太陽(yáng)能光熱發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可以儲(chǔ)存的熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。由于光熱發(fā)電具有轉(zhuǎn)換效率高、電能輸出穩(wěn)定、調(diào)峰能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)是光熱電站發(fā)電模塊的重要組成部分，由于光熱電站系統(tǒng)復(fù)雜，檢修周期短，啟停頻繁，因此設(shè)計(jì)合理的蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)系統(tǒng)尤為重要。

本文研究了蒸汽發(fā)生器的冷啟動(dòng)系統(tǒng)工藝流程、設(shè)備組成、選型計(jì)算等，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可以儲(chǔ)存的熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。相對(duì)于傳統(tǒng)的化石能源燃燒發(fā)電機(jī)組，光熱電站具有經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)保性好、資源可再生等優(yōu)點(diǎn)。相比于光伏與風(fēng)電等技術(shù)，光熱發(fā)電的最大優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)穩(wěn)定連續(xù)的電力輸出，其特有的光-熱-電轉(zhuǎn)換模式中，熱能具有良好的儲(chǔ)存性能，使電力輸出平穩(wěn)，有利于并網(wǎng)。

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

塔式光熱電站通常由聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)等主要系統(tǒng)組成。

圖1：塔式光熱電站系統(tǒng)示意圖

太陽(yáng)能通過(guò)定日鏡聚焦到吸熱器上，冷熔鹽從冷熔鹽罐中通過(guò)冷鹽泵送至吸熱器，并在吸熱器中吸收鏡場(chǎng)入射的能量，被加熱為熱熔鹽儲(chǔ)存到熱熔鹽罐中。熱熔鹽罐中的熱熔鹽通過(guò)熱鹽泵送入蒸汽發(fā)生器，同時(shí)給水被給水泵送到蒸汽發(fā)生器，熔鹽與給水在蒸汽發(fā)生器中充分換熱，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，送至汽輪機(jī)做功發(fā)電。

蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)是光熱電站發(fā)電模塊的重要組成部分，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)熔鹽與水工質(zhì)之間的熱交換。為了提高汽水循環(huán)的發(fā)電效率，一般采用帶再熱系統(tǒng)的汽輪機(jī)。來(lái)自熱鹽罐的高溫熔鹽分兩路分別進(jìn)入過(guò)熱器與再熱器，經(jīng)換熱后在出口混合，再依次進(jìn)入蒸汽發(fā)生器和給水預(yù)熱器，最后變?yōu)榈蜏厝埯}后返回低溫儲(chǔ)罐。

而來(lái)自高壓加熱器的給水則依次流經(jīng)給水預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器，從而實(shí)現(xiàn)熔鹽與水工質(zhì)的熱交換，產(chǎn)生符合汽輪機(jī)運(yùn)行要求的過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸做功后，排汽進(jìn)入再熱器，經(jīng)再熱器熔鹽加熱后進(jìn)入汽輪機(jī)中低壓缸繼續(xù)做功，最后排入凝汽器。蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2：蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)示意圖

由于光熱電站系統(tǒng)復(fù)雜，檢修周期短，啟停頻繁，因此設(shè)計(jì)合理的蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)系統(tǒng)尤為重要。為了防止冷啟動(dòng)時(shí)蒸汽發(fā)生器熔鹽側(cè)發(fā)生凝固，傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式通常設(shè)置單獨(dú)的啟動(dòng)鍋爐，冷啟動(dòng)之前通過(guò)啟動(dòng)鍋爐系統(tǒng)向蒸汽發(fā)生器供應(yīng)蒸汽加熱給水至260℃以上，然后通入熔鹽進(jìn)行正常啟動(dòng)過(guò)程。此種方式存在以下缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)較高，需要設(shè)置單獨(dú)的高壓?jiǎn)?dòng)鍋爐；由于太陽(yáng)能電站不消耗傳統(tǒng)化石燃料，如果設(shè)置啟動(dòng)鍋爐，需要給鍋爐配套額外的化石燃料系統(tǒng)，且僅在冷啟動(dòng)時(shí)使用，利用率不高，投入與產(chǎn)出不匹配。

冷啟動(dòng)系統(tǒng)

為了解決以上問(wèn)題，可采用以下蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)系統(tǒng)，見圖3.

圖3：蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)系統(tǒng)流程圖

在原有蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)中增加啟動(dòng)電加熱器、外置循環(huán)泵設(shè)備。蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)時(shí)，先把系統(tǒng)上滿水。此時(shí)，低負(fù)荷預(yù)熱器、啟動(dòng)電加熱、省煤器、蒸發(fā)器充滿水，汽包達(dá)到設(shè)定水位。開啟外置循環(huán)泵，同時(shí)開啟啟動(dòng)電加熱器，關(guān)閉低負(fù)荷預(yù)熱器出口隔離閥，關(guān)閉汽包出口調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)中的水形成封閉循環(huán)回路。啟動(dòng)電加熱器保持運(yùn)行狀態(tài)，外置循環(huán)泵持續(xù)運(yùn)行使系統(tǒng)中給水溫度保持均勻，并且緩慢升高。當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)，給水在汽包中發(fā)生汽化，使汽包壓力逐漸升高，此時(shí)升溫、升壓過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，最終整個(gè)系統(tǒng)給水達(dá)到設(shè)定溫度260℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力為4.7MPa，此時(shí)升溫升壓過(guò)程結(jié)束，關(guān)閉電加熱器及外置循環(huán)泵。由于熔鹽凝固點(diǎn)為230℃左右，熔鹽進(jìn)入蒸汽發(fā)生器不會(huì)發(fā)生凝固，此時(shí)通入熔鹽進(jìn)行正常啟動(dòng)過(guò)程。

