太阳能光热发电换热系统技术浅析

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摘要:太阳能光热发电可有效利用中国国际领先的火电汽轮机技术，通过不同型式的集热系统，将太阳能转化为热能。光热发电除集热系统外，还包括储热系统、换热系统、汽轮发电装置，鉴于当前国内外研究太阳能光热发电集热系统的技术文献及报告较多，本文将从太阳能光热发电系统换热系统角度出发，分析描述换热系统的构成、布置、启运方式、系统测试等方面内容，同时解读国内首个光热发电站用换热系统国家标准项目的有关内容。

关键词:光热发电;换热系统;蒸汽发生器

0引言

太阳能光热发电可有效利用中国国际领先的火电汽轮机技术，通过不同型式的集热系统，将太阳能转化为热能。光热发电除集热系统外，还包括储热系统、换热系统、汽轮发电装置，鉴于当前国内外研究太阳能光热发电集热系统的技术文献及报告较多，本文将从太阳能光热发电系统换热系统角度出发，分析描述换热系统的构成、布置、启运方式、系统测试等方面内容，同时解读国内首个光热发电站用换热系统国家标准项目的有关内容。

1光热发电技术综述

光热发电是将太阳能转化为热能，通过热功转换过程发电的技术。光热发电可有效利用中国国际领先的火电汽轮机技术，降低煤电去产能政策对常规产业的冲击。其主要特点是发电功率相对平稳可控、运行方式灵活、可进行热电并供。同时，光热发电具有非常好的环境效益［1］。由于太阳能分布具有间歇性、稀疏性等特点，聚光型光热发电成为对太阳能进行高效利用的有效途径之一。近年来，太阳能光热发电技术的应用与发展备受瞩目，根据聚光集热方式的不同，太阳能光热发电集热系统技术路线主要有4种类型:槽式集热系统、塔式集热系统、碟式集热系统以及线性菲涅尔式集热系统［2］。

2光热发电产业发展概况

目前，我国首批光热发电示范项目共计20个，合计装机1349MW。从技术路线上看，9座塔式、7座槽式、4座菲涅尔式;地理位置上看，9座位于甘肃省敦煌/玉门等地，4座位于青海德令哈/共和/格尔木，4座位于河北张家口/张北，2座位于内蒙古乌拉特，1座位于新疆哈密;从进度上看，已完成并网项目为7项。我国是世界上光热发电装备产业链发展基础较为完善的国家，随着光热电站项目的推进，我国在光热发电系统集成、优化、运维以及智能化发展等方面，也走在世界的前列。据预测，2020～2030年，我国将处于光热发电商业规模的发展阶段，光热发电向大容量、高参数、长时间储热、低成本方向发展，电站规模将平均每年增长500～1000MW［3］。

3光热发电换热系统概述

换热系统主要由蒸汽发生系统和油盐换热系统构成。其中，蒸汽发生系统是驱动蒸汽动力系统运行的动力，是太阳能热发电系统的重要组成部分，该系统的可靠性直接影响到整个光热发电站能否正常运行。蒸汽发生系统如图1所示，将高温盐罐内的熔盐分别通入过热器和再热器进行换热混合排出，再依次流经蒸汽发生器及预热器与给水发生换热，再将热量传给水后流入低温盐罐。

3.1换热系统的匹配要求

蒸汽发生系统的额定蒸发量应与汽轮机额定工况相匹配，最大连续蒸发量应与汽轮机阀门全开工况相匹配，同时应考虑系统的变工况特性。油盐换热系统的额定工况宜与汽轮机额定工况相匹配。换热系统设计工况下的系统热效率应不低于98%。蒸汽发生系统主蒸汽温度应满足汽轮机额定工况的要求(见表1)。

3.2蒸汽发生系统的设备要求

为了保证整个蒸汽发生系统的各项职能，该系统包括了预热器、蒸发器、汽包、过热器、再热器等换热设备。1)预热器:传热介质预先加热给水以提高给水温度的装置;2)蒸发器:传热介质与水换热产生高压饱和蒸汽的装置;3)过热器:传热介质加热饱和和蒸汽产生过热蒸汽的装置;4)再热器:传热介质加热汽轮机高压缸排汽产生高温再热蒸汽的装置。蒸汽发生系统设备的介质宜按照表2进行选取。

4光热发电换热系统运行

目前，国内蒸汽循环主要有自然循环(见图2)和强制循环(见图3)两大类，两者都有比较成熟的工程运行经验。太阳能热发电换热系统启停次数可按以下执行，具体次数应根据电站运行特点综合确定:1)冷态启动(停机超过72小时)10次/年，(调试期24次/年);2)温态启动(停机在10至72小时之间)250次/年，(调试期320次/年);3)热态启动(停机时间在1至10小时之间)300次/年，(调试期400次/年);4)极热态启动(机组停机1小时以内)50次/年(调试期100次/年);5)负荷阶跃＞10%铭牌功率/min，15750次/25年。太阳能光热发电蒸发器在启动时，无论是强制循环，还是自然循环都是依靠外部循环泵驱动水在预热器、电加热器、蒸发器与汽包之间循环，通过电加热器加热给水。如图2和图3所示，区别在于强制循环方式的循环水首先进入汽包，再通过强制循环泵进入蒸发器;自然循环方式因取消了强制循环泵，只能依靠外部循环泵进行循环，需要将循环水接入蒸发器，再由汽包抽出，从而实现蒸发器和汽包的预热。

