太陽能光熱發(fā)電中新型換熱器的設(shè)計研究

引言

對于太陽能光熱電站,通常都是采用傳統(tǒng)U型管換熱器,但目前有一種新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器已被成功開發(fā)應(yīng)用,它相對于傳統(tǒng)U型管換熱器具有以下明顯優(yōu)勢:(1）管束可充分自由收縮:(2）圓形集箱設(shè)計降低了熱應(yīng)力:(3）快速啟動:10℃/min:(4）鍋爐管外徑不小于30mm,厚度不小于4mm:(5）無須抽卸管束的空間,覆蓋區(qū)更小:(6）根據(jù)ABMA標(biāo)準(zhǔn)采用分離的蒸汽鍋筒,因鍋筒內(nèi)的雙級蒸汽分離裝置,蒸汽品質(zhì)高(對蒸汽輪機(jī)的運(yùn)行非常重要）:(7）上下聯(lián)管產(chǎn)生至少15:1的自然循環(huán)。新型蛇形管換熱器主要包括兩個蒸發(fā)器換熱器和一個單獨的蒸汽鍋筒,蒸汽鍋筒由外部的上下聯(lián)管連接到蒸發(fā)器,同時管束通常有3處通道口,因此較殼體具有更大的靈活性。此種蛇形管換熱器設(shè)計、制造及檢驗驗收都可滿足《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TsGG0001—2012）(以下簡稱《鍋規(guī)》）、AsME、PED及相關(guān)法規(guī)要求。

1設(shè)備簡介

1.1蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)器作為蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要部件,其性能非常重要。結(jié)構(gòu)主要還是基于TEMA類型的管殼式換熱器,將管束和蒸汽空間放置在同一殼體中,殼體直徑大于管束直徑,蒸汽空間在殼體上方,即管束的上側(cè)。管束有兩個通道口,一個入口和一個出口。

1.2蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程

給水在蒸發(fā)器中加熱產(chǎn)生高壓蒸汽,驅(qū)動高壓汽輪機(jī)發(fā)電。為了提高汽輪機(jī)效率,通常對汽輪機(jī)出口蒸汽進(jìn)行再熱,驅(qū)動低壓汽輪機(jī)發(fā)電。高壓蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)每列包括一臺過熱器、一臺蒸發(fā)器和一臺預(yù)熱器、兩臺再熱器,分別與預(yù)熱器和過熱器并聯(lián)。在這個回路中,所有的傳熱流體都流過蒸發(fā)器。這種配置的優(yōu)點是可以在相同蒸汽輸出的情況下減少設(shè)備的換熱面積。蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2換熱器設(shè)計方案

(1）新型蛇形管換熱器材質(zhì)選用具有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的鋼材,設(shè)計采用無管板蛇形管方案,封頭采用1:2橢圓封頭,采用大直徑換熱管,可減少堵塞,大大降低系統(tǒng)阻力。

(2）換熱器在室外安裝使用,外保溫采用200mm厚硅酸鋁棉防止熱損失,保證蒸汽系統(tǒng)熱效率不低于96.7%。如果省煤器進(jìn)口溫度過低,在寒冷天氣條件下,系統(tǒng)中小型管道中的水或?qū)嵊突蛉埯}可能凍結(jié)。因此,應(yīng)在汽包內(nèi)增設(shè)一組換熱管束,在省煤器進(jìn)水處增設(shè)旁路,使部分給水進(jìn)入汽包加熱,以提高溫度,防止管內(nèi)凝固。

(3）基于頻繁啟停會產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致設(shè)備疲勞開裂的風(fēng)險,在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中,采用集管形式代替厚管板,將高溫導(dǎo)熱油或熔鹽分配到管束中。集管為圓柱形,可由相對較薄的材料制成,與傳統(tǒng)管板相比,降低了熱應(yīng)力。在制造過程中,采用全焊后熱處理的方法來降低殘余應(yīng)力。在設(shè)計和制造過程中,換熱器能適應(yīng)頻繁啟動(每天啟停一次）。同時,集箱與管束之間的焊接接頭設(shè)計在可檢測的位置,以便在鍋爐停機(jī)檢修時進(jìn)行表面無損檢測,防止焊接接頭疲勞損傷。

(4）本設(shè)計考慮了規(guī)定的荷載效應(yīng)及其他相關(guān)荷載,并按AsMEⅧ-2規(guī)范對設(shè)備進(jìn)行疲勞和有限元分析,對支架、吊耳和各管口進(jìn)行了荷載驗算。無論設(shè)備啟動、停止或在各種負(fù)荷條件下,設(shè)備壁溫均低于鋼材的允許值,設(shè)備內(nèi)所有應(yīng)力集中處的應(yīng)力水平也低于允許應(yīng)力,保證使用壽命不低于30年。在預(yù)期壽命內(nèi),設(shè)備能承受下列運(yùn)行方式產(chǎn)生的應(yīng)力:冷啟動(停機(jī)超過72h）1000次,溫啟動(停機(jī)24～72h）3000次,熱啟動(停機(jī)時間小于24h）6000次。

