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太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)熱發電是(shi)將太(tai)陽(yang)能(neng)轉化(hua)為(wei)可以儲存的熱能(neng)，再將熱能(neng)轉化(hua)為(wei)電能(neng)的過程(cheng)。由于光(guang)熱發電具有轉換效率(lv)高、電能(neng)輸出穩(wen)定(ding)、調峰(feng)能(neng)力強等優點，具有廣闊的發展前景。蒸(zheng)汽(qi)發生器系(xi)統(tong)是(shi)光(guang)熱電站發電模塊的重要(yao)組成部分，由于光(guang)熱電站系(xi)統(tong)復雜，檢修周(zhou)期短，啟(qi)停(ting)頻繁，因此設(she)計合理的蒸(zheng)汽(qi)發生器冷(leng)啟(qi)動系(xi)統(tong)尤為(wei)重要(yao)。

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。

太陽能(neng)光(guang)熱(re)(re)發(fa)(fa)電(dian)是將太陽能(neng)轉化(hua)為(wei)(wei)可以儲存的(de)熱(re)(re)能(neng)，再(zai)將熱(re)(re)能(neng)轉化(hua)為(wei)(wei)電(dian)能(neng)的(de)過(guo)程。相對于(yu)傳(chuan)統的(de)化(hua)石能(neng)源燃燒(shao)發(fa)(fa)電(dian)機(ji)組，光(guang)熱(re)(re)電(dian)站具有(you)(you)經(jing)濟性好、環保性好、資源可再(zai)生等優點(dian)。相比(bi)于(yu)光(guang)伏與風(feng)電(dian)等技術(shu)，光(guang)熱(re)(re)發(fa)(fa)電(dian)的(de)最(zui)大優勢在于(yu)相對穩(wen)定連續(xu)的(de)電(dian)力輸出，其特有(you)(you)的(de)光(guang)-熱(re)(re)-電(dian)轉換模式中，熱(re)(re)能(neng)具有(you)(you)良好的(de)儲存性能(neng)，使電(dian)力輸出平穩(wen)，有(you)(you)利于(yu)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。

塔式光熱電站通常由聚光集熱系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、儲(chu)熱系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、蒸汽(qi)發生器(qi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、汽(qi)輪機系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)等主(zhu)要系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)組成。

圖(tu)1：塔式(shi)光熱(re)電站系(xi)統示意圖(tu)

太陽能通(tong)過定(ding)日鏡聚焦到(dao)吸(xi)(xi)熱器(qi)上，冷(leng)(leng)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)從(cong)冷(leng)(leng)熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)罐中通(tong)過冷(leng)(leng)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)送至(zhi)吸(xi)(xi)熱器(qi)，并在吸(xi)(xi)熱器(qi)中吸(xi)(xi)收鏡場入(ru)射的能量(liang)，被加熱為熱熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)儲存到(dao)熱熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)罐中。熱熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)罐中的熱熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)通(tong)過熱鹽(yan)(yan)(yan)(yan)泵(beng)(beng)送入(ru)蒸汽發(fa)生器(qi)，同時給(gei)水被給(gei)水泵(beng)(beng)送到(dao)蒸汽發(fa)生器(qi)，熔(rong)(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)與給(gei)水在蒸汽發(fa)生器(qi)中充分換熱，產生過熱蒸汽，送至(zhi)汽輪機做功(gong)發(fa)電。

蒸汽發生器系統

蒸(zheng)汽發(fa)(fa)生器(qi)(qi)系(xi)(xi)統是(shi)光熱(re)電(dian)站發(fa)(fa)電(dian)模塊(kuai)的(de)重要組成(cheng)部分(fen)，蒸(zheng)汽發(fa)(fa)生系(xi)(xi)統的(de)功能(neng)是(shi)實現熔(rong)鹽與(yu)水(shui)工質之(zhi)間的(de)熱(re)交換(huan)。為了(le)提高汽水(shui)循環的(de)發(fa)(fa)電(dian)效率，一般采用帶再熱(re)系(xi)(xi)統的(de)汽輪(lun)機(ji)。來自(zi)熱(re)鹽罐(guan)的(de)高溫熔(rong)鹽分(fen)兩路分(fen)別(bie)進(jin)入(ru)過熱(re)器(qi)(qi)與(yu)再熱(re)器(qi)(qi)，經換(huan)熱(re)后在出口(kou)混合，再依次(ci)進(jin)入(ru)蒸(zheng)汽發(fa)(fa)生器(qi)(qi)和給水(shui)預熱(re)器(qi)(qi)，最后變為低溫熔(rong)鹽后返回低溫儲罐(guan)。