4.1蒸汽发生系统启动曲线

根据调查某工程中熔盐光热发电的相关要求，及熔盐蒸汽发生系统的温升特性，考虑蒸汽发生系统的相关启动要求，统计蒸汽发生系统的启动曲线如图4所示。1)冷态启动:蒸汽发生系统启动时间约374min，至机组满负荷约434min。2)温态启动:蒸汽发生系统启动时间约14min，至机组满负荷约74min。3)热态启动:蒸汽发生系统启动时间约21min，至机组满负荷约67min。4)极热态启动:蒸汽发生系统启动时间约14min，至机组满负荷约30min。

4.2蒸汽发生系统温升影响

温升降温速率的大小对容器热应力影响较大，尤其对厚壁容器的影响更为明显。温升降温速率越大，在容器壁厚方向产生的温度梯度越大，热应力越大。通常对于内压容器内壁温度高于外壁的情况，在升温过程中，热应力与压力产生的机械应力方向相反，从而降低了容器在壁厚方向的应力;在降温过程中，热应力与压力产生的机械应力方向一致，从而提高了容器在壁厚方向的应力。所以此种情况下，降温过程为更恶劣工况，热应力对结构的安定性影响最大。

5光热发电换热系统标准解读

根据国家重点研发计划课题《太阳能高温热发电站关键技术标准研究》(课题编号:2017YFF0208301)，由机械工业北京电工技术经济研究所牵头开展太阳能热发电站换热系统技术要求和太阳能热发电站换热系统检测规范研究，自2017年中旬至2020年底，采用调研走访、会议研讨相结合的方式，以电站锅炉相关国家标准有关内容为基础，以光热发电工程示范项目为依托，以填补国内相关领域标准空白为目标，以引导我国光热电站建设为需求，对油盐换热系统，导热油蒸汽发生系统，熔融盐蒸汽发生系结构进行分析梳理，确定了光热电站换热系统的技术要求和检测原则，制定了两项光热发电换热系统国家标准项目。

5.1国内光热发电换热系统情况选取

根据实际工程项目走访与调研，选取部分蒸汽发生系统产品情况，如表3所示。

5.2标准主要研究内容

(1)技术难题:总体要求、设备选型、控制安全等主要研究内容:换热系统总体构成、设备配置、运行计划及控制、各部分之间的匹配关系以及相关的安全和性能要求，确定工质驱动系统、防凝系统、净化系统以及膨胀系统等辅助系统技术要求;对换热系统的管道以及阀门等附件进行优化配置。系统构成及参数:包括蒸汽发生系统和油盐换热系统，以及设备基本参数。正常使用环境条件:包括环境温度、湿度、风速。技术要求:包括一般要求、蒸汽发生系统(汽水侧、熔融盐侧、导热油测)、熔盐换热系统、热交换器、安全泄放装置、阀门及仪表控制、泵、管道、防凝要求。检测内容:包括额定蒸发量;热效率;汽水系统流量、进出口温度、压降;导热油和熔融盐系统流量、进出口温度、压降;蒸汽品质。(2)太阳能热发电站换热系统检测规范解决技术难题:检测需求、安装要求、采样评价等。主要研究内容:检测系统配置、检测对象和参数选取、安全和性能参数的计算方法等内容。试验项目:包括额定蒸发量;热效率;汽水系统流量、进出口温度、压降;导热油和熔融盐系统流量、进出口温度、压降;蒸汽品质。测量内容及仪表:确定汽水侧、导热油测、熔融盐侧、蒸汽品质等方面的具体测量内容。测量方法:包括流量、温度、压力和压差等测量方法。系统性能检测试验:包括额定蒸发量、最大连续蒸发量、汽水系统压降、熔融盐系统压降、导热油系统压降、蒸汽品质、热效率。上述两项国家标准规定了太阳能热发电站换热系统技术要求和检测规范，对于提高太阳能热发电站的换热效率起着至关重要的作用，且涉及整个电站的安全性和经济性，规范和指导了太阳能热利用工程建设与生产，能够有效引领太阳能光热产业规模化发展。

6结束语

当前，随着我国“碳达峰·碳中和”总体战略目标的提出，以能源生产清洁化、能源消费电气化为方向，全面实施“两个替代”，着力优化能源结构、提高能源效率、严控化石能源总量，构建清洁主导、电为中心的现代能源体系成为途径与方向。光热发电技术对比以风电、太阳能光伏发电等新能源发电技术，因具备较强的主动支撑电力系统及可控可调等电源端优势，通过“光热+光伏”、“光热+热电联产”、“光热+余热利用”等应用场景开拓，进一步发挥光热发电在“源网荷储”、“多能互补”等能源综合利用的助力和支撑作用。

作者:果岩 单位:机械工业北京电工技术经济研究所