電加熱器選型及設(shè)計(jì)

1.電加熱器選型計(jì)算

電加熱器是冷啟動(dòng)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，電加熱器選型是否正確直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。電加熱器的選型可使用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

V總=V1+V2+V3

其中

V總—蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)中充水總體積m3

V1—汽包達(dá)到正常液位時(shí)水容積m3

V2—省煤器水容積m3

V3—蒸汽發(fā)生器水容積m3

Q=Cp*V總/Vl*(T2-T1)

其中

Q—加熱過(guò)程所需總熱量KJ

Cp—水比熱容KJ/kg/k

Vl—水比容m3/kg

T2—加熱終止水溫℃

T1—加熱起始水溫℃

P=Q/t/3600

P—電加熱器功率kW

t—加熱持續(xù)時(shí)間h

2.電加熱器設(shè)計(jì)

啟動(dòng)電加熱器除了在機(jī)組冷啟動(dòng)期間運(yùn)行之外，還需要考慮機(jī)組甩負(fù)荷工況，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)抽汽管道停止運(yùn)行，給水溫度降低，需要運(yùn)行啟動(dòng)加熱器加熱給水，開始甩負(fù)荷瞬間給水流量仍為額定值，因此啟動(dòng)加熱器設(shè)計(jì)流量需要考慮機(jī)組額定給水流量。給水溫度應(yīng)從常溫加熱到260℃以上，啟動(dòng)加熱器工作溫度一般取15℃-300℃。電加熱器應(yīng)能承受給水泵出口壓頭，設(shè)計(jì)壓力一般取用給水泵出口管道設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)電加熱器設(shè)計(jì)溫度選擇合適的材質(zhì)，殼體及法蘭接口采用碳鋼材質(zhì)，加熱元件采用不銹鋼材質(zhì)。

電加熱器由多個(gè)加熱元件構(gòu)成，功率密度一般為4W/cm2，加熱器為恒功率設(shè)計(jì)，不設(shè)置功率調(diào)節(jié)裝置。為了保證加熱效果，加熱器內(nèi)部設(shè)有折流板和防沖板，給水在加熱器中以錯(cuò)流形式流動(dòng)。典型的加熱器外形圖見圖4.

圖4：?jiǎn)?dòng)電加熱器外形圖

由于電加熱器給水設(shè)計(jì)壓力較高，給水流量變化較大，且在加熱器內(nèi)部流體發(fā)生相變，工作條件復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)是還應(yīng)進(jìn)行有限元分析，模擬給水在加熱器內(nèi)部的加熱過(guò)程，及流場(chǎng)變化規(guī)律。某項(xiàng)目電加熱器溫度、流場(chǎng)分布有限元分析圖見圖5。

圖5：?jiǎn)?dòng)電加熱器溫度、流場(chǎng)分布圖

通過(guò)有限元分析，得到不同壓力下加熱元件溫度分布規(guī)律，見圖6。

圖6：加熱元件溫度隨壓力變化圖

由以上有限元分析可知，加熱元件表面最高溫度隨壓力升高呈下降趨勢(shì)，在0.1MPa至2MPa壓力范圍內(nèi)，加熱元件表面最高溫度降低不明顯，均在740K左右。超過(guò)2MPa壓力，加熱元件表面最高溫度迅速降低，到達(dá)9MPa壓力時(shí)，最高溫度降低至620K左右。

溫度的最高點(diǎn)集中在入口處折流板下部，因此可在靠近入口處折流板采取豁口、開孔等措施，增加該區(qū)域介質(zhì)流動(dòng)性，防止運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)超溫，并且設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此處應(yīng)力變化，防止出現(xiàn)因應(yīng)力過(guò)大引起焊口拉裂出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。

考慮到在實(shí)際運(yùn)行中電加熱器是全功率工作，不設(shè)置溫度調(diào)節(jié)裝置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)出口溫度的控制，還應(yīng)在加熱器出口設(shè)置溫度測(cè)量元件，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)及時(shí)停止加熱器運(yùn)行，保證設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行安全。

結(jié)論

（1）、由于光熱電站系統(tǒng)復(fù)雜，檢修周期短，啟停頻繁，因此設(shè)計(jì)合理的蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)系統(tǒng)尤為重要。本文研究了一種新型的蒸汽發(fā)生器冷啟動(dòng)系統(tǒng)，只需在原有蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加啟動(dòng)電加熱器、外置循環(huán)泵設(shè)備，無(wú)需其他配套系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好。

（2）、本文研究了啟動(dòng)電加熱器的選型計(jì)算方法，滿足工程設(shè)計(jì)的需要。本系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)置啟動(dòng)鍋爐的冷啟動(dòng)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)冷啟動(dòng)方法增加了化石燃料消耗量，且產(chǎn)生燃燒污染物。本系統(tǒng)使用電加熱器加熱給水，僅消耗少量電能，不消耗化石燃料，無(wú)污染物排放。節(jié)省傳統(tǒng)化石燃料用量，環(huán)保性能好，具有良好的應(yīng)用前景。

（3）、本文還簡(jiǎn)要介紹了啟動(dòng)電加熱器的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，可以作為類似設(shè)備設(shè)計(jì)的參考。