而來自高(gao)壓(ya)加熱(re)器(qi)(qi)的給水(shui)則依次流經給水(shui)預熱(re)器(qi)(qi)、蒸(zheng)發器(qi)(qi)和過(guo)熱(re)器(qi)(qi)，從而實現熔鹽與水(shui)工質的熱(re)交換，產生符合汽(qi)(qi)(qi)輪機(ji)運行要求的過(guo)熱(re)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)。過(guo)熱(re)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)在汽(qi)(qi)(qi)輪機(ji)高(gao)壓(ya)缸(gang)做功(gong)后，排汽(qi)(qi)(qi)進入再熱(re)器(qi)(qi)，經再熱(re)器(qi)(qi)熔鹽加熱(re)后進入汽(qi)(qi)(qi)輪機(ji)中低壓(ya)缸(gang)繼續做功(gong)，最后排入凝(ning)汽(qi)(qi)(qi)器(qi)(qi)。蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)發生器(qi)(qi)系(xi)統(tong)示意圖(tu)見(jian)圖(tu)2。

圖(tu)2：蒸(zheng)汽發生器系統示(shi)意圖(tu)

由于光熱(re)電(dian)站系(xi)統復雜(za)，檢修周(zhou)期短，啟(qi)停頻繁(fan)，因此設計合理的(de)(de)蒸汽發(fa)生器冷啟(qi)動系(xi)統尤為重要(yao)。為了防止冷啟(qi)動時(shi)(shi)蒸汽發(fa)生器熔鹽側發(fa)生凝固，傳統的(de)(de)啟(qi)動方式(shi)通常設置(zhi)(zhi)單(dan)獨(du)的(de)(de)啟(qi)動鍋爐，冷啟(qi)動之前通過啟(qi)動鍋爐系(xi)統向蒸汽發(fa)生器供應蒸汽加熱(re)給(gei)(gei)水至260℃以上(shang)，然后(hou)通入(ru)熔鹽進行正常啟(qi)動過程(cheng)。此種方式(shi)存在以下缺點：系(xi)統復雜(za)，造價較高(gao)，需要(yao)設置(zhi)(zhi)單(dan)獨(du)的(de)(de)高(gao)壓啟(qi)動鍋爐；由于太陽能電(dian)站不(bu)消(xiao)耗傳統化(hua)石(shi)燃料(liao)，如果設置(zhi)(zhi)啟(qi)動鍋爐，需要(yao)給(gei)(gei)鍋爐配套額外的(de)(de)化(hua)石(shi)燃料(liao)系(xi)統，且(qie)僅在冷啟(qi)動時(shi)(shi)使用，利用率不(bu)高(gao)，投入(ru)與產出不(bu)匹配。

冷啟動系統

為(wei)了解決以上問題，可采用以下蒸汽發生(sheng)器冷(leng)啟動系統，見圖3.

圖(tu)(tu)3：蒸汽發生器冷啟動系(xi)統流程圖(tu)(tu)

在(zai)原有蒸汽發(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)系統中增加(jia)啟(qi)(qi)動(dong)電(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)、外置循(xun)(xun)環泵設(she)備(bei)。蒸汽發(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)冷啟(qi)(qi)動(dong)時(shi)(shi)，先把系統上滿水(shui)。此時(shi)(shi)，低負荷(he)預熱(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)、啟(qi)(qi)動(dong)電(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)(re)(re)、省煤器(qi)(qi)、蒸發(fa)(fa)器(qi)(qi)充滿水(shui)，汽包(bao)(bao)達到(dao)(dao)設(she)定(ding)水(shui)位。開啟(qi)(qi)外置循(xun)(xun)環泵，同時(shi)(shi)開啟(qi)(qi)啟(qi)(qi)動(dong)電(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)，關(guan)閉低負荷(he)預熱(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)出口隔離(li)閥(fa)，關(guan)閉汽包(bao)(bao)出口調節閥(fa)，使系統中的(de)水(shui)形(xing)成(cheng)封閉循(xun)(xun)環回(hui)路。啟(qi)(qi)動(dong)電(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)保持(chi)運(yun)行狀態，外置循(xun)(xun)環泵持(chi)續運(yun)行使系統中給(gei)水(shui)溫(wen)度(du)保持(chi)均勻，并(bing)且緩(huan)慢(man)升(sheng)(sheng)高。當溫(wen)度(du)超過100℃時(shi)(shi)，給(gei)水(shui)在(zai)汽包(bao)(bao)中發(fa)(fa)生(sheng)汽化，使汽包(bao)(bao)壓力逐(zhu)漸升(sheng)(sheng)高，此時(shi)(shi)升(sheng)(sheng)溫(wen)、升(sheng)(sheng)壓過程(cheng)同時(shi)(shi)進行。經過一段時(shi)(shi)間(jian)運(yun)行，最終整個系統給(gei)水(shui)達到(dao)(dao)設(she)定(ding)溫(wen)度(du)260℃，此時(shi)(shi)對應的(de)壓力為4.7MPa，此時(shi)(shi)升(sheng)(sheng)溫(wen)升(sheng)(sheng)壓過程(cheng)結束(shu)，關(guan)閉電(dian)加(jia)熱(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)及外置循(xun)(xun)環泵。由(you)于熔鹽(yan)(yan)凝(ning)固點為230℃左右(you)，熔鹽(yan)(yan)進入蒸汽發(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)不會發(fa)(fa)生(sheng)凝(ning)固，此時(shi)(shi)通入熔鹽(yan)(yan)進行正常啟(qi)(qi)動(dong)過程(cheng)。

