yun)行時出(chu)現超溫，并且設計時應重點關注此處(chu)應力變(bian)化(hua)，防(fang)止出(chu)現因應力過大(da)引起焊口(kou)拉裂出(chu)現泄(xie)漏問題。

考(kao)慮(lv)到在實際(ji)運(yun)行(xing)中電加熱器是全功率工(gong)作，不設置溫(wen)度調節(jie)裝置，無法實現對(dui)出口(kou)溫(wen)度的控(kong)制，還應在加熱器出口(kou)設置溫(wen)度測量元件(jian)，當溫(wen)度超過設定值時(shi)及(ji)時(shi)停止加熱器運(yun)行(xing)，保證(zheng)設備及(ji)系統運(yun)行(xing)安全。

結論

（1）、由(you)于光熱電站系(xi)統(tong)(tong)復雜(za)，檢修(xiu)周期短(duan)，啟(qi)停頻繁，因此設計合理的蒸汽(qi)發生器(qi)(qi)冷啟(qi)動(dong)系(xi)統(tong)(tong)尤為(wei)重要。本(ben)文研究(jiu)了一種(zhong)新型(xing)的蒸汽(qi)發生器(qi)(qi)冷啟(qi)動(dong)系(xi)統(tong)(tong)，只需在原有(you)蒸汽(qi)發生器(qi)(qi)系(xi)統(tong)(tong)基礎上增加啟(qi)動(dong)電加熱器(qi)(qi)、外(wai)置循環泵設備，無需其他配套系(xi)統(tong)(tong)，系(xi)統(tong)(tong)簡單，經濟性好。

（2）、本(ben)文研究了啟動電(dian)加(jia)熱器的選型計算方(fang)法，滿足(zu)工(gong)程設(she)計的需要。本(ben)系(xi)統(tong)相對于傳(chuan)統(tong)的設(she)置啟動鍋爐的冷啟動系(xi)統(tong)具(ju)有明顯的優勢。傳(chuan)統(tong)冷啟動方(fang)法增加(jia)了化(hua)(hua)石(shi)燃(ran)(ran)料消耗(hao)量，且(qie)產生燃(ran)(ran)燒污染物。本(ben)系(xi)統(tong)使用電(dian)加(jia)熱器加(jia)熱給(gei)水，僅(jin)消耗(hao)少量電(dian)能(neng)，不消耗(hao)化(hua)(hua)石(shi)燃(ran)(ran)料，無污染物排(pai)放。節省(sheng)傳(chuan)統(tong)化(hua)(hua)石(shi)燃(ran)(ran)料用量，環保性能(neng)好(hao)，具(ju)有良好(hao)的應用前景。

（3）、本文還簡要介紹了啟動(dong)電(dian)加(jia)熱(re)器(qi)的設計(ji)方法及設計(ji)中的注意(yi)事項(xiang)，可以(yi)作為類(lei)似(si)設備設計(ji)的參(can)考。