(5）太陽能蒸汽發(fā)生器的預(yù)期連續(xù)排污量為0.5%,但是在啟動或非正常運(yùn)行狀態(tài)下,排污量可達(dá)5%。本次設(shè)計的新型蒸發(fā)器有一個獨立的汽包,類似于傳統(tǒng)的鍋爐,帶有兩級汽水分離系統(tǒng)。第一級分離為旋風(fēng)分離器,第二級分離為波紋板分離器,保證蒸汽流中攜帶的水滴不使飽和蒸汽低于要求質(zhì)量的99.95%。過熱/再熱蒸汽的質(zhì)量符合VGB調(diào)節(jié)值標(biāo)準(zhǔn),如表1數(shù)據(jù)所示。

(6）新型換熱器合理布置上升管和下降管,平均循環(huán)比大于等于15:1,汽包安裝在蒸發(fā)器頂部,由上升管和下降管系統(tǒng)支撐,將重量和外部負(fù)荷轉(zhuǎn)移到換熱器殼側(cè)。殼體設(shè)有定期排污口、連續(xù)排污口、放空口、兩個安全閥接口、遠(yuǎn)近液位計接口、壓力檢測接口。在蒸汽發(fā)生器上確定正常水位、允許最高和最低水位,并在設(shè)備上標(biāo)出中心線:輔助系統(tǒng)配有安全閥。安全閥的排放量符合電站鍋爐的相關(guān)要求,以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

(7）換熱器所有進(jìn)出口管口設(shè)備均應(yīng)采用馬鞍式焊接,不允許使用補(bǔ)強(qiáng)圈。蒸汽發(fā)生器給水進(jìn)口管嘴設(shè)計有隔熱套管,以降低熱應(yīng)力。蒸發(fā)器給水管道沿汽包方向均勻分布,保證給水均勻。

3設(shè)計要點

3.1換熱器結(jié)構(gòu)

目前,TEMA類型的高溫高壓管殼式換熱器,為滿足強(qiáng)度要求,所有組件都需要采用較大厚度的材料。該新型換熱器是獨特的集箱以及蛇形管設(shè)計,無管板,受熱面由蛇形管束組成,蛇形管蒸發(fā)器的管束有許多折彎,所以具有高度靈活性。管束的傳熱管內(nèi)為高壓側(cè):傳熱流體為低壓側(cè),它在橫流外側(cè)做逆向流動。傳熱管束置于一個圓柱形的壓力容器內(nèi),容器內(nèi)裝有傳熱流體。管束焊接在進(jìn)出口集箱處,集箱穿過在殼體處設(shè)置的熱套筒以降低熱應(yīng)力。在換熱器內(nèi)部設(shè)置可靠的支撐及固定組件,防止流體流動造成機(jī)械振動。

3.2抗疲勞

就熱應(yīng)力而言,管板使用過厚材料并不理想,因為存在疲勞開裂的風(fēng)險。新型蛇形管換熱器不采用厚管板,而是通過圓形集箱將高溫導(dǎo)熱油或熔鹽流分配到傳熱管束中。因集箱的圓筒形設(shè)計,可采用厚度相對較小的材料,也因此降低了熱疲勞應(yīng)力。通過將蒸發(fā)器單元拆分成兩個換熱器和一個蒸汽鍋筒,單個壓力容器的直徑比釜式的小,而且用于承受壓力的所需管壁厚度也相對變小了。較小管壁厚度的材料的使用,降低了啟停和負(fù)荷變化時系統(tǒng)對高溫度梯度的敏感性。

3.3大直徑傳熱管

釜式蒸發(fā)器通常采用薄壁小直徑換熱管,熱負(fù)荷可能會變得非常接近甚至超過管束的臨界熱負(fù)荷。在這種情況下,傳熱管內(nèi)充滿了蒸汽,傳熱系數(shù)將大幅度降低且變得不穩(wěn)定,造成設(shè)備損傷。同時,小直徑換熱管增加了結(jié)垢風(fēng)險。新型蛇形管換熱器可采用口徑較大的傳熱管,并且其管間距較大。因此,在運(yùn)行過程中熱負(fù)荷遠(yuǎn)低于臨界熱負(fù)荷,運(yùn)行非常穩(wěn)定和安全。

3.4高品質(zhì)蒸汽

釜式蒸發(fā)器的蒸發(fā)和蒸汽空間置于同一個殼體內(nèi),因此,蒸汽品質(zhì)想要達(dá)到蒸汽輪機(jī)運(yùn)行可接受范圍,必須借助于外部汽水分離器。新型蛇形管蒸發(fā)器帶有一個單獨的蒸汽鍋筒,可以配置一個雙級汽水分離系統(tǒng)。該配置在常規(guī)的水管鍋爐中已成熟應(yīng)用,一級分離采用旋風(fēng)分離器,二級分離采用波形板分離器。

4結(jié)語

新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器具有傳熱效率高、快速啟動、蒸汽品質(zhì)高、設(shè)計和制造滿足《鍋規(guī)》、ASME、PED要求等優(yōu)點,經(jīng)過設(shè)計研究改造后已經(jīng)被成功應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電中,同時經(jīng)過不同段負(fù)荷驗證,其設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)均處于穩(wěn)定安全工況。在太陽能光熱發(fā)電中,采用該種形式的換熱器可達(dá)到安全、節(jié)能、降耗的效果。