電加熱器選型及設計

1.電加熱器選型計算

電(dian)加熱器(qi)(qi)是(shi)冷啟(qi)動系統中最重要(yao)的(de)設(she)備(bei)，電(dian)加熱器(qi)(qi)選(xuan)型是(shi)否(fou)正確直接關(guan)系到系統的(de)安全(quan)可靠運行。電(dian)加熱器(qi)(qi)的(de)選(xuan)型可使用以下(xia)公式進(jin)行計算。

V總(zong)=V1+V2+V3

其中

V總—蒸汽發生(sheng)器(qi)系統中充水總體積m3

V1—汽包達到正常液位時(shi)水容積m3

V2—省煤器(qi)水容(rong)積m3

V3—蒸汽發(fa)生器水容積m3

Q=Cp*V總/Vl*(T2-T1)

其中

Q—加熱(re)過(guo)程所需總熱(re)量(liang)KJ

Cp—水比(bi)熱容KJ/kg/k

Vl—水比(bi)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(jia)熱器功率kW

t—加熱持續時間h

2.電加熱器設計

啟動(dong)電加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)(qi)除了(le)在機組(zu)冷啟動(dong)期間(jian)(jian)運行(xing)之外，還需要考(kao)慮機組(zu)甩(shuai)負(fu)荷(he)工況，機組(zu)甩(shuai)負(fu)荷(he)時，汽(qi)輪(lun)機抽(chou)汽(qi)管(guan)道(dao)停止運行(xing)，給水(shui)溫(wen)(wen)度降低，需要運行(xing)啟動(dong)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)(qi)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)給水(shui)，開(kai)始甩(shuai)負(fu)荷(he)瞬間(jian)(jian)給水(shui)流量仍為額(e)定(ding)值，因此(ci)啟動(dong)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)(qi)設(she)計流量需要考(kao)慮機組(zu)額(e)定(ding)給水(shui)流量。給水(shui)溫(wen)(wen)度應(ying)從常(chang)溫(wen)(wen)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)到260℃以上，啟動(dong)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)(qi)工作溫(wen)(wen)度一般取15℃-300℃。電加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)(qi)應(ying)能承受給水(shui)泵出(chu)口(kou)壓(ya)頭，設(she)計壓(ya)力(li)一般取用(yong)給水(shui)泵出(chu)口(kou)管(guan)道(dao)設(she)計壓(ya)力(li)。根據電加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)器(qi)(qi)設(she)計溫(wen)(wen)度選擇合適的材質(zhi)(zhi)，殼體及法蘭接口(kou)采(cai)用(yong)碳鋼(gang)材質(zhi)(zhi)，加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)元件采(cai)用(yong)不銹鋼(gang)材質(zhi)(zhi)。

電加(jia)熱(re)器(qi)由多個加(jia)熱(re)元件構成，功(gong)率(lv)密度(du)一(yi)般(ban)為(wei)4W/cm2，加(jia)熱(re)器(qi)為(wei)恒功(gong)率(lv)設(she)(she)計，不(bu)設(she)(she)置功(gong)率(lv)調節(jie)裝置。為(wei)了(le)保證(zheng)加(jia)熱(re)效果，加(jia)熱(re)器(qi)內部設(she)(she)有折流板和防沖板，給(gei)水在加(jia)熱(re)器(qi)中以錯流形式流動。典型的加(jia)熱(re)器(qi)外形圖見圖4.

圖4：啟動電加(jia)熱器外形(xing)圖

由于(yu)電(dian)加熱(re)(re)器(qi)給水設(she)計壓力較高，給水流(liu)量變(bian)化(hua)較大，且在(zai)加熱(re)(re)器(qi)內部(bu)流(liu)體(ti)發(fa)生相(xiang)變(bian)，工作條件(jian)復雜，因此在(zai)設(she)計是(shi)還應進行有(you)(you)限元(yuan)分析，模擬給水在(zai)加熱(re)(re)器(qi)內部(bu)的加熱(re)(re)過程，及(ji)流(liu)場變(bian)化(hua)規律。某(mou)項目電(dian)加熱(re)(re)器(qi)溫度、流(liu)場分布有(you)(you)限元(yuan)分析圖(tu)見圖(tu)5。

圖5：啟動電加熱(re)器溫(wen)度、流場分(fen)布圖

通過有限元分析，得到不同壓(ya)力下加熱元件溫度分布(bu)規律，見圖6。

圖6：加熱元件溫(wen)度隨(sui)壓力(li)變化(hua)圖

由以上(shang)有限元分(fen)析可知，加(jia)熱元件(jian)表(biao)面(mian)最(zui)(zui)(zui)高(gao)溫(wen)度隨壓力(li)升(sheng)高(gao)呈下降(jiang)趨勢，在0.1MPa至2MPa壓力(li)范(fan)圍內，加(jia)熱元件(jian)表(biao)面(mian)最(zui)(zui)(zui)高(gao)溫(wen)度降(jiang)低不明顯，均在740K左(zuo)右。超過2MPa壓力(li)，加(jia)熱元件(jian)表(biao)面(mian)最(zui)(zui)(zui)高(gao)溫(wen)度迅速(su)降(jiang)低，到達9MPa壓力(li)時(shi)，最(zui)(zui)(zui)高(gao)溫(wen)度降(jiang)低至620K左(zuo)右。

溫度的最高點(dian)集中(zhong)在入(ru)口(kou)處折流(liu)板下部，因(yin)(yin)此(ci)可在靠(kao)近入(ru)口(kou)處折流(liu)板采取豁口(kou)、開孔等(deng)措施，增加(jia)該區域介質流(liu)動性，防(fang)止(zhi)運(yun)行(xing)時出(chu)(chu)現(xian)超溫，并且設計時應(ying)重點(dian)關注(zhu)此(ci)處應(ying)力(li)變(bian)化，防(fang)止(zhi)出(chu)(chu)現(xian)因(yin)(yin)應(ying)力(li)過大引起焊口(kou)拉裂出(chu)(chu)現(xian)泄漏問題。

考慮到(dao)在(zai)(zai)實(shi)際運(yun)(yun)行(xing)(xing)中電加熱(re)器是全功(gong)率工(gong)作(zuo)，不(bu)設(she)(she)置溫(wen)度調節裝置，無法實(shi)現對出口(kou)溫(wen)度的控制，還應在(zai)(zai)加熱(re)器出口(kou)設(she)(she)置溫(wen)度測量元件，當溫(wen)度超過設(she)(she)定值時及時停止加熱(re)器運(yun)(yun)行(xing)(xing)，保證(zheng)設(she)(she)備及系統運(yun)(yun)行(xing)(xing)安(an)全。

結論

（1）、由于(yu)光熱(re)電(dian)站系(xi)(xi)統復雜，檢修(xiu)周期(qi)短，啟停頻繁，因此設(she)計合理的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)冷啟動系(xi)(xi)統尤為重要。本文研究了一種新型的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)冷啟動系(xi)(xi)統，只需在(zai)原有蒸(zheng)(zheng)汽(qi)發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)系(xi)(xi)統基(ji)礎上增加啟動電(dian)加熱(re)器(qi)(qi)、外置循環(huan)泵(beng)設(she)備，無需其他配套(tao)系(xi)(xi)統，系(xi)(xi)統簡單，經濟性好(hao)。

（2）、本文研究(jiu)了啟(qi)動(dong)電(dian)加(jia)熱(re)器的(de)選型計(ji)算方法(fa)，滿足工(gong)程(cheng)設計(ji)的(de)需要。本系(xi)統(tong)(tong)相對于傳(chuan)統(tong)(tong)的(de)設置啟(qi)動(dong)鍋爐的(de)冷(leng)啟(qi)動(dong)系(xi)統(tong)(tong)具有明顯的(de)優勢。傳(chuan)統(tong)(tong)冷(leng)啟(qi)動(dong)方法(fa)增加(jia)了化石(shi)(shi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)消耗量，且產(chan)生燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)污(wu)(wu)染(ran)物(wu)。本系(xi)統(tong)(tong)使用電(dian)加(jia)熱(re)器加(jia)熱(re)給水，僅消耗少量電(dian)能，不消耗化石(shi)(shi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)，無污(wu)(wu)染(ran)物(wu)排放。節省傳(chuan)統(tong)(tong)化石(shi)(shi)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)用量，環保性能好，具有良好的(de)應用前景(jing)。

（3）、本文還簡要介(jie)紹了啟動電加(jia)熱器的設(she)計(ji)方法及設(she)計(ji)中的注意事(shi)項，可以作為類似設(she)備設(she)計(ji)的參考。